清水縣隴東農(nóng)村供水旺興水源保障工程取水樞紐溜砂坡支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

黃建軍

(清水縣城鄉(xiāng)供水工程管理站，甘肅 清水 741400)

1 概 述

受寒凍風(fēng)化與地震作用，溜砂坡廣泛分布于西部地區(qū)，由于其穩(wěn)定性較差，常常對(duì)工程運(yùn)行造成危害。目前，許多學(xué)者對(duì)溜砂坡開(kāi)展了研究。馬利偉等[1]從溜砂滾石的運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，分析了溜砂碰撞與不碰撞兩種形式。研究結(jié)果表明，擋墻高度越高，溜砂水平運(yùn)動(dòng)越遠(yuǎn)，坡面越長(zhǎng)，溜砂水平運(yùn)動(dòng)增量會(huì)減小。卜祥航等[2]設(shè)置5組級(jí)配溜砂，研究了溜砂坡抗剪強(qiáng)度與其余因素的關(guān)聯(lián)，最后通過(guò)回歸分析，得出溜砂坡抗剪強(qiáng)度與顆粒渾圓度、曲率系數(shù)、不均勻系數(shù)成正比，與細(xì)顆粒含量成反比。張軍等[3]采用PFC2D軟件，模擬溜砂坡累進(jìn)破壞與失穩(wěn)的過(guò)程，針對(duì)其位移變化及破壞特征，提出了“鋼花管注漿 + 框架型防護(hù)網(wǎng)”的支護(hù)方案。葉唐進(jìn)等[4]將3%與13%設(shè)為溜砂坡顆粒散狀、團(tuán)狀和流體狀的界限，并分別采用PFC、FLAC和Geo-Studio軟件，模擬不同狀態(tài)下的溜砂坡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，研究結(jié)果表明溜砂坡安全系數(shù)隨含水率增大而減小。以上研究主要針對(duì)溜砂坡的形成機(jī)制以及失穩(wěn)破壞方式進(jìn)行的，還有學(xué)者提出了溜砂坡治理方案，但都沒(méi)有分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

本文以清水縣隴東農(nóng)村供水旺興水源保障工程取水樞紐岸邊溜砂坡為實(shí)例，提出“鋼管樁+土釘”的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用Flac3d軟件，從溜砂坡位移與結(jié)構(gòu)受力的角度，分析該支護(hù)方案的有效性與穩(wěn)定性。

2 工程概況

清水縣隴東農(nóng)村供水旺興水源保障工程受益范圍為隴東鎮(zhèn)和山門(mén)鎮(zhèn)2鎮(zhèn)、8個(gè)行政村、18個(gè)自然村888戶(hù)4 047人。工程在澗溝河新建水源工程1處，以地埋式箱式截流壩方式截取澗溝地表水和淺層地下水。新建地埋式箱式截流壩長(zhǎng)23.8m，箱式壩設(shè)計(jì)為鋼筋砼箱式集水截流壩，截流壩壩頂與最低河床面持平，高程為1 495.0m，不抬高河床，不影響河道行洪。其中，箱體部分長(zhǎng)13.8m、高6m、寬6.5m，分設(shè)3個(gè)儲(chǔ)水箱體，儲(chǔ)水總?cè)莘e300m3。截水墻設(shè)計(jì)為C20砼結(jié)構(gòu)，厚0.5 m，左右長(zhǎng)10m，壩上游設(shè)5級(jí)砂礫石濾水體，壩體設(shè)棕絲濾網(wǎng)一道，棕絲濾網(wǎng)夾石英砂一道。最左側(cè)箱體之上設(shè)檢查孔，安裝1臺(tái)潛水泵，引水流量15m3/h。埋設(shè)PE DN90mm輸水管道100m，管道埋深不小于1.2m。

