水庫庫岸硬巖邊坡錨固支護參數優化研究

吳修練

(巴州天寶水利工程設計有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

1 工程簡介

某水庫工程始建于2009年，2014年正式建成并投入使用。水庫壩址以上流域面積近18000km2，占大凌河流域面積的近76%[1]。水庫按照100a一遇洪水標準設計，千年一遇洪水標準校核，正常蓄水位為126m，總庫容為16.45億m3，建成后不僅可以大幅提升下游地區的防洪標準，每年還可以為下游地區城市提供生產生活用水2億m3[2]。

本次研究的庫岸邊坡位于大壩上游右岸的1000-1500m范圍內。實地調查資料顯示，岸坡的巖體為花崗巖結構，但是內部存在較大規模的斷裂構造發育，并主要表現為散體結構、碎裂結構、塊狀結構以及次塊狀結構。其中，岸坡內部的 4組較大的結構面可能會誘發蠕動變形，不利于岸坡的結構的整體穩定。通過對該段岸坡整體和局部形態的DDA模擬分析，該段岸坡在庫水消落作用下，局部可能伴隨出現張裂、剪切、崩塌、擠出等變形，并可能會產生自上而下的傾倒蠕變變形。在水庫運行過程中，傾倒破壞是岸坡失穩的常見情況。這種變形一般不具有明顯的滑面，往往不會出現急速滑動變形，但是不采取有效加固措施，最終會誘發拉裂、崩塌等破壞或深層滑坡[3]。一旦發生傾倒破壞，將會對岸坡上部的公路、建筑以及相關古跡的安全造成嚴重威脅，同時也不利于水庫的安全運行。因此，需要對該段岸坡進行必要的加固處理。結合岸坡加固的實際要求以及相關的工程經驗，擬采用預應力錨桿進行加固處理[4]。鑒于錨桿的長度和傾角等支護參數是加固效果和工程成本的重要影響因素。因此，本次研究通過數值模擬的方法，對上述錨固參數進行優化設計，以期為加固工程施工提供有益建議。

2 有限元計算模型

2.1 模型的構建

ANSYS是美國ANSYS推出的大型商用有限元軟件，在解決巖土體力學和位移分析問題方面具有諸多優勢，因此研究中選擇ANSYS 建立有限元邊坡模型的構建[5]。模型構建過程中按照坡比1:1選擇計算范圍，邊坡的高度為40m，長度為40m。利用Mohr-Coulumb模型對巖土體的彈塑性變形特征進行模擬；利用線彈性本構模型進行錨桿的模擬[6]。采用六面體8節點等參單元進行模型的網格剖分，網格平均尺寸為2m，岸坡部位巖體選取平均邊長為0.8m的網格單元進行網格加密，最終生成8367個網格單元，4560個計算節點。模型的網格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件與計算參數

在ANSYS有限元軟件中，提供了涵蓋壓力、溫度、速度、位移等不同形式的模型邊界條件，可以充分滿足不同用戶的研究需要[7]。結合本次研究的目的以及研究對象的實際特點，選擇位移和應力邊界條件。具體而言，在模型的左右兩側施加水平位移約束，對模型的底部施加全位移約束，模型的上部邊界設定為自由邊界條件。模型的計算參數會對模擬計算結果造成顯著影響，研究中結合相關工程經驗值以及采樣試驗結果相結合的方式獲得邊坡巖體的物理力學參數，具體結果如表1所示。

表1 模型材料的物理力學參數

2.3 計算方法

邊坡加固后的安全性和加固工程本身的經濟性是錨固參數優化的兩個主要依據。因此，研究中采用有限元強度折減法對不同錨固參數下的邊坡安全穩定系數進行計算。研究中將力的收斂標準設定為0.005，將邊坡衛浴的收斂容差設定為0.05，并將其作為模擬計算過程中收斂的判別依據。在模擬計算過程中，如果出現結果不收斂的情況，則認定邊坡已經處于失穩破壞的臨界狀態，而對應的強度折減系數作為邊坡穩定的安全儲備系數。出于模型計算過程中兼顧精度和效率的要求，模擬計算過程中初始應力僅考慮自重應力，暫不考慮構造應力；不考慮地下水的影響；遵循二維平面應變。鑒于邊坡錨固過程中需要使用大量的錨桿，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的精準模擬[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。

