錨墩式主動防護網及預應力錨索庫岸邊坡加固效果對比分析

孫寧寧

（惠民縣城鄉水務發展服務中心,山東 惠民 251700）

1 引言

地震對邊坡的破壞主要表現在以下兩個方面：一是降低潛在滑動面的抗剪強度,二是地震的慣性力增大邊坡的下滑力[1-3]。吳國慶等[4]以賽百巖質邊坡為例,將傳統路堤邊坡防護措施與SNS 柔性防護網進行對比,結果表明,SNS 柔性防護網具有安全系數大,施工簡單的特點；汪敏等[5]采用數字模擬方法,對主動防護網力學性能進行數值分析,計算得到了該防護網能有效提高邊坡的穩定系數；薛彥雨等[6]采用極限平衡法,對某巖質邊坡的支護措施進行評價,并分析了天然工況,暴雨工況及地震工況下該支護措施的有效應,結果表明,該支護措施具有較好的支護效果；劉建華等[7]采用FLAC3d 數值模擬方法,對四川理縣某主動防護網邊坡進行評價,結果表明,該邊坡經加固后,在地震作用下坡腳處發生了應力集中,但整體上保持穩定。劉少波等[8]采用MIDAS數值軟件對某邊坡支護結構效果進行評價,結果表明,采用主動柔性防護網能有效提高邊坡穩定性。唐秋元等[9]采用極限平衡法和強度折減法,對某巖質邊坡支護設計中的錨桿軸向拉力進行計算,結果表明,強度折減法計算得到的錨桿拉力更符合實際結果。王壯等[10]采用FLAC3d 對不同組合方式下某巖質邊坡穩定性進行研究,結果表明,采用“主動防護網+錨桿”相結合的方式,對邊坡穩定性具有更好的加固效果。

以上研究多為對SNS 柔性防護網邊坡加固效果的分析。缺少對不同工況下錨墩式主動防護網邊坡的穩定性評價。本文以某邊坡治理工程為例,采用有限差分數值模擬軟件FLAC3d,對該邊坡在地震作用下的加固效果進行分析。

2 工程概況

某水庫是一座以灌溉為主，兼防洪、養殖等綜合利用的中型水庫。水庫樞紐由水庫大壩（1 座主壩、5 座副壩）、溢洪道、輸水涵（譚亭降副壩輸水涵和更深副壩輸水涵）等主要建筑物組成。水庫壩址以上設計控制集雨面積為15.00 km2。水庫在1957年冬興建,1958年建成,1963年完成和完善灌區渠道等配套工程,工程開始發揮效益。水庫邊坡因較陡峭,經常發生崩落等線性,需要進行加固。經勘探,邊坡主要巖性為厚約15.5 m 厚的碎石土,下層為厚約20 m 的中風化砂巖,經現場工程地質勘察及室內巖土試驗,該邊坡其物理力學參數見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學參數

邊坡支護結構剖面圖見圖1。

圖1 邊坡支護結構剖面圖

3 邊坡加固穩定性評價

3.1 數字分析結構單元劃分

FLAC3d 廣泛應用于巖土結構工程分析,該軟件包括多種結構單元。在建模方法上,cable 結構以其不能承受彎矩,但能承受拉應力的特點,常用于模擬錨索結構單元。liner 單元可抵擋彎矩和面荷載,可作為襯砌單元。因此,本文采用cable 和liner 兩種基本單元,模擬錨墩式主動防護網支護結構,并將liner 單元與cable 單元設置為固定連接,以防止結構相互脫離。

3.2 錨墩式主動防護網加固模型

圖2 為錨墩式主動防護網加固后的邊坡數值模型,該模型中,預應力錨索長20 m,其中錨固段7 m,自由段13 m。錨索之間橫向及縱向間距均為4 m。錨索水泥砂漿外圈周長0.8 m,水泥砂漿剛度2×106Pa,水泥砂漿粘聚力8.5×105N/m。