3 溜砂坡治理措施

該溜砂坡位于截流壩右岸，斷面形式見(jiàn)圖1。自上而下分別為巖屑層和砂質(zhì)泥巖，組成成分物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。該溜砂坡坡頂長(zhǎng)30m，坡底長(zhǎng)110m，溜砂坡自然坡角為30°。圖1中陰影部分為開(kāi)挖區(qū)域，該溜砂坡擬分三級(jí)開(kāi)挖，開(kāi)挖坡率為1：1。鑒于傳統(tǒng)加固方式的缺陷，結(jié)合溜砂坡自身特性，采用“鋼管樁+土釘+防護(hù)網(wǎng)”的支護(hù)結(jié)構(gòu)。其中，鋼管樁設(shè)在坡腳，抵抗剩余下滑力；坡面設(shè)置土釘和防護(hù)網(wǎng)，防止坡面發(fā)生滑動(dòng)垮塌。

圖1 溜砂坡示意圖

表1 溜砂坡組成成分物理力學(xué)參數(shù)表

4 數(shù)值模擬

4.1 模型建立

采用Ansys軟件對(duì)溜砂坡進(jìn)行實(shí)體建模，用六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后導(dǎo)入Flac3d生成計(jì)算模型。模型見(jiàn)圖2，共計(jì)29 800個(gè)單元、30 200個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型底面全約束，側(cè)面為法向約束。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

4.2 模型選擇及參數(shù)取值

采用Flac3d中的pile單元模擬鋼管樁，用line單元模擬防護(hù)網(wǎng)，用cable單元模擬土釘。其中，防護(hù)網(wǎng)彈性模量1.8×1011Pa，法向剛度與切向剛度為7.0×108N/m3，厚度為5mm，泊松比為0.19。微型鋼管樁直徑為320mm，彈性模量為7.5×1010Pa，法向剛度與切向剛度為2.6×1011N/m3。土釘物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土釘物理力學(xué)參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果與分析

4.3.1 溜砂坡穩(wěn)定性分析

圖3為溜砂坡開(kāi)挖后的邊坡水平位移云圖。從圖3中可知，坡體水平位移主要出現(xiàn)在坡頂及坡面。其中，一級(jí)邊坡處的水平位移最大，坡頂有10mm的位移，坡面有反向的9mm位移；二、三級(jí)邊坡水平位移逐漸減小，數(shù)值約為4～6mm。圖4為溜砂坡開(kāi)挖后豎向位移云圖。其中，一、二級(jí)邊坡坡頂出現(xiàn)較大豎向位移，數(shù)值約為39和45mm；二級(jí)邊坡坡面豎向位移較大，數(shù)值約為25mm。

圖3 溜砂坡水平位移圖

綜合溜砂坡的水平位移和豎向位移來(lái)看，坡體整體豎向位移較大，水平位移較小，這與溜砂坡顆粒性質(zhì)有關(guān)，顆粒之間基本沒(méi)有黏聚力，造成巖屑層容易出現(xiàn)向下的滑動(dòng)破壞。從圖4中可以看出，溜砂坡在開(kāi)挖后將會(huì)出現(xiàn)貫通的破壞面，可見(jiàn)溜砂坡開(kāi)挖后穩(wěn)定性較差，極易在巖屑層發(fā)生滑動(dòng)破壞，需要采取支護(hù)措施。

圖4 溜砂坡豎向位移圖

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)以及溜砂坡位移特征，采用“鋼管樁+土釘+防護(hù)網(wǎng)”的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。圖5為溜砂坡加固后的位移云圖。可以看出，溜砂坡整體位移得到有效控制，最大位移從45mm減小至5.7mm，破壞面沒(méi)有貫通，邊坡安全系數(shù)為1.38，該溜砂坡位移與安全系數(shù)均滿(mǎn)足工程安全要求。

