预应力锚索框格梁加固岩质边坡的数值模拟研究

(1.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全技术研究中心，江西 南昌 330029)

近年来，位于高山峡谷地区的大型水电工程建设项目日益增多,这些工程往往岸坡陡峻，为了布置枢纽建筑物以及施工的需要，势必会因为开挖形成高陡边坡， 由此也带来诸多工程问题，为减少和防止此类边坡事故的发生，保证工程建设的顺利进行和施工人员的安全，有必要加强开挖岩质边坡的监测和稳定性方面的研究。

针对加固后岩质边坡稳定性问题，国内外很多学者都作了相关研究，夏元友等[1]研究了摩擦耗能对预应力锚索加固边坡的稳定性影响。李新坡等[2]通过概化锚固体作用从而推导出新的锚固加固边坡安全系数的新方法。黄润秋等[3]采用FLAC3D软件三维建模深入探讨顺层边坡的破坏机理。鲁渝等[4]将极限平衡法与刚度折减法对比，研究两种方法研究边坡稳定性存在的差异，结果表明两者吻合效果较好。何思明等[5]分析了不同开挖方式、强度参数对预应力锚索作用下的岩质高边坡的影响。

本文以峡江水利枢纽工程右岸开挖高边坡为背景，通过边坡岩石的室内外试验，获取岩石力学参数，结合数值模拟结果及现场监测数据对锚索框格梁加固岩质边坡的效果及降雨对边坡稳定性影响进行研究，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

峡江水利枢纽工程地处赣江中游峡江县老县城上游峡谷河段，见图1，边坡(K0+000、K0+017.949、K0+022.489)位于峡江右坝肩，切坡高度约70m，边坡走向0°N～30°W，平面上略呈弧状。据监测资料显示，自2013年5月，滑坡体裂缝变形最大为K1、K2点(位于坡顶)，分别为19.35mm、17.94mm，坡顶拉张裂缝随时间推移，变形有所增大，截至2015年12月，滑坡体K1、K2处裂缝变形达31.54mm、51.29mm，之后边坡裂缝变形趋于稳定，边坡平面见图2。

图1 边坡现场情况

图2 边坡平面图

2 设计加固措施

设计中分别于边坡高程61m、66m、71m、81m和96m处设马道，其中71m高程处马道宽度5m，其他马道宽2m，高程66m马道以上设计坡比1∶1.25，高程66m马道以下设计坡比1∶1，对滑坡体高程96m马道以上的边坡及其上游侧高程71m马道以上边坡进行削坡减载处理，设计坡比1∶1.5，以下设计坡比1∶1.25，边坡开挖达设计坡比后，对该段滑坡体进行预应力锚索框格梁加固处理，并采取截排水、喷播草灌等综合治理措施。锚索水平间距4.4m，垂直间距2.5m，俯角10°，其中1～ 2级锚索长30m , 3级锚索长35m , 4级锚索长45m，5级锚索长50m，锚固段均为10m，锚索孔径130mm，每孔含有5根φ15.2的钢绞线，预应力锚索设计的锚固力标准值及锁定值分别为600kN和500kN。支护方案详图以K0+022.489为例，见图3。

图3 边坡典型断面支护示意

3 边坡降雨入渗模拟

降雨作用下岩体抗剪强度降低，地下水位抬高使得孔隙水压力升高，对边坡的稳定性造成极大的影响，尤其是已经出现裂缝的边坡。为预测边坡稳定性，文中通过设置孔隙水压力变化和地下水位以上岩土体饱和度变化来模拟实际降雨情况。

3.1 计算模型

利用ABAQUS软件对预应力锚索框格梁支护的岩质边坡进行三维有限元分析，为有效地消除边界效应的影响，从而达到本文研究的目的，建模中选用的模型尺寸和模型示意见图4，其中：选择三维实体单元、莫尔-库仑理想弹塑性材料模拟岩土体；采用三维实体单元模拟混凝土框格梁；采用三维线单元模拟锚索；本构模型均选用弹性模型；框格梁与岩体之间采用摩擦接触，摩擦系数取0.5；锚索与框格梁之间采用绑定约束，与岩体之间采用嵌入约束；锚索预应力利用“降温法”实现；用ABAQUS中生死单元功能实现锚索及框格梁的施加。边界约束上，模型的四周边界施加法向位移约束，底部边界施加水平和竖向位移约束，坡面保持自由。

图4 有限元模型示意(单位：m)

