劉吉強(qiáng)

(烏魯木齊市水利勘測設(shè)計院(有限責(zé)任公司)，烏魯木齊 830000)

1 概 述

水利工程建設(shè)時常常會遇到高邊坡等不利地質(zhì)現(xiàn)象，其對水工結(jié)構(gòu)工程施工期及運(yùn)營期均是較大威脅，因而在實際工程建設(shè)時常常需要考慮對邊坡安全穩(wěn)定性進(jìn)行評價[1-3]。從邊坡巖土體材料應(yīng)力或滲透系數(shù)允許安全方面出發(fā)，計算邊坡內(nèi)巖土體的應(yīng)力位移狀態(tài)，進(jìn)而側(cè)面評價邊坡安全穩(wěn)定狀態(tài)是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的一種方法。已有一些學(xué)者或工程師基于對邊坡內(nèi)巖土體開展室內(nèi)試驗，研究巖土體的強(qiáng)度、滲流等特性，以此來評價邊坡體安全穩(wěn)定性[4-6]。也有一些學(xué)者基于在邊坡等工程現(xiàn)場安裝監(jiān)測傳感器，如微震系統(tǒng)等設(shè)備，以獲得邊坡內(nèi)巖土體在一定時間內(nèi)的細(xì)觀數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)之間內(nèi)在聯(lián)系，預(yù)判邊坡失穩(wěn)節(jié)點(diǎn)[7-8]。數(shù)值方法作為工程計算中高效手段，依據(jù)不同工況條件施加不同邊界約束條件在數(shù)值模型內(nèi)，并借助有限元軟件計算獲得位移應(yīng)力參數(shù)[9-11]，評價邊坡安全穩(wěn)定性，對工程設(shè)計具有重要意義。

2 工程概況

某水庫位于華中地區(qū)，是區(qū)域內(nèi)重要蓄水工程，承擔(dān)著周邊區(qū)域內(nèi)水資源供應(yīng)調(diào)度以及豐枯水季河道水位調(diào)控作用，該水庫工程涵蓋溢洪道、水閘以及大壩等水工結(jié)構(gòu)。其中，溢洪道作為重點(diǎn)設(shè)計工程已開展穩(wěn)定性加固等施工措施，保證溢洪道在所控制的45m長度溢流段內(nèi)處于滲流與靜力穩(wěn)定。該溢洪閘為多孔式，每孔寬度為15 m，中心軸線長度達(dá)380 m，包括有進(jìn)水渠、消能池連接過渡段、兩側(cè)翼墻等結(jié)構(gòu)。消能池連接段末端與輸水干渠連接，可保證泄洪水流進(jìn)入農(nóng)業(yè)輸水干渠中，提高泄流水資源利用度，干渠渠首流量控制在0.58 m3/s；兩側(cè)翼墻分布在泄流段，分別由緩坡與陡坡段組成，坡度分別為1/50和1/3，泄流段內(nèi)巖體完整性均較好，穩(wěn)定性較佳。但在進(jìn)水渠段中左岸邊坡高度超過80 m，發(fā)育較多節(jié)理裂隙，具有懸空面，其穩(wěn)定性對溢洪道水位調(diào)控運(yùn)營具有重要影響。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查分析，進(jìn)水渠段左岸邊坡所處工程場地巖性以火成巖為主，包括有安山玢巖、花崗巖等，巖體完整性較好，但局部分布有破碎夾層，發(fā)育有泥質(zhì)等膠結(jié)物。室內(nèi)土工試驗測定表明，強(qiáng)度較高，靜水壓力下孔隙度低于1%，現(xiàn)場巖體受風(fēng)化影響較低，計算研究時可考慮巖性為完整性強(qiáng)度未有缺失的巖層。上覆土層為粉質(zhì)壤土與人工雜填土，其中粉質(zhì)壤土承載力較好，現(xiàn)場分布厚度最厚處超過3.5 m，密實性較佳，輸水干渠即以該層為基礎(chǔ)的持力層，含水量亦較低。人工雜填土為第四系人工活動搬運(yùn)沉積形成土層，較為松散，厚度較薄，其主要影響邊坡的豎向荷載。高邊坡所處溢洪道泄流區(qū)域局部工程地質(zhì)剖面圖見圖1。由于邊坡正處于開挖施工階段，本文主要針對該高邊坡在開挖有無支護(hù)措施下的穩(wěn)定性開展研究討論，并探討優(yōu)化設(shè)計后高邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)。