圖5 溜砂坡整體位移圖

由于坡面及坡頂處位移較大，因此在每一級(jí)邊坡坡頂及坡面處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖6為溜砂坡坡面位移折線(xiàn)圖。由圖6可知，邊坡坡面位移呈現(xiàn)出先緩慢增加后加速增加最后收斂至一定值的規(guī)律。從坡面收斂位移值來(lái)看，二級(jí)邊坡坡面位移最大，約為3.8mm；三級(jí)邊坡次之，約為3.1mm；一級(jí)邊坡坡面位移最小，僅為1.6mm。在實(shí)際工程中，針對(duì)二級(jí)邊坡坡腳及坡面位移較大的特點(diǎn)，可以適當(dāng)增加土釘和鋼管樁強(qiáng)度，以防止坡腳發(fā)生位移破壞，導(dǎo)致溜砂坡失穩(wěn)。

圖6 溜砂坡坡面位移圖

為進(jìn)一步探究數(shù)值模擬的可行性，采用全站儀對(duì)二級(jí)邊坡坡腳位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖7。由圖7可知，二級(jí)邊坡坡腳位移的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果均呈現(xiàn)先快速增加后緩慢減速，最后收斂至5.7mm左右，兩者之間誤差小于5%。產(chǎn)生誤差的原因主要是因?yàn)槟Ｐ途哂幸欢ǖ木窒扌裕冶O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的偶然性，總體誤差在可接受范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬的有效性。

圖7 二級(jí)邊坡坡腳位移對(duì)比圖

4.3.2 支護(hù)措施受力分析

圖8為土釘受力云圖。可以看出，二、三級(jí)邊坡土釘受力均較小，只有一級(jí)邊坡底部土釘受力較大，數(shù)值約為3×103kN/m2，而實(shí)際土釘極限承載受力為2.4×108kN/m2，因此可認(rèn)為土釘?shù)牟牧线x擇是合理的。圖9為防護(hù)網(wǎng)受力圖。由圖9可知，防護(hù)網(wǎng)受力主要集中在邊坡底部，最大應(yīng)力約4.3×105kN/m2，小于防護(hù)網(wǎng)極限承載應(yīng)力2.5×106kN/m2，在工程允許范圍內(nèi)。而造成坡腳處防護(hù)網(wǎng)應(yīng)力較大的原因主要是坡腳應(yīng)力集中的原因。

圖8 土釘受力圖

圖9 防護(hù)網(wǎng)受力圖

圖10為微型鋼管樁受力圖。由圖10可知，鋼管樁受力較小，主要集中在二級(jí)邊坡坡腳，這一結(jié)論與前文坡腳處出現(xiàn)較大位移現(xiàn)象相吻合。針對(duì)此現(xiàn)象，實(shí)際工程中可在二級(jí)邊坡坡腳處增加微型鋼管樁密度，或選擇更高強(qiáng)度的鋼管，以保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖10 鋼管樁受力圖

5 結(jié) 論

本文以清水縣隴東農(nóng)村供水旺興水源保障工程取水樞紐溜砂坡為研究對(duì)象，通過(guò)Flac3d數(shù)值模擬軟件，采用“鋼管樁+土釘+防護(hù)網(wǎng)”的支護(hù)措施加固溜砂坡，并通過(guò)分析溜砂坡穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，驗(yàn)證支護(hù)措施的有效性。結(jié)論如下：

1)采用“鋼管樁+土釘+防護(hù)網(wǎng)”可有效約束溜砂坡位移，限制貫通面的產(chǎn)生，最大位移僅為5.7mm，滿(mǎn)足工程安全要求。

2)二級(jí)邊坡坡腳處位移均較大，呈現(xiàn)先快速增加后緩慢收斂的規(guī)律。與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，誤差小于5%，驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬的有效性。

3)鋼管樁、土釘以及防護(hù)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)受力均在工程安全允許范圍內(nèi)，位于二級(jí)邊坡坡腳的結(jié)構(gòu)受力較大，可適當(dāng)增加鋼管樁密度，提高土釘強(qiáng)度，以保持支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。