某水庫大壩岸坡錨桿加固穩定性分析

李保民

(費縣應急保障服務中心，山東 臨沂 273400)

1 概述

在水利邊坡工程施工中，極易發生側滑失穩破壞。為防止此類災害的發生以及滿足現代工程建設安全的需要，邊坡穩定分析和加固方法研究已成為工程建設中不可回避的課題[1]。邊坡加固是改善滑坡體力學條件的施工手段，以增加滑坡阻滑力或阻滑因素，減小滑坡下滑力或消除下滑因素[2]，保障邊坡建設安全。錨桿加固在庫岸邊坡加固應用中十分廣泛，將數值模擬應用于邊坡穩定性分析已經成為當前最常用的研究手段[3]。孔維風等[4]基于FLAC3D強度折減法進行錨固邊坡穩定性分析，采用雙彈簧單元模擬錨桿加固邊坡;朱江林等[5]建立庫區邊坡二維飽和-非飽和滲流模型，模擬錨桿(索)和樁加固后不同工況下岸坡滲流場演變規律，分析岸坡加固后浸潤線及孔隙水壓力變化規律；陳大雷等[6]采用有限元軟件Adina計算了某堰塞湖在蓄水過程中岸坡巖體內的剪應力分布、穩定安全系數和極限破壞模式;唐湖北等[7]基于極限平衡法驗算錨固邊坡的安全系數，考慮了錨桿錨固角、錨桿長度、錨固位置、錨桿布設形式等影響因素，利用GEO-SLOPE商業軟件計算了邊坡的安全系數;林杭等[8]通過FLAC3D建立數值計算模型，利用雙彈簧cable單元建立錨桿系統，計算邊坡安全系數以及錨桿的力學響應；傅永求[9]基于對數螺旋破壞機構，采用極限分析上限定理和擬動力試驗方法分析邊坡所需錨桿加固力；付艷青等[10]針對臨近邊坡建筑，基于邊坡穩定性分析，對臨海邊坡提出了微型群樁加固處理措施。

文章以上冶水庫壩體邊坡為例，先采用室內相似模型試驗分析了錨桿傾角、錨桿和土體黏結強度對邊坡沉降位移的影響，之后采用ABAQUS軟件并結合強度折減法，分析了錨固加固前后和錨桿數量對邊坡穩定性的影響，研究成果可為相關工程提供參考。

2 工程概況

上冶水庫系淮河流域沂河水系浚河支流上的一座中型水庫，壩址區基本地震烈度為7°。水庫始建于1959年9月，1960年11月建成蓄水，是一座集防洪、灌溉、水產養殖、發電、人畜飲水等綜合利用的中型水庫，水庫按照百年一遇設計洪水、千年一遇校核洪水標準設計建設，主要樞紐工程由大壩、溢洪道、閘、放水洞等組成，放水洞為鋼筋砼矩形箱涵1.2m×1.5m，溢洪道新建3孔泄洪閘，寬24.0m。目前鋪設了防汛道路，新建大壩照明，大壩沉陷、位移觀測設施，水庫水位自動觀測設施，雨情自動測報系統，放水洞閘門電動啟閉機和視頻監控系統，有效地提高了管理單位的現代化管理水平。

3 室內模型試驗

本次室內試驗邊坡模型根據上冶水庫實際尺寸進行相似模擬，邊坡高50cm，寬為10cm，采用降雨技術填充試驗材料，允許土顆粒通過水平篩從1m的高度自由下落。在層與層之間使用黃色染料，以通過有機玻璃板顯示斜坡的位移，并保持6%的含水量，以便于斜坡的形成。此外還將45cm×45cm×1.5cm的鐵板放置在壩頂中部，以確保坡面上具有均勻堆載。邊坡模型建立好后，將直徑為30mm的錨桿安裝在邊坡的中間高度，然后將錨桿像螺釘一樣插入墻中，直至所需深度(0.8H)。再在灌漿機的輔助下，用水泥漿填充錨桿孔進行灌漿。最后將邊坡靜置7d，從而保證錨桿和土顆粒之間的黏結強度。

室內試驗測試土體主要組成部分為黏土礦物，包括蒙脫石、伊利石等，碎屑礦物主要有石英與長石，其次含有少量方解石。通過對土樣進行物理力學性質測定，測得其密度為1.9g/m3，干密度為1.47g/m3，含水率為20%，塑限含水率為25%，液限含水率為50%，塑性指數與液性指數分別為0.26、0.28。黏土力學參數為室內試驗所得平均值。

本次邊坡模型在兩種工況下進行測試，即錨桿和土顆粒之間存在和不存在泥漿的情況，錨桿傾角設置為與水平面成0°、10°、15°三個角度，通過液壓千斤頂和試驗環裝置，將荷載施加到斜坡頂部的鐵板上，并在板的4個角上的4個千分表中記錄每個荷載增量下(間隔0.25kN)，邊坡對應的沉降。