圖1 溢洪道局部區(qū)段工程地質(zhì)剖面圖

3 原設(shè)計方案邊坡計算分析

3.1 計算模型及工況

FLAC3D作為有限差分?jǐn)?shù)值計算軟件，內(nèi)嵌有多種巖土本構(gòu)模型，本文借助該數(shù)值軟件構(gòu)建進(jìn)水渠段高邊坡模型，X、Y、Z空間坐標(biāo)系中分別為溢洪道泄流方向、溢洪道上垂線、溢洪道豎向，所建模型見圖2，共劃分出網(wǎng)格單元184 216個，節(jié)點(diǎn)數(shù)93 006個。為簡化計算，本文僅考慮該高邊坡模型中粉質(zhì)壤土層與基巖層材料，相關(guān)參數(shù)均以室內(nèi)試驗報告為準(zhǔn)，由于開挖面為最危險斷面，因此重點(diǎn)開展開挖斷面安全穩(wěn)定性計算分析。

圖2 數(shù)值模型圖

原設(shè)計開挖方案為5級馬道，除第二級馬道為12 m，其他馬道寬度均為3 m，坡度均為2∶1，以直徑15 mm錨桿為正方形支護(hù)網(wǎng)架，每根錨桿長度為5 m，并噴射混凝土。優(yōu)化方案為4級馬道，其中第二級馬道加寬為15 m，其他馬道寬度一致，坡度優(yōu)化為5∶2，以直徑25 mm錨桿為正方形支護(hù)網(wǎng)架，每根錨桿長度為10 m，并噴射混凝土。由于溢洪道進(jìn)水渠段水位變化，因而本文在每種研究方案基礎(chǔ)上分別拓展有無水工況。

3.2 開挖無支護(hù)

3.2.1 無水工況

圖3為開挖無支護(hù)時無水工況下高邊坡位移與應(yīng)力分布特征云圖。從圖3中可知，邊坡最大位移集中在開挖斷面底板處，最大位移達(dá)4.71 cm，在坡頂面位移量值較低，分布僅為7.5 mm左右，沿著開挖斷面底板延伸至坡頂，位移分布逐漸遞減，最大遞減幅度達(dá)84.1%。從應(yīng)力分布來看，第一主應(yīng)力最大拉應(yīng)力為0.52 MPa，分布在各級馬道邊緣區(qū)域，坡面上拉應(yīng)力量值較低；從第三主應(yīng)力特征參數(shù)云圖可知，開挖后各級馬道邊緣處存在拉應(yīng)力，而坡面上以壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力達(dá)5 MPa，沿著坡頂至坡底部，壓應(yīng)力逐漸增大。分析開挖無支護(hù)方案位移應(yīng)力表現(xiàn)可知，當(dāng)無支護(hù)措施時，開挖斷面底板處所承受較大坡體滑移威脅，對邊坡穩(wěn)定性是潛在威脅，隨著開挖斷面深入，各級馬道邊緣拉應(yīng)力與坡體底板處位移量勢必會持續(xù)增大，一旦超過一定承受界限，易造成滑坡或土體張拉破壞等現(xiàn)象。

圖3 原設(shè)計無支護(hù)方案下位移應(yīng)力分布(無水工況)

