溢洪道高邊坡開挖錨固支護長度時效性研究

金宏博

（遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧沈陽110000）

1 工程背景

轎頂子電站屬于半拉江上游六股河干流上的重要在建水利工程[1]。該工程壩址位于寬甸滿族自治縣太平哨鎮轎頂子村境內，設計庫容為0.87 億m3，主要建筑物包括混凝土重力壩、副壩、溢洪道、泄洪洞以及引水發電系統。其中，電站溢洪道位于大壩左岸的山體上，主要由進水渠段、進口翼墻段、控制段、泄槽段以及消能防沖段構成[2]。溢洪道進水渠段長度為86.9 m，基面高程為299.0 m，左岸邊坡最高部位達84.0 m。為了保證邊坡安全，擬在邊坡開挖之后進行錨桿和錨索聯合支護。在水利工程邊坡開挖支護施工中，施工方案的選擇需要綜合考慮安全性、工期、成本等多種因素，許多學者也在該領域進行了大量研究，并獲得了豐富的研究成果[3]。其中，錨桿支護是邊坡工程中最常用的和最有效的加固方式之一，可以使巖土體通過新的相互作用，提高其整體性，有效限制邊坡的變形[4]。此次研究通過數值模擬的方法對不同錨固長度下的開挖錨固支護時效性研究，以期為開挖支護提出必要的理論支持和支護建議。

2 有限元計算模型

2.1 有限元模型的構建

研究中利用ANSYS 有限元軟件構建典型斷面的二維有限元模型，根據地質調查成果，選取開挖之后最高、最陡的0-98 橫剖面作為典型剖面。考慮到計算范圍會對最終的計算結果產生顯著影響，結合相關研究成果和工程經驗，確定如下計算范圍：按照開挖坡高的2 倍確定上下邊界總高，為160 m，水平方向取120 m[5]。斷面開挖分為高度不等的10個開挖步進行，每個開挖步的高度為8 m左右。鑒于選取的典型斷面在經過概化處理之后仍存在比較明顯的曲線邊界，因此對構建的幾何模型采用二維8 基點單元進行網格剖分，以便適應曲線部位的不規則網格[6]。研究中將模型巖體視為理想彈塑性材料，并采用D-P 本構模型模擬[7]，對開挖加固區域進行網格加密處理，最終獲得2 024 個網格單元，6 143 個計算節點。

2.2 邊界條件與計算參數

有限元模型的邊界位移約束施加于各個計算節點，具體而言，在模型的底部節點施加全位移約束，在模型的左邊界以及右邊界纜機以下部位施加X 向位移約束，其余部位為自由邊界條件。研究斷面部位的山體坡度較大，地表被厚度不等的殘積礫石土覆蓋，上覆植被，邊坡內部存在數條寬度不等的斷層破碎帶，山體的巖性以安山玢巖為主。結合相關資料和試驗結果，研究中采用表1所示的計算材料體物理力學參數。

表1 巖土體物理力學參數

2.3 錨固支護等效處理

錨桿與錨索可以起到良好的加固效果，而上述效果主要通過兩種方式呈現：一是利用錨桿的受拉作用，提升巖土體的變形剛度，實現對巖土體變形的約束，根據相關研究和工程經驗，錨固區域巖體彈性模量一般會增加20%～25%；二是通過提升巖體之間的粘聚力水平提高其抗剪強度。但是，在邊坡開挖支護過程中需要使用大量的錨桿和預應力錨索，在模擬計算過程中不可能做到對每一根錨桿或錨索的支護效果精準模擬[8]。因此，研究中采用連續等效方式對錨桿和錨索的支護效果進行模擬，具體的等效參數結合相關研究成果和試驗參數獲得。

2.4 計算方案

鑒于錨固長度對支護效果存在重要影響，研究中設計了長度分別為9，20 和60 m 等3 種不同的錨固長度，分析錨固時效性的具體影響。在時效性分析方面，設置及時支護和滯后加固兩種支護時間。其中，及時支護為每級開挖后隨即進行支護加固；滯后加固為第三級開挖完成之后進行第一級的開挖支護，以此類推。同時，將開挖無支護方案作為對比方案。

mm表2 不同長度錨固邊坡監測點位移計算結果

3 計算結果與分析

3.1 邊坡位移

利用已構建的有限元計算模型，對不同開挖支護方案下的邊坡位移變形進行模擬計算，在計算結果中提取自下而上每個開挖步的典型監測點部位的最終位移值，結果如表2 所示。由表2 中的結果可知，9 m 錨固邊坡條件下的滯后支護位移減小百分比均值為5.41%，及時支護位移減小百分比均值為8.32%；20 m 錨固邊坡條件下的滯后支護位移減小百分比均值為8.27%，及時支護位移減小百分比均值為10.63%；60 m 錨固邊坡條件下的滯后支護位移減小百分比均值為18.02%，及時支護位移減小百分比均值為23.84%。相對于無支護工況，兩種支護工況下絕大部分監測點位移值均有不同程度的減小，及時支護和增加錨固長度對抑制開挖變形存在明顯作用，對保持邊坡穩定較為有益。

3.2 安全穩定系數

對不同開挖方案、不同開挖步條件下的邊坡穩定性系數進行模擬計算，根據計算結果繪制出如圖1，2 所示的不同錨固長度條件下的邊坡安全性曲線。由圖1，2 可知，在各種錨固長度工況下，及時加固與滯后加固均可以有效提升邊坡的安全穩定系數，這也說明開挖支護的有效性和必要性。及時加固與滯后加固相比，邊坡安全性系數雖有一定程度的增加，特別是在第4、第5 和第6 開挖步中表現比較明顯，但從最終結果而言，增加的幅度不大。因此，出于施工便捷性的考慮，在施工中可以采用滯后加固的施工方法。

圖1 及時加固邊坡安全系數曲線

圖2 滯后加固邊坡安全系數曲線

從不同的錨固長度對比來看，開挖邊坡的安全系數會隨著錨固長度的增加而得到不同程度地增長，這說明錨桿和預應力錨索可以起到有效地限制邊坡位移，強化邊坡抗剪能力的作用，對提升邊坡的整體穩定性較為有利。此外，邊坡安全系數在開挖開始階段存在上升的趨勢，原因是模型開挖過程中考慮了開挖卸荷效果，邊坡開始開挖之后，上部的巖土體被開挖掉，造成邊坡整體自重卸荷的明顯降低，因此完全穩定系數反而有所上升。

4 結論

此次研究以遼寧省轎頂子電站溢洪道左岸高邊坡開挖工程為背景，利用數值模擬的方法對邊坡開挖錨固的長度和時效性進行研究分析，獲得的主要結論如下：

1）相對于無支護工況，及時和滯后支護工況下絕大部分監測點位移值均有不同程度的減小，說明邊坡支護對控制邊坡變形具有重要作用；各計算方案相比而言，錨固長度越長，邊坡位移的減小幅度越大；及時支護對控制邊坡變形更為有利。

2）在各種錨固長度工況下，及時加固與滯后加固均可以有效提升邊坡的安全穩定系數，同樣說明開挖支護的有效性和必要性。

3）及時加固與滯后加固相比，邊坡安全性系數雖有一定程度的增加，但最終增加的幅度不大。因此，出于施工便捷性的考慮，在施工中可以采用滯后加固的施工方法。

4）開挖邊坡的安全系數會隨著錨固長度的增加而得到不同程度的增長，建議在條件允許的情況下盡量增加邊坡錨固長度。