圖1為錨桿與顆粒之間無黏結和有黏結狀態下錨桿傾角為10°時邊坡的荷載沉降曲線。由圖1可知，隨著荷載的增加，兩種工況下，邊坡的位移均出現了明顯增大，其中當荷載大于1kN時，有黏結情況下的邊坡位移下降速度明顯低于無黏結情況，當荷載為3kN時，二者相差在20mm以上。說明在安裝錨桿時，進行灌漿能夠起到明顯的加固護坡作用。

圖1 傾角為10°時的邊坡荷載沉降曲線

圖2為不同錨桿傾角下邊坡的荷載沉降曲線。由圖2可知，隨著荷載的增加，3種錨桿傾角下，邊坡的位移均出現了明顯增大，但傾角越大，邊坡的位移下降越小。當荷載加到4.5kN時，傾角為15°時的錨桿邊坡位移為37mm，傾角為10°時的錨桿邊坡位移為42mm，而傾角為0°時的錨桿邊坡位移達到了48mm。

圖2 不同錨桿傾角下邊坡的荷載沉降曲線

4 數值模擬分析

4.1 數值與試驗結果驗證

文章數值模型采用ABAQUS有限元軟件進行分析，建模的尺寸與室內試驗保持一致，采用二維有限元方法，根據現場錨桿和室內土顆粒的各種特性，錨桿采用彈性模型，使用梁單元用于建模。邊界設置為左右兩端采用水平約束，頂部自由表面，土體采用彈塑性模型。網格劃分采用10節點四面體單元，土本構模型采用莫爾-庫侖模型硬化模型。圖3為邊坡數值模型，表1為本次數值計算參數。

表1 模型計算力學參數

圖3 邊坡數值模型

圖4給出了數值模型與室內試驗監測點位移結果對比。由圖4可知，數值模型同室內試驗結果變化規律相似，隨著邊坡頂部荷載的增加，坡體位移均出現了明顯下降，此外錨桿傾角越大，邊坡的位移下降越小。但有限元模型的位移值比實驗值小10%～30%，這可能是由于在坡頂放置了額外的鐵板重量，以確保液壓千斤頂向坡頂均勻分布荷載造成的，但總體上趨勢一致，證明此次建立的數值模型可用于下一步分析。

圖4 數值模型與室內試驗監測點位移結果對比

4.2 邊坡穩定性分析

為探究邊坡加固前與加固后的變形范圍和穩定性，文章采用強度折減法。

圖5給出了錨桿傾角為15°的加固前后邊坡位移云圖。由圖5可知，加固前邊坡的變形范圍明顯大于加固后的邊坡，其中前者變形延伸至邊坡平臺，而后者的滑動面在坡腳處，滑坡體積小于前者。此外，根據強度折減法分析的結果，加固前邊坡安全系數為1.21，加固后強度增至1.56，提高了0.35。出現這一增強現象，是由于當坡體發生相對變形的位移趨勢時，錨固體周邊會產生應力集中抵抗這種坡體變形趨勢。而由于坡體與錨固體在壓力注漿情況下實現了“一體化”，故最終使坡體與錨固體共同抵抗坡體的變形趨勢，錨固體的存在極大地緩解了坡體的不穩定性，即提高了坡體的穩定度。

圖5 錨桿傾角為15°加固前后邊坡位移云圖

4.3 錨桿數量對邊坡穩定性影響

圖6給出了不同數量錨桿加固后邊坡安全系數變化情況。由圖6可知，隨著錨桿數量的增加，邊坡的安全系數呈現出明顯增加的趨勢，但二者屬于非線性增長關系。當錨桿數量小于7根時，邊坡安全系數與錨桿數量之間幾乎成線性增長關系，其中當錨桿傾角為0°時，錨桿數量由1增至7根時，安全系數由1.35增至1.63；當錨桿傾角為10°時，安全系數由1.45增至1.76；當錨桿傾角為15°時，安全系數由1.51增至1.85。然而，當錨桿數量由7增至9根時，對于0°和10°錨桿加固邊坡而言，安全系數并未發生明顯變化。因此可以得出，錨桿的數量并非越多越好，在實際施工過程中，應存在最優數量值，這一值能夠使得邊坡安全系數最大且經濟效益最高。

圖6 不同數量錨桿加固后邊坡安全系數變化

5 結語

錨桿是巖土體加固的桿件體系結構，通過錨桿桿體的縱向拉力作用，能夠克服巖土體抗拉能力遠遠低于抗壓能力的缺點。文章采用室內試驗和數值模擬對上冶水庫壩體邊坡的變形和穩定性進行分析得出，在錨桿與土體界面采用灌漿處理能夠提高邊坡抗變形能力。此外，增加錨桿與水平面的傾角，能夠降低邊坡的側向位移，但錨桿數量與安全系數之間呈先增長后不變的趨勢。因此在實際工程中可以增加錨桿傾角和錨桿與巖土之間的黏結強度來提高邊坡穩定性，但應適當控制錨桿的數量，使得邊坡安全系數最大且經濟效益最高。