水庫庫岸巖削坡加固措施穩定性研究

徐廣勇，李 偉

（費縣許家崖水庫管理中心,山東 費縣 273400）

1 前言

隨著公路、鐵路、水利工程的建設,巖削坡失穩問題愈發引起重視。雖然在天然工況下能夠自穩,但人工開挖后極易發生垮塌,且用傳統的擋土墻加固巖削坡效果欠佳。許多學者針對巖削坡進行了相關研究,唐進[1]等科學劃分了國道318 藏東段的巖削坡類別,利用數值模擬的方法,分析了巖削坡失穩因素與邊坡穩定的相關性,最后通過機器學習的方法,建立了巖削坡穩定性判定模型。王成華[2]等通過野外調查和模型試驗,分析了花管微型樹根樁的設計核心、固砂理念,并認為巖削坡的加固核心應在穩定坡體,保護坡腳上。

總結現有研究可得,學者們主要從理論分析與室內試驗等方法探究了巖削坡的治理方法,但此類研究方法費時費力,少有學者從數值模擬的角度分析研究巖削坡的加固措施,本文基于Flac3d 數值模擬軟件,以某水庫庫岸巖削坡治理為研究對象,模擬采用微型鋼管樁結合錨墩式主動防護網的加固方案進行加固,從邊坡位移與加固措施位移的角度,研究該加固方案的可行性。

2 巖削工程概況

圖1 為某水庫庫岸巖削坡示意圖,該模型中上部為土石混合體,下伏基巖為砂巖,該巖削坡底部長100 m,左邊界高60 m,右邊界高30 m,巖削坡厚度為30 m,坡角為30°。該巖削坡擬采用三級開挖方式（圖中陰影區域）,開挖坡率為1∶1。該區域受地震和構造影響作用較小,不存在特殊巖土體。

圖1 巖削坡示意圖

由于傳統的支護措施難以有效支護巖削坡,文本根據前人研究結果[3-4],總結得出微型鋼管樁抗彎和承載能力均較強,故擬采用微型鋼管樁對邊坡坡頂進行加固,同時考慮到巖削坡的組成成分為土石混合物,坡面往往容易受地震作用產生滑動破壞,固擬采用錨墩式主動防護網對坡面進行加固,錨索自由段6 m,錨固段10 m。

根據室內實驗測定,確定該巖削坡砂巖及土石混合物的物理力學參數,測定結果見表1。

表1 巖削坡組成成分物理力學參數表

3 數值模擬

3.1 模型建立

邊坡形態、開挖方式、巖層成分均嚴格遵守地質勘查報告資料,圖2 為采用Flac3d 建立的三位模型圖,模型采用四面體結構單元,共計35800 個單元,40217 個節點,模型底面固定約束,側面邊界采用軸支撐。

圖2 Flac3d 數值模型圖

3.2 參數取值

微型鋼管樁采用pile 單元模擬,錨墩式主動防護網采用line 單元模擬,錨索采用cable 的單元模擬,錨索長10 m,襯砌單元、樁單元和錨索單元力學參數見表2、表3 和表4。

表2 襯砌單元力學參數

表3 微型樁單元力學參數

表4 錨索單元力學參數

3.3 模擬結果

3.3.1 巖削坡加固穩定性分析

圖3 為巖削坡開挖后未采取支護措施時的位移云圖,由圖可知,邊坡最大位移達到47 mm,平均位移為25 mm,坡體將出現貫通面,可見巖削坡穩定性較差,極易發生失穩垮塌。圖4 為采用微型鋼管樁結合錨墩式主動防護網后的坡體位移云圖,可以看出,坡體整體位移得到控制,最大位移僅為5.6 mm,滿足工程安全要求。

圖3 支護前邊坡位移圖

圖4 支護后邊坡位移圖

根據巖削坡采用支護措施前后的位移云圖可知,邊坡坡腳位移均較大,坡頂位移較小,因此應重點關注邊坡坡腳位移。本文設置三個位移監測點,分別位于一、二、三級邊坡坡腳附近,得到位移檢測曲線見圖5。從圖中可知,一級邊坡坡腳位移較小,位移整體呈現緩慢增長趨勢,達到1.2 mm左右保持穩定。二、三級邊坡坡腳位移較大,位移整體呈現先急速增長,后緩慢減小,最后緩慢增長至5.5 mm 左右保持穩定。

圖5 邊坡坡腳位移變化圖

3.3.2 巖削坡加固結構的穩定性分析

圖6 為主動防護網位移云圖,從圖中可知,三個主動防護網位移呈現自上而下位移逐漸增加的規律,且三級邊坡位移＞二級邊坡位移＞一級邊坡位移,最大位移位于三級邊坡坡腳,數值為27 mm。綜合來看,主動防護網整體位移均小于50 mm,滿足工程安全要求。實際工程中應重點關注二、三級邊坡坡腳處的位移,防止出現坡腳破壞,導致邊坡失穩。

圖7 為微型鋼管樁的位移云圖,由圖可知,鋼管樁整體位移呈現中部位移較大,兩側位移較小的規律,這是因為鋼管樁中部處于開挖邊坡坡腳附近,受巖削坡下滑力作用,導致鋼管樁中部位移較大。同時,一級邊坡鋼管樁位移＞二級邊坡＞三級邊坡,這是因為一級邊坡處鋼管樁受下滑力最大的原因。鋼管樁最大位移為2.6 mm,遠小于工程安全要求10 mm,處于穩定狀態。實際工程中,可采取增加一級邊坡處的鋼管樁密度的方法來約束坡腳位移。

圖7 微型鋼管樁位移云圖

圖8 為錨索的位移應力云圖,可以看出,錨索自由段位移均大于鎖固段位移,這符合坡面處位移大于坡體位移的規律。而三級邊坡的錨索位移＞二級邊坡＞一級邊坡,這亦符合邊坡坡面位移規律,整體錨索位移偏小,最大位移值為18 mm,小于工程安全要求30 mm,說明本文采用的錨索結構支護時具有較好的穩定性。

圖8 錨索位移云圖

4 結論

以某水庫庫岸巖削坡為研究對象,通過數值模擬的研究方法,從巖削坡位移以及支護結構穩定性的角度,研究微型鋼管樁結合錨墩式主動防護網的支護方案的可行性。研究結果如下：

（1）巖削坡在人工開挖后,三級邊坡坡腳產生47 mm 的最大位移,二級邊坡坡腳產生38 mm 位移,一級邊坡坡腳位移較小,僅為12 mm。巖削坡坡體出現貫通面,整體位移較大,已超出工程允許范圍,固有較大失穩風險,需采取相應加固措施。

（2）采取微型鋼管樁結合錨墩式主動防護網的支護方案能夠有效約束邊坡位移,邊坡坡腳位移較大,三級邊坡坡腳位移＞二級邊坡＞一級邊坡,最大位移為5.7 mm,坡體不再出現貫通面,邊坡整體處于穩定狀態。

（3）微型鋼管樁、防護網、錨索位移均在工程安全范圍內,結構處于穩定狀態。實際工程中,應注意三級邊坡坡腳處的錨墩式主動防護網和一級邊坡鋼管樁發生位移破壞,可適當增加該區域相應支護結構強度,維持結構的穩定性。