伯斯阿木水庫進口段邊坡預應力錨索優化設計

魯克恩

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院,新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

巖質邊坡廣泛存在于水利工程的建設中,其安全穩定性對工程的施工與運行有著較大的影響[1]。對于存在安全隱患的巖質邊坡,需施加相應的支護措施,而合理的支護參數不僅可以起到增穩作用,還能降低工程造價[2-3]。基于此,國內外許多學者對此展開了研究。楊洪福[4]利用Midas計算了邊坡坡度和錨桿長度與安全系數之間的關系；張良發[5]結合工程實例研究了錨桿長度、間距和直徑對邊坡穩定性的影響,選取了支護最優參數；楊弘等提出將設計與施工結合對錨桿、土釘的設計力學參數進行優化以達到節約成本的目的。本文以伯斯阿木水庫進口段開挖邊坡為工程背景,計算不同的錨索傾角、粘結直徑以及施加不同的預應力條件下的邊坡安全系數,從而根據計算結果選取最優支護參數。

2 工程概況

伯斯阿木水庫工程位于新疆維吾爾自治區和碩縣境內的清水河上,是清水河上唯一的控制性水利樞紐工程,工程的建設任務為灌溉、防洪,該水庫總庫容為2488.1 萬m3,灌溉面積為11.45 萬畝,防洪保護對象為清水河下游的引水樞紐、干渠、和碩縣城、清水河綜合園區等。根據規范確定清水河伯斯阿木水庫工程等別為Ⅲ等,工程規模為中型。根據新疆防御自然災害研究所2017 年6 月《新疆和碩縣清水河伯斯阿木水庫工程場地地震安全性評價報告》,設計烈度為Ⅷ度。

3 工程地質條件及開挖設計

3.1 進口段邊坡地質條件

進口邊坡走向約300°～315°,閘井后邊坡高陡,自然坡度65°左右,基巖裸露,巖性為大理巖,屬中硬巖,基巖強風化層厚2 m～3 m,弱風化層厚10 m～12 m,巖層產狀305°～310°NE∠70°。總體來看,進口邊坡高陡,巖體較完整,邊坡整體穩定。但進口邊坡為順向坡,層理與進口邊坡近平行,對邊坡開挖不利,開挖坡度值不宜陡于巖層傾角。

3.2 進口段邊坡開挖設計

高程1433m以下巖體設計開挖邊坡為1∶0,每10 m設一馬道,馬道寬2 m,高程1433 m～1463 m之間巖體設計開挖邊坡為1∶0.3,高程1463 m以上巖體設計開挖邊坡為1∶0.5,每10 m設一馬道,馬道寬2 m。為提高邊坡穩定性,在兩級馬道之間布置預應力錨索加固,其斷面見圖1。

圖1 進口段巖質邊坡斷面圖

4 邊坡錨索設計參數優化

4.1 計算模型及計算方法

本文利用摩根斯坦-普瑞斯法計算進水段開挖巖質邊坡的安全穩定性,建立邊坡模型見圖2,模型底寬240 m,高度190 m。計算參數結合地質勘探報告和現場監測資料,如表1所示,主要分為弱風化線以上和以下兩部分巖體。

圖2 計算模型圖

表1 邊坡巖體力學參數

4.2 預應力錨索加固前后效果分析

該開挖邊坡施加錨索前后的滑動面及安全系數見圖3（a～b）,施加錨索傾角15°,預應力400 kN,直徑0.3 m。由圖可知,未施加錨索支護時,邊坡的安全系數為1.779,最危險滑動面從開挖面頂部至底部附近；施加錨索支護后,滑動面變化不大,但邊坡安全系數為2.583,提升約45%,說明錨索支護起到了很好的增穩效果。

圖3 滑動面及安全系數

4.3 計算方案

由上述計算結果可知,施加錨索支護可以有效提高邊坡的穩定性,但不同的錨索參數帶來的加固效果是不同的,同時在設計過程中也需要考慮工程的經濟效益和施工難度。基于此,本文主要研究錨索傾角、粘結直徑以及施加預應力值對穩定性的影響,根據計算結果選擇最優支護方案。本文計算方案見表2,各因素取6個水平組進行計算,研究某一因素影響時控制其它因素不變。

