某水电站边坡锚索加固前后应力应变分析

赵 明，陈匀序，朱 艳

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前 言

为了论证某水电站边坡锚索加固效果，采用有限差分Flac3D分析软件，选择某一典型剖面作为研究对象，对开挖边坡在锚索前后应力、应变变化及其稳定性进行了分析研究。

2 计算方法

采用有限差分Flac3D模拟。坡体材料为Mohr－Coulomb类型材料，采用非关联流动法则。图1为典型剖面的数值模拟的网格图。根据岩土体物理力学参数地质部门的建议值，采用饱和状态下的参数以考虑最不利状况，并兼顾数值模型的合理性。计算参数见表1、2。计算工况见表3。

3 计算结果与分析

3.1 坡体应力场变化情况

图1 典型剖面有限差分模型

为了充分说明在不同工况下边坡中应力场的变化，在坡体中选取代表性点(见图2)说明其在不同工况下的应力变化(见表4)。

可见，开挖后边坡中这8点的大小主应力均发生了变化，1～6号点位于上边坡变化量明显。由6号点的大主应力减小近479kPa可以说明，开挖在2 155 m平台处产生的卸荷强烈。在4级锚索施作完成后，坡体中某些部位的主应力发生了一定程度的改变，但均不甚明显，如2号点小主应力由在施加各级锚索前的444kPa变为478kPa，增加了约8%，但大主应力几乎没有变化。说明锚索锚拉力传递到围岩中，锚索起到了一定的加固坡体作用，但坡体的应力场改变并不明显。在2 133m和2 063m两个水位时，锚固体附近坡体应力场几乎不变，说明若不考虑水位骤然变化，则不同水位对锚索作用影响较小。

表1 模拟计算采用参数

表2 锚固段计算参数

表3 计算工况汇总

3.2 潜在滑面变化情况

图2 典型剖面代表性监测点位置示意

表4 代表性点在不同工况下的主应力 kPa

根据最大剪应变增量分布图，可以判断不同工况下的边坡潜在滑面变化特征(见表5)。由表5可见，随着边坡受荷工况的变化，坡体潜在滑面也在发生变化，在上边坡没有施作预应力锚索之前(库水位2 058m)，上边坡中存在潜在滑面，并一直延展到开挖平台以下一定深度，但施加锚索后，上边坡及边坡整体潜在滑面均不明显;当库水位达到2 133m时，因岩体强度较低，下边坡表层中产生潜在滑面，尽管上边坡中也有潜在滑面的特征，但其范围及变形值均较小，下边坡浅表层潜在滑面成为整个坡体此时的潜在最危险滑面。

3.3 开挖边坡锚索实施效果

由表5可见，锚索对上边坡潜在滑体的稳定性起到明显的改善作用，在库水位达到2 058m时，施加锚索后上边坡及整个坡体潜在滑面均不明显;但当库水位达到2 133m时，上边坡的预应力锚索对下边坡浅层的滑动没有明显的限制作用，在下边坡存在潜在最危险滑面。

根据锚索内力计算结果，在自由段锚索拉力约为1 400kN，在锚固段锚索拉力急剧减小，锚索充分发挥了锚拉作用。

表5 三种主要工况下坡体中潜在滑面对比

4 结 语

(1)边坡开挖后蓄水位到2 058m时，公路上边坡浅层(千枚岩夹砂岩T5－22z)中会产生最危险潜在滑面。施作预应力锚索后，锚索把作用力有效传递到坡体内部，坡体的变形特征发生一定程度的改变，饱和状态下上边坡及边坡整体潜在滑面均不突出。

(2)库水位在2 063m时，下边坡浅层岩体中存在潜在最危险滑面，上边坡中尽管也有潜在滑面的特征，但相对而言，下边坡潜在滑面稳定性更差。

(3)当库水位达到2 133m时，下边坡表层(千枚岩夹砂岩)中产生潜在滑面，成为整个坡体最危险滑面，稳定性最差，而上边坡及边坡整体深部滑面均不突出。

(4)边坡施加锚索后，在不同蓄水位情况下，若不考虑水位骤降作用，则设计的锚索可充分发挥锚拉作用，锚索的自由段锚拉力为1 400～1 500kN，在锚固段锚索拉力急剧减小，锚固段有效作用主要发挥在前5～7m范围内，砂浆与围岩之间最大剪应力为680～900kPa，可能在个别点处达到摩阻极限状态，但10m长的锚固段整体处于稳定状态。

(5)锚索施加后，锚固区附近坡体应力场有一定程度改变，受锚索锚拉作用方向所限，坡体最小主应力约增大8%，最大主应力变化很小。

(6)锚索的锚固作用对限制上边坡变形有一定的效果，但对下边坡稳定性的影响甚小，在蓄水位2 063m和2 133m时，下边坡浅表层存在潜在最危险滑面，主要位于表层千枚岩夹砂岩与砂岩的界面上偏坡体外部一侧。

(7)上边坡锚固区坡体应力场在锚固前后改变较小，在库水位为2 133m和2 063m时主要表现在下边坡中存在潜在滑面，位于浅层千枚岩夹砂岩()范围内。

(8)下边坡浅表层千枚岩夹砂岩滑坡前后锚索拉力、锚固段剪应力及锚固区域内坡体的主应力变化均较小。

［1］彭文斌.Flac3D实用教程［M］.北京:机械工业出版社，2008:1－3.

［2］陈勇河，周德泉.用Flac3D分析边坡的稳定性［J］.山西建筑，2008，34(22):18 －19.

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