萬里水庫庫岸荷載邊坡塌方與微型樁支護(hù)措施研究

張乾坤

（1.澤州縣水務(wù)局,山西 澤州 048000； 2.澤州縣水利發(fā)展中心,山西 澤州 048000）

0 前言

目前邊坡支護(hù)施工經(jīng)驗(yàn)較為豐富,支護(hù)效果滿足要求,為了進(jìn)一步研究邊坡支護(hù)的效果,學(xué)者們進(jìn)行了深入研究,張振海[1]通過經(jīng)濟(jì)、美觀、邊坡穩(wěn)定性對邊坡的支護(hù)方案進(jìn)行了研究,此研究方法可為現(xiàn)階段邊坡支護(hù)方案進(jìn)行補(bǔ)充和參考。劉瓊等[2]分析有關(guān)區(qū)間屬性值與區(qū)間數(shù)權(quán)向量的關(guān)聯(lián)度,以此對邊坡的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)選,對支護(hù)方案效果進(jìn)行了評價。董建華等[3]對凍土區(qū)邊坡土釘支護(hù)的效果進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明耦合計(jì)算土釘?shù)氖芰κ呛侠淼?此研究方法可為土釘支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。桑偉寧等[4]對原千枚巖地區(qū)高邊坡開挖中設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力錨索+抗滑樁進(jìn)行支護(hù),此方案達(dá)到了良好的支護(hù)效果。張東[5]對某高速邊坡的水平位移、豎向位移和安全系數(shù)進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明在暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性會逐漸降低,滑動面會慢慢生成,可考慮采用柔性材料進(jìn)行邊坡支護(hù)。

然而以上的研究主要是考慮常規(guī)邊坡的穩(wěn)定性,而對于有外加荷載的邊坡沒有考慮到,因此本文結(jié)合一外荷載邊坡,且此邊坡坡腳處已發(fā)生了微小位移（裂縫）,采用微型樁+錨桿進(jìn)行支護(hù),利用MIDAS GTS數(shù)值模擬軟件對外荷載邊坡的沉降和位移、穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 工程概況

萬里水庫位于山西省澤州縣下村鎮(zhèn)萬里村西北的長河支流上,屬于黃河流域,壩址以上控制流域面積7.23 km2,大壩為均質(zhì)土壩,最大壩高15.2 m,總庫容51萬m3,是一座以防洪、灌溉為主的小（2）型水庫。流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重,土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主,平均侵蝕模數(shù)為3900 t/（km2·a）。庫岸坡頂處建有一座管理房屋,因水土流失導(dǎo)致房屋略有傾斜,經(jīng)觀察在坡腳發(fā)現(xiàn)裂縫,邊坡有塌方跡象。

2 工程地質(zhì)

該邊坡位于山西省萬里水庫,見圖1,邊坡高68 m,長138 m。此邊坡坡頂處建有一座房屋,房屋略有傾斜,經(jīng)觀察在坡腳A點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)裂縫。結(jié)合現(xiàn)場勘察情況可知,邊坡從上至下依次由風(fēng)化土、風(fēng)化巖和硬巖組成。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 坡體支護(hù)措施圖（尺寸單位：m）

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

因?yàn)槠履_A處已出現(xiàn)明顯裂縫,須緊急對邊坡進(jìn)行防護(hù),即對A點(diǎn)處進(jìn)行灌漿處理,坡體支護(hù)措施選擇微型樁,樁截面面積為0.0314 m2,彈性模量800 MPa,泊松比為0.32,經(jīng)試算,數(shù)值模擬中微型樁接觸面法向剛度和切向剛度均為1×104MPa,樁長為16 m；微型樁進(jìn)行支護(hù)后隨即進(jìn)行錨桿的支護(hù),錨桿共計(jì)布置7根,縱向間距為3 m,錨桿長度為8 m,錨桿與水平面夾角為13°；待錨桿布置完成以后于坡面噴砼,砼為C10,厚度為0.15 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的參數(shù)

利用MIDAS數(shù)值模擬軟件對此邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬研究,研究的重點(diǎn)是在暴雨工況下邊坡的支護(hù)措施是否有效,裂縫是否得到了有效的控制。因?yàn)楸疚牡难芯恐攸c(diǎn)在于微型樁組合結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果,所以暫不考慮土拱效應(yīng)[6-9]。

房屋的重量約為5噸,數(shù)值模擬中將房屋等效為均布荷載,經(jīng)過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可知,數(shù)值模擬中將房屋等效為2×104kN/m,錨桿的彈性模型為2.19×108kN/m2,泊松比為0.21,容重為76.1 kN/m3。數(shù)值模擬中為保證力傳遞的有效性,將風(fēng)化土、風(fēng)化巖和硬巖的尺寸劃分統(tǒng)一為1 m,錨桿以每2 m進(jìn)行尺寸劃分、微型樁以每1.5 m進(jìn)行尺寸劃分。

