基于结构面组合分析的系统锚杆参数优化设计

罗延婷 刘振红 魏杰 王耀邦

摘要：为了使系统锚杆对高陡岩质边坡的加固支护作用最有效，以系统锚杆加固的岩体边坡为研究对象，提出基于结构面组合分析的高陡岩质边坡系统锚杆参数优化设计的方法。采用结构面组合分析—确定最优不利结构面—确定最优锚固角—确定最优锚杆长度的设计流程，对黄藏寺水利枢纽左坝肩高陡岩质边坡的系统锚杆参数进行优化设计，通过刚体极限平衡法计算，经参数优化后的系统锚杆，其支护的岩质边坡的稳定系数最大。该方法充分考虑了岩体不同产状的结构面，通过其设计的系统锚杆对开挖边坡的支护作用效果最优，使系统锚杆支护设计更科学、更安全、更经济。

关键词：高陡岩质边坡;系统锚杆;人造结构面;黄藏寺水利枢纽;黑河

中图分类号：U455.7⁺1;U213.1⁺58 文献标志码：A

公路、铁路、水利、电力等工程建设很多需要人工开挖边坡，尤其是大型水电工程，无法回避高陡岩质边坡问题，拱坝、重力坝的理想坝址V形河谷更是深切河谷复杂地质条件的代表性河谷形态，其内在的地质成因决定了复杂的地质特性和工程建设的特殊难度[1]。

在岩质高边坡的开挖支护中，锚杆支护一般是不可或缺的。边坡支护锚杆可分为预应力和非预应力两大系列。不少学者对锚杆支护进行过深入研究，取得了大量成果。刘佳龙等[2]对非预应力锚杆的长度和角度进行了优化设计;林杭等[3]通过FLAC3D建立数值模型，对锚杆长度和角度对边坡稳定性的影响进行了研究，认为锚杆加固时存在有效锚固长度和最优锚固角;张良发[4]研究了锚杆参数优化对开挖边坡加固的影响。但是文献[2-4]所支护的边坡均为简化的各向同性的均质岩体，没有考虑岩体结构中不利结构面组合的影响。宋胜武等[1]侧重于研究高陡边坡深层稳定的分析及加固设计。洪海春[5]研究了单孔多筋全长黏结式长锚杆的长度、直径对锚固性能的影响，未考虑岩体结构。郑军辉[6]研究了部分锚杆失效时边坡加固方法。陈勇[7]研究了大锚杆加固顺层岩质边坡的工程地质技术。张宁[8]通过模型试验研究了锚杆对三维裂隙岩体的加固止裂效应。龙照等[9]推导了预应力锚杆的临界锚固长度的简化计算方法。渠时勤等[10]根据预应力锚杆破坏受力情况分析，提出锚杆锚固段合理设计长度。林杭等[11]研究了锚杆长短相间布置形式对边坡稳定性的影响，其支护的边坡为均質土坡。朱晗迓[12]研究了通过预应力锚固技术对破碎岩质边坡进行加固的技术可行性。陈永贵等[13]提出采用预应力锚杆加固、挂网喷射混凝土护坡的治理措施，可以增强边坡的整体稳定性。唐秋元等[14]提出岩石边坡锚杆不同计算方法的总锚固力从大到小为极限平衡法>强度折减法>等效内摩擦角法>数值分析计算法>侧向岩石压力法>剩余下滑力法。

系统锚杆属于非预应力锚杆，其作用是加固岩质边坡的浅表层。根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086-2015）[15]，不同类型工程的非预应力锚杆设计参数可根据地层条件按经验或稳定性分析确定。根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）[16]，岩质边坡的非预应力系统锚杆的孔向宜与主要结构面垂直或呈较大夹角。在实际的开挖支护中按经验值确定锚杆设计参数经常会产生锚杆支护失效的情况。若根据地层条件按稳定性分析确定，同样会产生锚杆支护失效的问题。

本文结合在建的黄藏寺水利枢纽工程，针对左坝肩高陡岩质边坡系统锚杆支护中存在的问题，提出基于结构面组合分析的高陡岩质边坡系统锚杆参数的优化设计方法。

1 研究对象

黄藏寺水利枢纽坝址位于青海省祁连县黄藏寺村下游约11km的黑河干流上，坝址控制流域面积7648km²，水库总库容4.03亿m³，电站装机容量49MW，属于大（2）型综合利用水利枢纽工程，被列入国家172项重大节水供水工程。

大坝坝高123m，两岸山体浑厚，基岩为寒武系中统的绿泥石白云母石英片岩，属中硬岩。河谷狭窄，呈V形，右岸坡度为45～°60°，左岸更为陡峻，坡度为60°～80°。大坝边坡的级别为2级，两坝肩高陡岩质边坡开挖支护方式为自上而下、分区、分级、分块开挖并及时支护。左坝肩边坡开挖高度约239m，开挖边坡2666m高程以上采用每15m布置一级2m宽马道，2666m高程以下每20m布置一级2m宽马道。左坝肩边坡开挖设计平面见图1。

