某水电站厂房边坡施工方案的讨论

王 欢 漆文邦 张江潮

（四川大学水利水电学院 四川 成都 610065）

1 引言

预应力锚索与钢筋混凝土格构梁复合结构是一种将格构梁与锚固工程相结合形成的一种新型的支挡结构。由于钢筋混凝土格构梁与坡面接触面积较大，而与格构梁相连接的预应力锚杆的深层加固效果很好，二者结合，使得预应力锚杆格构梁既可保证深层的加固又可兼作浅层护坡。现如今，关于结构与边坡岩土体相互作用机理的研究大多数采用数值离散法和解析法[1,2]。许英姿等[3]采用WINKLER弹性地基梁理论和三维有限元法模拟加固过程中格构梁、土体应力应变场的演化过程，提出格构梁和预应力锚索的优化设计方案。方理刚等[4]对各种横观各向同性岩体边坡与预应力锚索框架梁相互作用进行参数研究，提出层理的方向性对支护结构影响的规律。朱大鹏等[5]探讨预应力加载时格构梁内力的变化特征及锚固力在格构纵横梁上的分配规律。但是对于实际工程中拆除格构横梁及压力钢管的安装对预应力锚索格构梁和边坡岩体稳定性的影响分析的文章尚少，本文依托某小型水电站的压力钢管的安装，通过在梁单元结点上加弹簧单元来近似模拟弹性地基的作用[6-7]，从多方面探讨分析了格构梁前后的位移及最大主应力的变化，不仅为本工程方案的可行性提供了支撑，也为相似的实际工程处理提供了科学依据。

2 Winkler弹性地基原理

弹性地基梁理论的关键是如何考虑土和结构相互作用，从而有效地模拟二者的接触性状，目前在工程实践中大量使用的模拟方法是基床系数法，即Winkler方法。

当受锚固预应力荷载的作用时，格构纵横梁压在边坡体上，同时岩体坡面对梁产生反作用力。因此，可以视格构梁为作用于地基上的弹性梁，且受到若干锚固力和基底反力的作用。预应力锚索格构梁的力学模型如图1所示。

图1 Winkler地基梁模型

3 工程实际

3.1 工程概况

图2 格构梁图

表1 模型计算参数

某工程位于阿坝州黑水县小黑水河流域境内小黑水河下游段，规划梯级开发工程的上游一级电站。水电站厂房后边坡开挖后，坡角为52°，采用锚索加固、格构梁以及喷混凝土处理方式。但由于边坡覆盖层处理不平整以及格构横梁施工不平行等原因，格构横梁的中心不在一条直线上且相距甚远，致使后续压力钢管无法正常的安装。根据现场测量结果，如果按照原设计进行压力钢管的安装，压力钢管底部势必会穿过部分格构横梁，现对格构横梁从上到下依次标号#1～#10，下文的施工方案主要是两个步骤：（1）拆除#2～#5格构横梁，（2）进行压力钢管的安装，设计图及现场图片见图2。

图3 三维有限元计算模型图

图4 格构梁的位移变化

图5 格构梁主应力变化

图6 锚索最大主应力变化

3.2 数值模型的建立

下文采用ABAQUS有限元软件，对工程厂房后边坡进行建模，三维有限元计算模型见图3。格构梁和锚索本构关系采用线弹性模型，而边坡土体本构关系采用莫尔库仑理想弹塑性模型。通过在梁单元结点上加弹簧单元来近似模拟弹性地基的作用。锚索的预应力为600kN，对于锚索的模拟是将锚索单元节点通过插分形式嵌入到岩土单元中，一起参与有限元的迭代计算，采用T3D2单元模拟。格构梁的截面为0.4m×0.4m矩形截面，跨距5m，结合模型计算参数，根据公式（2）确定的弹簧系数k为89.1MPa。格构材料为C25混凝土，锚索、格构梁及边坡土体计算模型参数如表1所示。对于压力钢管的模拟并不进行实际建模，而是简化为在镇墩和支墩上施加等效的作用力。

3.3 计算结果

（1）锚索和格构梁的位移及主应力的变化

对格构横梁从上到下依次标号#1～#10，由于其为左右对称结构，故以格构横梁和纵梁交界处为研究对象，拆除#2-#5格构横梁和安装压力钢管前后的格构梁的位移变化情况见图4，可以看出，位移值的数量级是10-3，格构梁从上到下位移值逐渐减小，拆除#2-#5格构横梁位移值基本保持不变，施加压力钢管后位移值有所增大，但变化幅度较小，保持从上到下位移值逐渐减小的规律，说明前后格构梁位移变化稳定。