表2 計算方案

4.4 錨索參數敏感性分析

4.4.1 錨索傾角的影響性分析

圖4為該巖質邊坡安全系數值隨錨索傾角的變化趨勢圖。由圖可知,邊坡安全系數隨錨索傾角的增大先增大再減小,在傾角在15°～25°區間時邊坡的安全系數較大,傾角在15°時取得安全系數最大值2.583。這說明對于伯斯阿木水庫進口段巖質邊坡來說,當錨索傾角為15°時,可以達到最佳的錨固效果。因此在巖質邊坡錨索加固設計中,可以通過合理設計錨索傾角以提供更大的抗滑力,從而提升加固效果。

圖4 邊坡安全系數值隨錨索傾角變化趨勢圖

4.4.2 錨索粘結直徑的影響性分析

圖5為該巖質邊坡安全系數值隨錨索直徑的變化趨勢圖。由圖可知,邊坡安全系數隨錨索粘結直徑的增大先增大再趨于恒定,在直徑為0.3 m時得到安全系數最大值2.583,當直徑大于0.3 m時,錨索直徑的增加不再能夠提升邊坡的穩定性。同時對比圖4 可以看出,相比于錨索傾角,錨索直徑的變化對于安全系數的影響不明顯。因此在工程設計中,大幅度增加錨索的直徑并不能起到很好的加固效果,應優先考慮調整錨索傾角。

圖5 邊坡安全系數值隨錨索直徑變化趨勢圖

4.4.3 錨索預應力的影響性分析

圖6為該巖質邊坡安全系數值隨錨索施加預應力值的變化趨勢圖。由圖可知,邊坡安全系數隨錨索施加預應力的增大而增大,且在預應力較小時,此時提高預應力施加值能顯著提高邊坡安全系數,但隨著預應力的持續增加,邊坡安全系數的增長速度會變得緩慢。以本工程加固效果為例,當預應力從200 kN增加至300 kN時,安全系數提升12.4%；而當預應力從600 kN增加至700 kN時,安全系數只能提升4.7%。由于施加的預應力值增大不僅會增加施工難度,還會提高工程成本,因此在實際工程中需要合理設計錨索的預應力值。

圖6 邊坡安全系數值隨錨索預應力變化趨勢圖

4.5 邊坡安全穩定校核

根據上述對錨索傾角、粘結直徑以及預應力進行的相關敏感性分析結果,綜合考慮邊坡的加固效果、工程成本以及施工難度,本邊坡工程錨索參數設計如下：傾角15°,粘結直徑0.3 m,施加預應力300 kN。

按照優化后的錨索設計參數進行加固后,分別計算自然工況和地震工況下的邊坡安全系數,計算結果見表3。由表可知,施加錨索加固后,天然工況下邊坡安全系數為2.474,地震工況下安全系數為1.648。根據《水利水電工程邊坡設計規范》（SL 386-2007）中的規定,進水口邊坡級別為3級,自然工況和地震工況下邊坡的安全系數計算結果均大于規范規定的安全控制標準。因此,在該錨索加固方案下,伯斯阿木進口段邊坡是安全穩定的。

表3 各工況安全系數計算結果表

5 結論

本文以伯斯阿木水庫進口段開挖邊坡為工程背景,對錨索設計參數進行了優化計算,主要得出以下結論：

（1）邊坡安全系數隨錨索傾角的增大先增大再減小,工程設計中存在最佳錨固傾角。

（2）邊坡安全系數隨錨索粘結直徑先增大再趨于恒定,且其對于錨索的加固效果影響不大。

（3）邊坡的安全系數隨錨索施加的預應力值增大而增大,但隨著持續增加,其增穩效果越來越差。

（4）綜合考慮邊坡的穩定性和經濟性,本工程可采用傾角15°,粘結直徑0.3 m,施加預應力300 kN的錨索設計方案。采用該加固方案后,邊坡的穩定性較好,安全系數能夠滿足規范的安全控制標準。