左坝肩高陡边坡分区分级开挖的支护参数为：

（1）L0开挖区大坝建基面范围内边坡，喷5cm厚M25F200砂浆，待坝体混凝土浇筑前将所喷砂浆清除干净;

（2）L1开挖区喷0.1m厚混凝土，挂钢筋网Φ8mm@0.2m，普通水泥砂浆锚杆Φ25mm、间排距2.5m、锚固角为10°、长度6m;

（3）L2开挖区除喷锚支护外，局部采用随机锚索支护，锚索型式、位置、间距根据现场开挖揭示的地质情况进行调整;

（4）L3开挖区为上覆土质边坡，开挖坡比为1：1.35，采用混凝土格构植草支护。

本文的研究对象为黄藏寺水利枢纽左坝肩高陡岩质边坡Ll和L2开挖区的系统锚杆的设计参数。L1和L2开挖区均为岩质边坡，设计开挖边坡坡比为1：0.5和1：0.75，均采用系统锚杆加挂网喷混凝土的支护措施。

2 结构面组合分析，确定最优不利结构面

统计分析左坝肩边坡的159个原生结构面，同开挖边坡（人造结构面）进行组合，结合稳定性计算分析，确定相对于开挖边坡的最优不利结构面。L1和L2开挖区设计开挖边坡类型有3种，将开挖边坡按人造结构面考虑，则可换算成3种（表1）。以节理面与人造结构面2为例进行组合分析，另外两种人造结构面的组合分析方法同此。

2.1 建立设计开挖边坡的计算模型，锁定不利节理面范围

模型坡高按一级开挖15m的高度考虑，人造结构面2的产状为160°∠63°，假定节理面与人造结构面2构成了不利组合，a为节理面与人造结构面2的视夹角（图2）。通过调整视夹角的范围来确定对人造结构面2不利的节理面的范围，分别取视夹角a为5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°，采用刚体极限平衡法进行天然工况下的稳定性计算，计算参数取值：①片岩岩体容重N=27kN/m³、黏聚力c=0kPa、摩擦角φ=40°;②节理面黏聚力c=2kPa、摩擦角φ=30°;③锚固段锚杆直径76mm，配筋1E25，筋浆强度f_b=1000kPa。计算结果见表2。

由计算结果可知，随着视夹角增大，人造结构面2与节理面组合的边坡稳定系数逐渐增大，视夹角a小于30°时，稳定系数小于1。因此，需要从159个节理面中筛选出与人造结构面2的视夹角小于30°的节理面，该范围的节理面对于开挖岩质边坡来说属于不利节理面，筛选的19个节理面见表3。

2.2 从不利节理面中确定最优不利节理面

视夹角越小，人造结构面2与节理面组合的边坡稳定系数越小，虽然最不利于边坡稳定，但系统锚杆对这种视夹角小的开挖边坡的支护作用最强，因为每一根锚杆都能嵌人节理面以内的稳固岩体中。当视夹角增大时，上部没有嵌入节理面以内稳固岩体的锚杆的数量会增多。可见，系统锚杆支护的有效性就体现在使尽可能多的锚杆嵌人节理面以内的稳固岩体中。

系统锚杆能有效加固视夹角大的不稳定开挖边坡，则必定能加固视夹角小的不稳定开挖边坡。因此，相对于人造结构面2的系统锚杆支护的最优不利节理面为最接近视夹角300的节理面，即j4、产状180°∠36°。

利用相同的分析方法，确定相对于人造结构面1的系统锚杆支护的最优不利节理面产状为115°∠33°，相对于人造结构面3的系统锚杆支护的最优不利节理面产状为130°/∠37°。

3 确定最优锚固角

通过结构面组合分析方法确定了3种最优不利节理面。以人造结构面2与其对应的最优不利节理面（180°∠36°）的组合分析为例，确定最优锚固角。

将图2中的节理面用相对于人造结构面2的系统锚杆支护的最优不利节理面（产状180°∠36°）替换，计算参数不变，系统锚杆的间距固定为2.5m不变。假如系统锚杆足够长，每一根锚杆都能嵌人到稳定岩体中，则任何锚固角度均能起到较好的支护效果。只有当锚杆长度相对短时，才能显示锚固角的改变对支护作用的影响。为此，取系统锚杆长度为6m，以确定最优锚固角。分别计算锚固角为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°时的稳定系数，计算工况为天然工况，结果见表4和图3。

由计算结果可知，随着锚固角的增大，稳定系数呈抛物线变化，峰值处的稳定系数为1.018，对应的锚固角为25°，即为最优锚固角。

采用相同的分析方法确定开挖边坡1系统锚杆的最优锚固角为23°，开挖边坡3系统锚杆的最优锚固角为25°。

4 确定最优锚杆长度

稳定性计算中将开挖边坡2系统锚杆的锚固角设定为最优锚固角25°。非预应力锚杆作为系统锚杆时，长度可为3～15m[16]，计算系统锚杆长度为3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15m時的稳定系数，计算工况为天然工况，结果见表5和图4。