3.2.2 有水工況

本文以水庫處于正常蓄水位時開展高邊坡位移應(yīng)力計算，結(jié)果見圖4。從圖4中可知，有水工況下邊坡位移分布與無水工況有所類似，最大位移量均集中在坡底板處，其最大位移相比無水工況增長幅度并不大，僅為4.7%，達(dá)4.93 mm，坡頂仍分布較小位移。有水工況下最大拉壓應(yīng)力分別為0.53和5 MPa，與無水工況下分布區(qū)域及量值基本接近。分析表明，在無支護(hù)措施下，有無水工況位移、應(yīng)力分布特征與量值均為一致，即水位對高邊坡位移、應(yīng)力變化無影響，此時由于在無支護(hù)措施條件下邊坡按照原設(shè)計方案開挖，滑移失穩(wěn)已占據(jù)主導(dǎo)作用，不受水位影響。

圖4 原設(shè)計無支護(hù)方案下位移應(yīng)力分布(有水工況)

3.3 開挖支護(hù)

3.3.1 無水工況

在有支護(hù)措施條件下，獲得原設(shè)計開挖方案邊坡位移應(yīng)力特征云圖，見圖5。對比圖3與圖5可知，支護(hù)措施下最大位移量值雖未發(fā)生較大改變，但其分布區(qū)域得到降低，減弱了對坡內(nèi)的變形延伸趨勢，緩解了坡底板處土體滑移面向坡底部的傾向性，最大位移仍為4.71 cm。第一、第三主應(yīng)力相比量值并未在開挖支護(hù)措施下顯著降低，且各開挖馬道邊緣處仍分布有一定拉應(yīng)力。分析表明，無水工況下，即使具有開挖支護(hù)措施，但高邊坡所具有的位移、應(yīng)力并未相比無支護(hù)措施下顯著降低，僅對大位移、拉應(yīng)力區(qū)域分布面積有所緩解，對量值無影響。筆者認(rèn)為這主要是由于原開挖設(shè)計方案馬道數(shù)量過多、寬度間隔較短，且支護(hù)措施對坡體穩(wěn)定性加固并無顯著作用。

圖5 開挖支護(hù)方案位移應(yīng)力分布(無水工況)

3.3.2 有水工況

圖6為在蓄水條件下原開挖設(shè)計支護(hù)方案時高邊坡位移應(yīng)力特征。對比前述分析工況可知，在有水位時，坡頂面位移分布傾向于開挖面，一定程度降低了開挖面失穩(wěn)性，從量值上看，與無支護(hù)措施下基本一致，但坡底板處高位移分布區(qū)間在坡內(nèi)的延伸區(qū)域減小，表明有支護(hù)措施下可一定程度降低坡底板處大位移引起的邊坡土體滑移面。第一主應(yīng)力表征了邊坡內(nèi)拉應(yīng)力分布狀態(tài)，相比圖4(b)所示結(jié)果，圖6(b)所示結(jié)果馬道邊緣仍存在拉應(yīng)力，量值與前者一致，但支護(hù)后拉應(yīng)力由馬道邊緣逐漸遞減至坡內(nèi)，支護(hù)措施能一定程度削弱拉應(yīng)力與位移在坡內(nèi)的延伸。對比上述計算工況可知，不論有無支護(hù)措施下，高邊坡開挖后最大壓應(yīng)力均為5 MPa左右，不受水位與支護(hù)措施影響。

圖6 開挖支護(hù)方案位移應(yīng)力分布(有水工況)

4 優(yōu)化設(shè)計后邊坡計算分析

在上述分析基礎(chǔ)上，該高邊坡開挖穩(wěn)定性與原設(shè)計方案相關(guān)，而支護(hù)措施對潛在滑移面具有一定影響，因而本文針對優(yōu)化后開挖支護(hù)方案下高邊坡應(yīng)力位移場開展計算分析。

