(1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

近年來，位于高山峽谷地區(qū)的大型水電工程建設(shè)項(xiàng)目日益增多,這些工程往往岸坡陡峻，為了布置樞紐建筑物以及施工的需要，勢(shì)必會(huì)因?yàn)殚_挖形成高陡邊坡， 由此也帶來諸多工程問題，為減少和防止此類邊坡事故的發(fā)生，保證工程建設(shè)的順利進(jìn)行和施工人員的安全，有必要加強(qiáng)開挖巖質(zhì)邊坡的監(jiān)測(cè)和穩(wěn)定性方面的研究。

針對(duì)加固后巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問題，國內(nèi)外很多學(xué)者都作了相關(guān)研究，夏元友等[1]研究了摩擦耗能對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的穩(wěn)定性影響。李新坡等[2]通過概化錨固體作用從而推導(dǎo)出新的錨固加固邊坡安全系數(shù)的新方法。黃潤秋等[3]采用FLAC3D軟件三維建模深入探討順層邊坡的破壞機(jī)理。魯渝等[4]將極限平衡法與剛度折減法對(duì)比，研究兩種方法研究邊坡穩(wěn)定性存在的差異，結(jié)果表明兩者吻合效果較好。何思明等[5]分析了不同開挖方式、強(qiáng)度參數(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索作用下的巖質(zhì)高邊坡的影響。

本文以峽江水利樞紐工程右岸開挖高邊坡為背景，通過邊坡巖石的室內(nèi)外試驗(yàn)，獲取巖石力學(xué)參數(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)錨索框格梁加固巖質(zhì)邊坡的效果及降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

峽江水利樞紐工程地處贛江中游峽江縣老縣城上游峽谷河段，見圖1，邊坡(K0+000、K0+017.949、K0+022.489)位于峽江右壩肩，切坡高度約70m，邊坡走向0°N～30°W，平面上略呈弧狀。據(jù)監(jiān)測(cè)資料顯示，自2013年5月，滑坡體裂縫變形最大為K1、K2點(diǎn)(位于坡頂)，分別為19.35mm、17.94mm，坡頂拉張裂縫隨時(shí)間推移，變形有所增大，截至2015年12月，滑坡體K1、K2處裂縫變形達(dá)31.54mm、51.29mm，之后邊坡裂縫變形趨于穩(wěn)定，邊坡平面見圖2。

圖1 邊坡現(xiàn)場(chǎng)情況

圖2 邊坡平面圖

2 設(shè)計(jì)加固措施

設(shè)計(jì)中分別于邊坡高程61m、66m、71m、81m和96m處設(shè)馬道，其中71m高程處馬道寬度5m，其他馬道寬2m，高程66m馬道以上設(shè)計(jì)坡比1∶1.25，高程66m馬道以下設(shè)計(jì)坡比1∶1，對(duì)滑坡體高程96m馬道以上的邊坡及其上游側(cè)高程71m馬道以上邊坡進(jìn)行削坡減載處理，設(shè)計(jì)坡比1∶1.5，以下設(shè)計(jì)坡比1∶1.25，邊坡開挖達(dá)設(shè)計(jì)坡比后，對(duì)該段滑坡體進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索框格梁加固處理，并采取截排水、噴播草灌等綜合治理措施。錨索水平間距4.4m，垂直間距2.5m，俯角10°，其中1～ 2級(jí)錨索長30m , 3級(jí)錨索長35m , 4級(jí)錨索長45m，5級(jí)錨索長50m，錨固段均為10m，錨索孔徑130mm，每孔含有5根φ15.2的鋼絞線，預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)的錨固力標(biāo)準(zhǔn)值及鎖定值分別為600kN和500kN。支護(hù)方案詳圖以K0+022.489為例，見圖3。

圖3 邊坡典型斷面支護(hù)示意

3 邊坡降雨入滲模擬

降雨作用下巖體抗剪強(qiáng)度降低，地下水位抬高使得孔隙水壓力升高，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成極大的影響，尤其是已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的邊坡。為預(yù)測(cè)邊坡穩(wěn)定性，文中通過設(shè)置孔隙水壓力變化和地下水位以上巖土體飽和度變化來模擬實(shí)際降雨情況。

3.1 計(jì)算模型

利用ABAQUS軟件對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索框格梁支護(hù)的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行三維有限元分析，為有效地消除邊界效應(yīng)的影響，從而達(dá)到本文研究的目的，建模中選用的模型尺寸和模型示意見圖4，其中：選擇三維實(shí)體單元、莫爾-庫侖理想彈塑性材料模擬巖土體；采用三維實(shí)體單元模擬混凝土框格梁；采用三維線單元模擬錨索；本構(gòu)模型均選用彈性模型；框格梁與巖體之間采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.5；錨索與框格梁之間采用綁定約束，與巖體之間采用嵌入約束；錨索預(yù)應(yīng)力利用“降溫法”實(shí)現(xiàn)；用ABAQUS中生死單元功能實(shí)現(xiàn)錨索及框格梁的施加。邊界約束上，模型的四周邊界施加法向位移約束，底部邊界施加水平和豎向位移約束，坡面保持自由。

圖4 有限元模型示意(單位：m)

3.2 強(qiáng)度折減法

采用強(qiáng)度折減法，通過對(duì)原有裂縫區(qū)域的巖體內(nèi)摩擦角和黏聚力進(jìn)行折減[6]，模擬裂縫情況。裂縫區(qū)域內(nèi)摩擦角及黏聚力變化情況，具體見式(1)～式(2)。

cF=c/Fs

(1)