因?yàn)檫吰滤趨^(qū)域地震加速度為0.05g,所以暫不考慮地震的影響,于是最不利的工況應(yīng)當(dāng)是暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性問題了。數(shù)值模擬中暴雨工況取近15 年最大單日暴雨值,數(shù)值模擬中共計(jì)363326 個單元,427398 結(jié)點(diǎn),數(shù)值模擬計(jì)算至邊坡穩(wěn)定時停止。

3.2 位移分析

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)束后,邊坡的整體位移和沉降位移X方向的位移見圖2～圖4。

圖2 邊坡的整體位移（單位：m）

圖4 邊坡的X方向位移（單位：m）

由圖2可知,邊坡95.9%的整體位移幾乎為0,僅0.5%的風(fēng)化土位移接近3.8 mm,剩余風(fēng)化巖位移不超過2 mm,滿足邊坡穩(wěn)定性的要求,說明微型樁+錨桿的支護(hù)形式是達(dá)到了保持邊坡穩(wěn)定的目的。

由圖3可知,邊坡93.3%的整體沉降也幾乎為0,最大風(fēng)化巖沉降為1.8 mm,此部分風(fēng)化巖僅占邊坡的0.8%,剩余風(fēng)化巖沉降遠(yuǎn)小于2 mm,說明沉降也控制在合理的范圍內(nèi)。

圖3 邊坡的沉降位移（單位：m）

由圖4可知,邊坡88.4%的X方向位移也幾乎為0,最大風(fēng)化巖X方向位移為2.9 mm,此部分風(fēng)化巖僅占邊坡的0.1%,剩余風(fēng)化巖X方向位移遠(yuǎn)小于2.6 mm,說明X方向位移也控制在合理的范圍內(nèi)。

由圖2～圖4可知,邊坡的整體位移、沉降位移和X方向位移均控制在工程允許的范圍內(nèi),且邊坡的位移主要集中于坡面,說明坡面是防護(hù)的重點(diǎn),應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)坡面的防護(hù)。

3.3 穩(wěn)定性分析

利用拆減系數(shù)法,對暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,見圖5和圖6。

圖5 暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性

圖6 暴雨工況下邊坡的虛似滑面

因?yàn)檫吰滤巺^(qū)域近15 年沒發(fā)生過3.0 以上的地震,因此暫不考慮地震對邊坡的影響,而重點(diǎn)考慮暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性。如圖5 所示,邊坡的穩(wěn)定性為1.72,按照邊坡支護(hù)的規(guī)定,支護(hù)后的邊坡穩(wěn)定性須控制在1.3～1.6,此穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到要求的同時,甚至略微超過安全性系數(shù),滿足工程穩(wěn)定性的要求。另一方面此坡體應(yīng)力集中區(qū)依然位于坡面,但滑動面并沒有貫通,此結(jié)果與位移結(jié)果相對應(yīng)。

利用MIDAS GTS進(jìn)一步搜索最危險(xiǎn)的滑動面,見圖6,邊坡的應(yīng)力集中區(qū)位于錨桿支護(hù)區(qū),說明錨桿的布置位置是準(zhǔn)確的,且經(jīng)過驗(yàn)算錨桿的長度也是符合要求的。說明微型樁+錨桿的組合結(jié)構(gòu)支護(hù)形式是達(dá)到治理邊坡穩(wěn)定性的目的了。

3.4 邊坡防護(hù)

水庫防護(hù)林綠化工程可減緩風(fēng)浪對岸邊的沖刷,起到保護(hù)堤岸的作用。因此在萬里水庫庫區(qū)周邊,根據(jù)“適地適樹”原則,圍繞庫區(qū)邊緣植物綠化帶,林帶總長2.0 km。靠近河岸綠化樹種選擇須根多、耐水能力強(qiáng)的柳樹,栽植3 行,株行距為3 m×3 m,整地規(guī)格0.6 m×0.6 m×0.6 m。共栽植柳樹2000 株,需苗2040 株。防止水庫周邊庫岸塌方,充分利用空間效果體現(xiàn)水庫防護(hù)林綠化的特色,達(dá)到綠化美化效果。

4 結(jié)論

結(jié)合外加荷載條件下坡腳位移增大的情況,本文的加固措施為微型樁+錨桿,通過MIDAS GTS數(shù)值模擬對此進(jìn)行研究,研究結(jié)論如下：

（1）支護(hù)后邊坡的整體位移、沉降位移和X方向位移均控制在合理范圍內(nèi),不會產(chǎn)生裂縫或裂縫擴(kuò)展的情況,滿足工程位移的要求。

（2）外加荷載邊坡在暴雨工況下,安全性系數(shù)為1.72,滿足工程穩(wěn)定性要求,達(dá)到了支護(hù)邊坡的目的。