图5反映了拆除#2-#5格构横梁和安装压力钢管前后格构梁的最大和最小主应力情况。格构梁的浇筑材料为C25混凝土，根据规范可知，C25混凝土的抗压强度标准值为16.7MPa，抗拉强度标准值为1.78MPa。对比三种状态可以看出，拆除#2～#5格构横梁后混凝土的受拉和受压强度均有上升，这是拆除工艺破坏了格构梁的整体性，作用面积减小导致；安装压力钢管后混凝土的受拉强度进一步提升，而受压强度却有所降低。综合三种状态，格构梁的最大主应力为1.282MPa，最小主应力为-4.897MPa，处于C25混凝土拉压强度标准值之间，说明拆除#2～#5格构横梁和安装压力钢管均未对格构梁产生破坏性影响，在适当的施工拆除方式和钢筋截断面防护的处理后，拆除格构横梁#2～#5是可行的。

由上面分析可知，格构横梁#2～#5的拆除对格构梁的位移和主应力的影响较小，故下文为缩减篇幅，单独的格构横梁#2～#5的拆除的状态分析就不再赘述，着重对比分析方案施工前后的变化。图6给出了方案施工前后锚索的最大主应力的变化情况。可以看出，施工前锚索最大主应力为0.3105MPa，而施工后变为0.3628MPa，最大主应力略有增大，增大幅度为16.8%，就整体最大主应力分布而言，值稍有增加，但幅度较小，锚索处于稳定状态。

（2）边坡位移及最大主应力的变化

图7、8反映了方案施工前后边坡位移及最大主应力的变化情况，可以看出，位移和最大主应力较施工前均有减小的趋势，最大位移值由之前的0.02238变为0.02155，最大主应力的最大值由之前的0.09034MPa变为0.08876MPa，两者的变化均不明显，并且土体大部分区域处于均匀受压状态，沿安装管线的土体受压强度稍有提升，因此施工方案对边坡的稳定影响很小，方案可行。

综合以上模型计算分析结果可知，在拆除#2～#5格构横梁和压力钢管安装前后，格构梁的位移及应力、锚索的应力和边坡的位移及应力的分布情况变化都较小，处于稳定安全的状态，说明设计的施工方案可行。

图7 边坡位移变化

图8 边坡最大主应力变化

3.4 拆除工艺

格构横梁的拆除属于小体积范围内的钢筋混凝土拆除，为了尽量不对结构和山体造成扰动，可采用液压破碎钳环保拆除钢筋混凝土[9]。液压破碎钳主要优点是操作灵活、效率高，而且能剥除或切割钢筋，其突出优点为施工时噪音低，振动小，对本工程边坡产生的干扰小，采用这种方式是可行的。液压钳粉碎混凝土的工作原理，是液压驱动机构咬合粉碎坚硬的混凝土块体，达到分割解体混凝土构件的目的。整个操作过程是低噪音、无振动的进行工作的，是一项无噪音污染和无振动影响的粉碎解体混凝土构件的工艺方法。

3.5 断面裸露钢筋的处理方法

由于格构梁为钢筋混凝土结构，拆除横梁中部后，必然导致钢筋暴露在空气中，因此还必须对横梁出露端进行相应的处理，防止钢筋生锈，影响结构安全。由于本工程格构横梁切除之后对裸露的钢筋作出相应的处理，后期不会再启封对钢筋进行施工，因此建议选用灌制低标号混凝土将钢筋包裹在内，也即是保护钢用低标号混凝土将钢筋包裹在内。加入钢筋阻锈剂更能确保长期的防锈性。但本方法的缺点也是明显的—再行施工时必须将低标号混凝土全部清除。

4 结论

本文基于格构梁弹性假设及Winkler弹性地基模型原理，依托某小型水电站的压力钢管的安装方案，通过Abaqus数值模拟平台和拆除工艺、裸露钢筋的锈蚀与防护技术等多方面的知识来论证方案的可行性，得到以下结论：（1）在具体的工程要求的，起到边坡浅层防护作用的格构横梁是可以部分拆除的；（2）合理的压力钢管安装不会影响锚索的应力状态和边坡的稳定性，相反沿安装管线的土体因受到钢管的压力作用，还会略提高相应部分的土体稳定性；（3）液压破碎钳的拆除工艺对工程边坡产生的干扰小，浇筑混凝土将钢筋包裹能起到较好的防腐蚀作用。陕西水利

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