圖2 調壓井計算及支護模型

4 邊坡加固后變形特征數值分析

4.1 水平位移變化分析

圖3 為天然工況下,錨墩式主動網加固后邊坡的水平位移。

圖3 錨墩式主動網及預應力錨索加固后邊坡的水平位移云圖

由圖3（a）可以看出,該邊坡經過錨墩式主動網加固后,位移范圍在1.8×10-3m~6.6×10-3m 之間。最大位移為6.6 mm,發生在一級邊坡坡腳處。該邊坡在坡面以下13 m~25 m 范圍內形成一潛在滑動面,但由于位移整體較小,處于設計允許的位移范圍內,因此,該邊坡在采用錨墩式主動網加固后仍保持穩定狀態。從圖3（b）中可知,在采用預應力錨索加固后,該邊坡位移范圍在1×10-3m~1.3×10-2m 之間,最大水平位移為13.1 mm。兩種方式加固后邊坡的變形特征基本相同,最大水平位移均出現在一級邊坡坡腳處。

如圖4 所示,采用錨墩式主動網加固后邊坡水平位移最大為6.6 mm,采用錨索加固后水平位移達到13 mm,且在邊坡全部范圍內,錨墩式主動網加固邊坡位移均小于錨索加固邊坡,說明錨墩式主動網加固方式效果更好。

圖4 錨墩式主動網及預應力錨索加固后水平位移

4.2 總位移分析

如圖5（a）所示,錨墩式主動防護網加固邊坡總位移在1×10-3m~1.02×10-2m 之間,最大位移在坡頂處,位移值為10.2 mm,推測是由于坡頂處產生了拉應力,導致坡頂處出現拉裂破壞面。坡腳處位移約1.4mm~1.8 mm,位移量較小,說明坡腳處較為穩定,發生破壞的可能性較小。圖5（b）中,預應力錨索加固后邊坡總位移2×10-3m~2.2×10-2m 之間,最大總位移同樣發生在坡頂處,位移值為21.8 mm,坡腳處位移量較少,約2 mm~6 mm。對比兩種條件下的加固效果可知,兩種條件下邊坡的潛在滑動面及最大位移分布范圍較為一致,但預應力錨索加固后邊坡總位移稍大于錨墩式主動防護網邊坡總位移,說明錨墩式主動防護網對邊坡的加固作用更好。

圖5 錨墩式主動網及預應力錨索加固后邊坡總位移云圖

4.3 剪應變增量分析

圖6 為錨墩式主動網及預應力錨索加固邊坡后剪應變云圖,從圖（a）中可以看出,該邊坡在加固后剪應變范圍在1×10-3m~1.4×10-2m 之間,邊坡內未形成潛在的貫通滑動面,僅在坡腳處形成一剪切帶。圖（b）中,錨索加固后的剪應變云圖與圖（a）類似,剪應變范圍在2.5×10-3m~1.4×10-2m之間,稍大于錨索加固后的剪應變,且未形成潛在滑動面。兩種加固下,邊坡僅在坡腳處產生較大的剪應變,但坡內均未形成潛在滑動面,說明兩種加固方式下的邊坡均保持穩定狀態,不會發生大規模滑坡現象,但由于坡腳處存在較大剪應力集中,可能在坡腳處發生小規模坍塌現象。因此,應針對該部位進行局部加固,以確保工程安全。

圖6 錨墩式主動網及預應力錨索加固后邊坡剪應變云圖

5 結論

本文以水利工程邊坡為研究對象,采用FLAC3d 對該邊坡在預應力錨索及錨墩式主動防護網的加固效果進行分析,主要結論如下：

（1）采用錨墩式主動防護網加固后,邊坡內未形成潛在滑動面,最大水平位移發生在坡頂處,位移值為6.6 mm,最大總位移值為10.2 mm。

（2）采用預應力錨索加固后，邊坡最大水平位移發生在三級邊坡坡面處，位移值為13.1 mm，最大總位移值為21.8 mm。

（3）兩種加固方式下邊坡內部未形成潛在滑動面,水平位移及總位移均在工程設計允許范圍內,邊坡整體穩定性較好。僅在坡腳處產生剪應力集中,應進行局部加固。研究結果對于邊坡防護設計具有一定的參考意義。