φF=tan-1(tanφ/Fs)

(2)

式中cF——折減后虛擬的黏聚力，kPa；

φF——折減后虛擬的內(nèi)摩擦角,(°)；

Fs——折減系數(shù)。

3.3 物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)合水利水電行業(yè)有關(guān)規(guī)程、規(guī)范要求，對(duì)邊坡巖土體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)等工作，得出的巖土體、框格梁、錨索物理力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 框格梁、錨索物理力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 錨索應(yīng)力、邊坡裂縫變化

基于邊坡21、22號(hào)孔2010—2017年錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)合數(shù)值分析計(jì)算得出的加固后邊坡的錨索應(yīng)力變化情況進(jìn)行對(duì)比分析。圖5、圖6分別為采用錨索框格梁加固邊坡后，21號(hào)、22號(hào)孔錨索應(yīng)力隨時(shí)間的變化計(jì)算曲線和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線?？傮w來看，有限元計(jì)算結(jié)果提取的錨索應(yīng)力變化與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的錨索應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，計(jì)算結(jié)果值整體大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，這與實(shí)際情況中預(yù)應(yīng)力錨索存在應(yīng)力損失情況相符。

由圖5可知，21號(hào)孔錨索應(yīng)力實(shí)測(cè)值先增加后逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定；由圖6可知，22號(hào)孔實(shí)測(cè)值呈明顯下降趨勢(shì)，而后趨于穩(wěn)定?？赏茢啵?1號(hào)孔錨索附近，裂縫一段時(shí)間內(nèi)還在逐漸增加，之后趨于穩(wěn)定；22號(hào)孔錨索附近的邊坡治理對(duì)抑制裂縫寬度的增加起到了較為明顯的效果。由此可知采用錨索框格梁治理邊坡達(dá)到了一定的效果。

圖5 21號(hào)孔錨索應(yīng)力變化曲線

圖6 22號(hào)孔錨索應(yīng)力變化曲線

4.2 邊坡裂縫變化

圖7為對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理之后，21、22號(hào)孔錨索附近的裂縫寬度監(jiān)測(cè)情況(監(jiān)測(cè)時(shí)間為2011年8月至2016年年底)。由圖7知，21號(hào)孔錨索附近的裂縫寬度增長較大，且持續(xù)增長的時(shí)間較長；孔22附近裂縫寬度在很短時(shí)間內(nèi)增加至某一值后，裂縫寬度實(shí)測(cè)值基本趨于穩(wěn)定?？傮w來看，21號(hào)、22號(hào)孔錨索應(yīng)力變化均與裂縫變化時(shí)效保持一致。

圖7 邊坡治理后孔21、孔22周邊裂縫寬度擴(kuò)展實(shí)測(cè)曲線

4.3 降雨條件下裂縫變化

為了便于分析該斜坡變形位移量的變化，在數(shù)值模型中的潛在變形巖體表面設(shè)置JC-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在等降雨強(qiáng)度持續(xù)72h條件下，分別將降雨入滲強(qiáng)度設(shè)置為0.02m/h和0.01m/h，通過數(shù)值計(jì)算得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移值，繪制等強(qiáng)度持續(xù)時(shí)間72h下監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移與降雨強(qiáng)度曲線圖，以此分析裂縫寬度的變化規(guī)律，見圖8。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移隨降水時(shí)間變化曲線

從圖8可知，在9h以內(nèi)，不同入滲強(qiáng)度下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移為0；9～18h內(nèi)，不同入滲強(qiáng)度下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變化基本一致；18～54h內(nèi)，入滲強(qiáng)度為0.02m/h時(shí)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移與入滲強(qiáng)度為0.01m/h的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移差約5mm；54h后，入滲強(qiáng)度為0.01m/h時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移出現(xiàn)陡增然后保持穩(wěn)定，而入滲強(qiáng)度為0.02m/h時(shí)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移仍在繼續(xù)增長。由此可知，隨著降雨持時(shí)的增長，坡頂水平位移逐漸增大，且降雨入滲強(qiáng)度越大，對(duì)邊坡影響越大。由此可知，強(qiáng)降雨對(duì)該邊坡影響較大，對(duì)于出現(xiàn)裂縫的邊坡應(yīng)做好防水措施，降低雨水的入滲速率。

5 結(jié) 語

本文以峽江水利樞紐工程巖質(zhì)邊坡治理工程為背景，結(jié)合ABAQUS有限三維數(shù)值分析法及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)錨索框格梁治理邊坡效果進(jìn)行了分析討論，同時(shí)研究了降水強(qiáng)度對(duì)該邊坡滑移的影響，得出如下結(jié)論：

a.采用錨索框格梁治理的邊坡，錨索應(yīng)力隨時(shí)間的推移變化較大，但最終趨于穩(wěn)定，且上下浮動(dòng)不大，錨索應(yīng)力值變化與裂縫寬度變化相呼應(yīng)。

b.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)裂縫情況表明，裂縫最后趨于穩(wěn)定，錨索框格梁治理邊坡起到了良好的效果。

c.帶裂縫工作的邊坡受降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)影響較大，隨著降雨強(qiáng)度的增加、降雨持續(xù)時(shí)間的增長，坡頂水平位移逐漸增大。

d.降雨對(duì)帶裂縫工作的邊坡影響較大，對(duì)出現(xiàn)裂縫的邊坡應(yīng)做好防降水措施或設(shè)置合理的排水措施，降低滲流速率。