由计算结果可知，系统锚杆的锚固角设定为最优锚固角25°时，稳定系数随锚杆长度的增大不断增大，锚杆长度达到11m时，稳定系数达到最大，再继续增加锚杆长度时，稳定系数保持不变，该锚杆长度为峰值锚杆长度，边坡的稳定系数为1.159，满足规范中持久工况安全系数为1.25～1.15的要求，因此该锚杆长度为最优锚杆长度。

利用相同的分析方法，确定开挖边坡1和开挖边坡3系统锚杆的最优锚杆长度分别为9m和6m。

5 系统锚杆参数优化设计的效果对比

黄藏寺水利枢纽左坝肩高陡岩质边坡L1和L2开挖区系统锚杆的原设计参数为锚杆025mm、间排距2.5m、锚固角为10°、长度6m。经过优化后的系统锚杆设计参数分为3种：

（1）开挖边坡1（人造结构面1，产状125°∠63°）系统锚杆参数为锚杆Φ25mm、间排距2.5m、锚固角为23°、长度9m;

（2）开挖边坡2（人造结构面2，产状160°∠63°）系统锚杆参数为锚杆Φ25mm、间排距2.5m、锚固角为25°、长度11m;

（3）开挖边坡3（人造结构面3，产状160°∠63°）系统锚杆参数为锚杆Φ25mm、间排距2.5m、锚固角为25°、长度6m。

按系统锚杆原设计参数和经过优化后的设计参数分别对3种开挖边坡进行稳定性计算，考虑天然和地震两种工况，计算结果见表6。

由表6可知，原设计的系统锚杆对开挖边坡浅表层的支护效果是明显的，在天然状态下，将不稳定的浅表层边坡的稳定系数提高到1.0以上。在不改变原设计锚杆长度的前提下，改变锚固角至最优锚固角，则其稳定系数进一步提高，开挖边坡3甚至满足了规范要求的安全系数。如果采用优化后的系统锚杆设计参数进行支护，则天然工况下3种开挖边坡的浅表层边坡的稳定系数均大于1.15，满足规范《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）的要求，对浅表层边坡的支护作用显然最有效。

6 结语

为了使系统锚杆对高陡岩质边坡的加固支护作用最有效，以岩体边坡为研究对象，提出了基于结构面组合分析的高陡岩质边坡系统锚杆参数优化设计方法。其设计流程为结构面组合分析一确定最优不利结构面一确定最优锚固角一确定最优锚杆长度。通过对黄藏寺水利枢纽左坝肩高陡岩质边坡系统锚杆参数进行优化设计，使系统锚杆加固后岩质边坡稳定系数最大。该方法可对高陡岩质边坡的系统锚杆进行科学合理的预设计及动态设计，对开挖岩质边坡产生最有效的支护作用。

参考文献：

[1]宋胜武，向柏宇，杨静熙，等.锦屏一级水电站复杂地质条件下坝肩高陡边坡稳定性分析及其加固设计[J].岩石力学与工程学报，2010，29（3）：443-458.

[2]刘佳龙，贺雷，冯自霞，等.岩质高挖方边坡锚杆参数优化设计研究[J].岩土力学，2016，37（增刊2）：376-396.

[3]林杭，钟文文，熊威，等.锚杆长度与边坡坡率对最优锚固角的影响[J].岩土工程学报，2014，36（增刊2）：15-19.

[4]张良发.锚杆参数优化在开挖边坡加固中的应用研究[J].资源与环境工程，2011，25（3）：249-251.

[5]洪海春.边坡岩体锚固性能研究及其工程应用[D].南京：河海大学，2007：6-15.

[6]郑军辉.部分锚杆失效时边坡加固方法[D].重庆：重庆大学，2014：9-21.

[7]陈勇.大锚杆加固顺层岩质边坡的工程地质技术[D].成都：西南交通大学，2006：17-33.

[8]张宁.锚杆对三维裂隙岩体加固止裂效应试验研究[D].济南：山东大学，2009：3-17.

[9]龙照，赵明华，张恩详，等.锚杆临界锚固长度简化计算方法[J].岩土力学，2010，31（9）：2993-3011.

[10]渠时勤，黄忠木.锚杆锚固段合理设計长度分析[J].重庆交通学院学报，2000，19（3）：95-108.

[11]林杭，陈宝成，范祥，等.锚杆锚固段合理设计长度分析[J].中南大学学报（自然科学版），2015，46（2）：626-630.

[12]朱晗迓.破碎岩质边坡锚固技术研究[D].杭州：浙江大学，2005：15-50.

[13]陈永贵，邹银生，杨天春，等.三峡库区岩质边坡稳定性分析与防治工程设计[J].地下空间与工程学报，2005，1（7）：1002-1004.

[14]唐秋元，赵尚毅，郑颖人，等.岩质边坡锚杆设计计算方法分析[J].地下空间与工程学报，2010，6（6）：1277-1280.

[15]中华人民共和国住房和城乡建设部.岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范：GB50086-2015[S].北京：中国计划出版社，2016：12-32.

[16]中华人民共和国水利部.水利水电工程边坡设计规范：SL386-2007[S].北京：中国水利水电出版社，2007：2-17.