3.2 强度折减法

采用强度折减法，通过对原有裂缝区域的岩体内摩擦角和黏聚力进行折减[6]，模拟裂缝情况。裂缝区域内摩擦角及黏聚力变化情况，具体见式(1)～式(2)。

cF=c/Fs

(1)

φF=tan-1(tanφ/Fs)

(2)

式中cF——折减后虚拟的黏聚力，kPa；

φF——折减后虚拟的内摩擦角,(°)；

Fs——折减系数。

3.3 物理力学参数

结合水利水电行业有关规程、规范要求，对边坡岩土体进行现场及室内试验等工作，得出的岩土体、框格梁、锚索物理力学参数见表1、表2。

表1 岩土体物理力学参数

表2 框格梁、锚索物理力学参数

4 计算结果与分析

4.1 锚索应力、边坡裂缝变化

基于边坡21、22号孔2010—2017年锚索应力监测结果，结合数值分析计算得出的加固后边坡的锚索应力变化情况进行对比分析。图5、图6分别为采用锚索框格梁加固边坡后，21号、22号孔锚索应力随时间的变化计算曲线和现场实测曲线。总体来看，有限元计算结果提取的锚索应力变化与现场监测结果的锚索应力变化趋势基本一致，计算结果值整体大于现场实测值，这与实际情况中预应力锚索存在应力损失情况相符。

由图5可知，21号孔锚索应力实测值先增加后逐渐减小，最后趋于稳定；由图6可知，22号孔实测值呈明显下降趋势，而后趋于稳定。可推断，在21号孔锚索附近，裂缝一段时间内还在逐渐增加，之后趋于稳定；22号孔锚索附近的边坡治理对抑制裂缝宽度的增加起到了较为明显的效果。由此可知采用锚索框格梁治理边坡达到了一定的效果。

图5 21号孔锚索应力变化曲线

图6 22号孔锚索应力变化曲线

4.2 边坡裂缝变化

图7为对边坡进行加固处理之后，21、22号孔锚索附近的裂缝宽度监测情况(监测时间为2011年8月至2016年年底)。由图7知，21号孔锚索附近的裂缝宽度增长较大，且持续增长的时间较长；孔22附近裂缝宽度在很短时间内增加至某一值后，裂缝宽度实测值基本趋于稳定。总体来看，21号、22号孔锚索应力变化均与裂缝变化时效保持一致。

图7 边坡治理后孔21、孔22周边裂缝宽度扩展实测曲线

4.3 降雨条件下裂缝变化

为了便于分析该斜坡变形位移量的变化，在数值模型中的潜在变形岩体表面设置JC-1监测点，在等降雨强度持续72h条件下，分别将降雨入渗强度设置为0.02m/h和0.01m/h，通过数值计算得出监测点的水平位移值，绘制等强度持续时间72h下监测点水平位移与降雨强度曲线图，以此分析裂缝宽度的变化规律，见图8。

图8 监测点水平位移随降水时间变化曲线

从图8可知，在9h以内，不同入渗强度下的监测点水平位移为0；9～18h内，不同入渗强度下的监测点水平位移变化基本一致；18～54h内，入渗强度为0.02m/h时的监测点水平位移与入渗强度为0.01m/h的监测点水平位移差约5mm；54h后，入渗强度为0.01m/h时监测点水平位移出现陡增然后保持稳定，而入渗强度为0.02m/h时的监测点水平位移仍在继续增长。由此可知，随着降雨持时的增长，坡顶水平位移逐渐增大，且降雨入渗强度越大，对边坡影响越大。由此可知，强降雨对该边坡影响较大，对于出现裂缝的边坡应做好防水措施，降低雨水的入渗速率。

5 结 语

本文以峡江水利枢纽工程岩质边坡治理工程为背景，结合ABAQUS有限三维数值分析法及现场监测结果对锚索框格梁治理边坡效果进行了分析讨论，同时研究了降水强度对该边坡滑移的影响，得出如下结论：

a.采用锚索框格梁治理的边坡，锚索应力随时间的推移变化较大，但最终趋于稳定，且上下浮动不大，锚索应力值变化与裂缝宽度变化相呼应。

b.现场实测裂缝情况表明，裂缝最后趋于稳定，锚索框格梁治理边坡起到了良好的效果。

c.带裂缝工作的边坡受降雨强度、降雨持时影响较大，随着降雨强度的增加、降雨持续时间的增长，坡顶水平位移逐渐增大。

d.降雨对带裂缝工作的边坡影响较大，对出现裂缝的边坡应做好防降水措施或设置合理的排水措施，降低渗流速率。