万里水库库岸荷载边坡塌方与微型桩支护措施研究

2022-09-27张乾坤

陕西水利 2022年10期

张乾坤

（1.泽州县水务局,山西泽州 048000； 2.泽州县水利发展中心,山西泽州 048000）

0 前言

目前边坡支护施工经验较为丰富,支护效果满足要求,为了进一步研究边坡支护的效果,学者们进行了深入研究,张振海[1]通过经济、美观、边坡稳定性对边坡的支护方案进行了研究,此研究方法可为现阶段边坡支护方案进行补充和参考。刘琼等[2]分析有关区间属性值与区间数权向量的关联度,以此对边坡的支护方案进行优选,对支护方案效果进行了评价。董建华等[3]对冻土区边坡土钉支护的效果进行了研究,研究结果表明耦合计算土钉的受力是合理的,此研究方法可为土钉支护设计提供参考。桑伟宁等[4]对原千枚岩地区高边坡开挖中设计采用预应力锚索+抗滑桩进行支护,此方案达到了良好的支护效果。张东[5]对某高速边坡的水平位移、竖向位移和安全系数进行了研究,研究结果表明在暴雨工况下边坡的稳定性会逐渐降低,滑动面会慢慢生成,可考虑采用柔性材料进行边坡支护。

然而以上的研究主要是考虑常规边坡的稳定性,而对于有外加荷载的边坡没有考虑到,因此本文结合一外荷载边坡,且此边坡坡脚处已发生了微小位移（裂缝）,采用微型桩+锚杆进行支护,利用MIDAS GTS数值模拟软件对外荷载边坡的沉降和位移、稳定性进行分析。

1 工程概况

万里水库位于山西省泽州县下村镇万里村西北的长河支流上,属于黄河流域,坝址以上控制流域面积7.23 km2,大坝为均质土坝,最大坝高15.2 m,总库容51万m3,是一座以防洪、灌溉为主的小（2）型水库。流域内水土流失严重,土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主,平均侵蚀模数为3900 t/（km2·a）。库岸坡顶处建有一座管理房屋,因水土流失导致房屋略有倾斜,经观察在坡脚发现裂缝,边坡有塌方迹象。

2 工程地质

该边坡位于山西省万里水库,见图1,边坡高68 m,长138 m。此边坡坡顶处建有一座房屋,房屋略有倾斜,经观察在坡脚A点处发现裂缝。结合现场勘察情况可知,边坡从上至下依次由风化土、风化岩和硬岩组成。岩土体的物理力学参数见表1。

图1 坡体支护措施图（尺寸单位：m）

表1 岩土体物理力学参数

因为坡脚A处已出现明显裂缝,须紧急对边坡进行防护,即对A点处进行灌浆处理,坡体支护措施选择微型桩,桩截面面积为0.0314 m2,弹性模量800 MPa,泊松比为0.32,经试算,数值模拟中微型桩接触面法向刚度和切向刚度均为1×104MPa,桩长为16 m；微型桩进行支护后随即进行锚杆的支护,锚杆共计布置7根,纵向间距为3 m,锚杆长度为8 m,锚杆与水平面夹角为13°；待锚杆布置完成以后于坡面喷砼,砼为C10,厚度为0.15 m。

3 数值模拟

3.1 模型的参数

利用MIDAS数值模拟软件对此边坡进行数值模拟研究,研究的重点是在暴雨工况下边坡的支护措施是否有效,裂缝是否得到了有效的控制。因为本文的研究重点在于微型桩组合结构的支护效果,所以暂不考虑土拱效应[6-9]。

房屋的重量约为5吨,数值模拟中将房屋等效为均布荷载,经过室内实验可知,数值模拟中将房屋等效为2×104kN/m,锚杆的弹性模型为2.19×108kN/m2,泊松比为0.21,容重为76.1 kN/m3。数值模拟中为保证力传递的有效性,将风化土、风化岩和硬岩的尺寸划分统一为1 m,锚杆以每2 m进行尺寸划分、微型桩以每1.5 m进行尺寸划分。

因为边坡所在区域地震加速度为0.05g,所以暂不考虑地震的影响,于是最不利的工况应当是暴雨工况下的边坡稳定性问题了。数值模拟中暴雨工况取近15 年最大单日暴雨值,数值模拟中共计363326 个单元,427398 结点,数值模拟计算至边坡稳定时停止。

3.2 位移分析

数值模拟计算结束后,边坡的整体位移和沉降位移X方向的位移见图2～图4。

图2 边坡的整体位移（单位：m）

图4 边坡的X方向位移（单位：m）

由图2可知,边坡95.9%的整体位移几乎为0,仅0.5%的风化土位移接近3.8 mm,剩余风化岩位移不超过2 mm,满足边坡稳定性的要求,说明微型桩+锚杆的支护形式是达到了保持边坡稳定的目的。

由图3可知,边坡93.3%的整体沉降也几乎为0,最大风化岩沉降为1.8 mm,此部分风化岩仅占边坡的0.8%,剩余风化岩沉降远小于2 mm,说明沉降也控制在合理的范围内。

图3 边坡的沉降位移（单位：m）

由图4可知,边坡88.4%的X方向位移也几乎为0,最大风化岩X方向位移为2.9 mm,此部分风化岩仅占边坡的0.1%,剩余风化岩X方向位移远小于2.6 mm,说明X方向位移也控制在合理的范围内。

由图2～图4可知,边坡的整体位移、沉降位移和X方向位移均控制在工程允许的范围内,且边坡的位移主要集中于坡面,说明坡面是防护的重点,应当加强坡面的防护。

3.3 稳定性分析

利用拆减系数法,对暴雨工况下边坡的稳定性进行分析,见图5和图6。

图5 暴雨工况下边坡的稳定性

图6 暴雨工况下边坡的虚似滑面

因为边坡所处区域近15 年没发生过3.0 以上的地震,因此暂不考虑地震对边坡的影响,而重点考虑暴雨工况下边坡的稳定性。如图5 所示,边坡的稳定性为1.72,按照边坡支护的规定,支护后的边坡稳定性须控制在1.3～1.6,此稳定性系数达到要求的同时,甚至略微超过安全性系数,满足工程稳定性的要求。另一方面此坡体应力集中区依然位于坡面,但滑动面并没有贯通,此结果与位移结果相对应。

利用MIDAS GTS进一步搜索最危险的滑动面,见图6,边坡的应力集中区位于锚杆支护区,说明锚杆的布置位置是准确的,且经过验算锚杆的长度也是符合要求的。说明微型桩+锚杆的组合结构支护形式是达到治理边坡稳定性的目的了。

3.4 边坡防护

水库防护林绿化工程可减缓风浪对岸边的冲刷,起到保护堤岸的作用。因此在万里水库库区周边,根据“适地适树”原则,围绕库区边缘植物绿化带,林带总长2.0 km。靠近河岸绿化树种选择须根多、耐水能力强的柳树,栽植3 行,株行距为3 m×3 m,整地规格0.6 m×0.6 m×0.6 m。共栽植柳树2000 株,需苗2040 株。防止水库周边库岸塌方,充分利用空间效果体现水库防护林绿化的特色,达到绿化美化效果。