4.1 無水工況

圖7為優(yōu)化設(shè)計開挖方案位移應(yīng)力分布圖。從圖7中可知，坡頂面上位移分布由臨空面逐漸擴(kuò)散至各馬道內(nèi)部，一定程度上發(fā)揮了馬道降低滑坡面的向下滑移能力；與原設(shè)計方案一致，優(yōu)化后方案最大位移仍分布在坡底板區(qū)域，但由于支護(hù)錨桿滿足實際工程需求，較大位移并未出現(xiàn)往坡內(nèi)延伸發(fā)展現(xiàn)象，降低了坡底板隨滑坡面滑移能力。從應(yīng)力分布來看，最大拉應(yīng)力為0.45 MPa，相比原設(shè)計方案降低15.1%，所處區(qū)域并不存在于馬道邊緣，而是位于坡底板區(qū)域，且僅是局部分布，坡面以壓應(yīng)力為主，分布為0.25～0.75 MPa，最大壓應(yīng)力為4.86 MPa，由于更改原設(shè)計方案，在無水工況下大位移、最大拉應(yīng)力分布均處于穩(wěn)定狀態(tài)，可減弱潛在滑動面威脅。

圖7 優(yōu)化設(shè)計開挖支護(hù)方案位移應(yīng)力分布(無水工況)

4.2 有水工況

圖8為優(yōu)化設(shè)計方案后有水工況下位移應(yīng)力分布結(jié)果。從圖8中可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計方案后，高邊坡各臺階馬道位移分布更趨于層次條帶狀，馬道階次減少后位移遞減程度并未發(fā)生較為顯著突變，有助于在保證邊坡安全穩(wěn)定狀態(tài)下提升施工速率，各臺階馬道最大位移為1 cm左右，僅為坡高的0.01%，符合安全允許值[12-13]，且大位移分布對坡內(nèi)延伸顯著減弱。從應(yīng)力分布來看，在有水工況中拉應(yīng)力分布區(qū)域顯著降低，最大拉應(yīng)力位于坡底板與第一級馬道接觸邊緣處，為0.45 MPa，相比原設(shè)計方案降低13.5%，且由馬道與坡底板頂面至坡內(nèi)，拉應(yīng)力遞減，馬道在高邊坡開挖過程中安全穩(wěn)定性得到提高；最大壓應(yīng)力位于開挖面，由開挖面至坡內(nèi)逐漸增大。分析表明，優(yōu)化后設(shè)計方案極大降低了大位移與拉應(yīng)力對潛在滑動面的威脅，又減少了馬道施工工作量，在溢洪道進(jìn)水渠段有水位時亦能保持較好穩(wěn)定性。

圖8 優(yōu)化設(shè)計開挖支護(hù)方案位移應(yīng)力分布(有水工況)

5 結(jié) 論

針對某溢洪道進(jìn)水渠段高邊坡開挖設(shè)計方案開展優(yōu)化分析，分別針對原設(shè)計方案與優(yōu)化后方案進(jìn)行計算，優(yōu)化后設(shè)計開挖方案高邊坡位移應(yīng)力均處于較為安全狀態(tài)。結(jié)論如下：

1) 原設(shè)計開挖無支護(hù)方案下有水工況相比無水工況下最大位移增長僅4.3%，位移與應(yīng)力分布基本一致，水位對高邊坡位移、應(yīng)力變化無顯著影響，兩工況下最大位移均延伸至坡內(nèi)，最大拉應(yīng)力位于馬道邊緣，坡面以壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力達(dá)5 MPa。

2) 原設(shè)計開挖支護(hù)方案下有無水工況中最大位移、應(yīng)力變化并無顯著改變，但支護(hù)措施下減弱了大位移對坡內(nèi)的延伸趨勢，分布面積減少；有無支護(hù)措施不改變最大拉、壓應(yīng)力量值，但減弱拉應(yīng)力對滑移面影響。

3) 優(yōu)化設(shè)計支護(hù)方案下有無水工況中高邊坡最大位移均無顯著往坡內(nèi)延伸趨勢，最大拉應(yīng)力均為0.45 MPa，相比原設(shè)計方案降低15.1%，各級馬道拉應(yīng)力分布減少，最大壓應(yīng)力為4.86 MPa，馬道最大位移為1 cm左右，僅為坡高的0.01%；邊坡優(yōu)化設(shè)計開挖方案下安全穩(wěn)定性得到提高，滑動面滑移趨勢降低。