3 計算結果與分析

3.1 錨固長度的影響

利用錨桿對邊坡巖體進行錨固后，其彈性模量、抗壓輕度等物理力學參數均會有所提高，而錨固長度的增加，上述參數的強化范圍也會相應增大。因此，研究中結合研究邊坡的實際情況，確定錨固長度的范圍為6-24m，每3m為一個計算工況，共設計6m、9m、12m、15m、18m、21m和24m等7種不同的錨桿支護長度進行模擬計算和對比分析。

利用上節構建的有限元模型和相應的計算方法，對不同錨桿長度條件下的邊坡安全穩定系數進行模擬計算，根據計算結果繪制出如圖2所示的邊坡安全系數隨錨桿長度的變化曲線。由圖可知，邊坡的安全響度儲備系數會受到錨桿長度的顯著影響，隨著錨桿長度的增加，邊坡穩定性呈現出先增加后減小的變化特征，在減小到一定數值后逐漸趨于穩定，并保持不變。由此可見，錨桿長度為15m時，可以獲得最佳的加固效果。

圖2 邊坡安全系數隨錨桿長度的變化曲線

3.2 錨桿傾角的影響

在庫岸邊坡變形方面，最大主應力是最主要的影響因素，而不同的錨固傾角也會產生不同的最大變形方向上的剛度。因此，研究其余錨固參數不變情況下不同錨固傾角對邊坡穩定性的具體影響，對錨固措施的優化設計具有重要意義。因此，研究中結合邊坡對象的具體特點，設定與水平線夾角分別為10°、15°和20°等3種不同的錨桿支護傾角，對邊坡安全系數進行模擬計算，以分析其變化特征。

利用上節構建的有限元模型和相關的計算方法，對不同錨桿傾角下的邊坡安全強度系數進行計算，結果如圖3所示。由圖可知，在不同傾角下邊坡的安全系數變化規律均呈現出隨著錨桿的長度現增加后減小并逐漸趨于穩定的變化規律，這也從側面印證了上節計算結果的可靠性。此外，對15m的錨固長度而言，錨固傾角為15°時可以獲得最佳錨固效果。因此，建議在施工過程中采用15°的錨固傾角。

圖3 不同支護傾角下的安全強度系數變化曲線

3.3 錨桿間距的影響

根據相關研究成果，錨固間距影響巖土體的物理力學參數。例如，單位界面的錨桿數量越多，巖土體在錨固后的黏聚力就越大。因此，錨桿間距也是邊坡穩定性的重要影響因素。因此，文章研究中設定錨固長度15m、錨固傾角為15°不變，設定0.9m、1.2m、1.5m、1.8m、2.1m和2.4m等6種不同支護間距進行邊坡的安全系數進行計算，結果如表2所示。由表中的結果可知，在其他參數不變的情況下，邊坡的安全穩定系數隨著錨固間距的減小而增加，但是當錨固間距<1.5m時，增加的幅度極為有限。因此，出于工程經濟性的考慮，鑒于采用1.5m的錨固間距。

表2 不同錨桿間距安全系數計算結果

4 結 論

本次研究以某水庫上游岸坡為例，利用數值模擬的方法對邊坡的錨固參數進行優化研究，獲得的主要結論如下：

1)邊坡的安全響度儲備系數會受到錨桿長度的顯著影響，隨著錨桿長度的增加，邊坡穩定性呈現出先增加后減小的變化特征，在減小到一定數值后逐漸趨于穩定，并保持不變。

2)不同傾角下邊坡的安全系數變化規律均呈現出隨著錨桿的長度現增加后減小并逐漸趨于穩定的變化規律。

3)邊坡的安全穩定系數隨著錨固間距的減小而增加，但是當錨固間距<1.5m時，增加的幅度極為有限。

4)綜合研究成果，建議在施工中采用長15m、傾角15°、間距1.5m的錨桿。