清水县陇东农村供水旺兴水源保障工程取水枢纽溜砂坡支护结构稳定性分析

黄建军

(清水县城乡供水工程管理站，甘肃 清水 741400)

1 概 述

受寒冻风化与地震作用，溜砂坡广泛分布于西部地区，由于其稳定性较差，常常对工程运行造成危害。目前，许多学者对溜砂坡开展了研究。马利伟等[1]从溜砂滚石的运动方程出发，分析了溜砂碰撞与不碰撞两种形式。研究结果表明，挡墙高度越高，溜砂水平运动越远，坡面越长，溜砂水平运动增量会减小。卜祥航等[2]设置5组级配溜砂，研究了溜砂坡抗剪强度与其余因素的关联，最后通过回归分析，得出溜砂坡抗剪强度与颗粒浑圆度、曲率系数、不均匀系数成正比，与细颗粒含量成反比。张军等[3]采用PFC2D软件，模拟溜砂坡累进破坏与失稳的过程，针对其位移变化及破坏特征，提出了“钢花管注浆 + 框架型防护网”的支护方案。叶唐进等[4]将3%与13%设为溜砂坡颗粒散状、团状和流体状的界限，并分别采用PFC、FLAC和Geo-Studio软件，模拟不同状态下的溜砂坡运动状态，研究结果表明溜砂坡安全系数随含水率增大而减小。以上研究主要针对溜砂坡的形成机制以及失稳破坏方式进行的，还有学者提出了溜砂坡治理方案，但都没有分析支护结构的稳定性。

本文以清水县陇东农村供水旺兴水源保障工程取水枢纽岸边溜砂坡为实例，提出“钢管桩+土钉”的组合支护结构，采用Flac3d软件，从溜砂坡位移与结构受力的角度，分析该支护方案的有效性与稳定性。

2 工程概况

清水县陇东农村供水旺兴水源保障工程受益范围为陇东镇和山门镇2镇、8个行政村、18个自然村888户4 047人。工程在涧沟河新建水源工程1处，以地埋式箱式截流坝方式截取涧沟地表水和浅层地下水。新建地埋式箱式截流坝长23.8m，箱式坝设计为钢筋砼箱式集水截流坝，截流坝坝顶与最低河床面持平，高程为1 495.0m，不抬高河床，不影响河道行洪。其中，箱体部分长13.8m、高6m、宽6.5m，分设3个储水箱体，储水总容积300m3。截水墙设计为C20砼结构，厚0.5 m，左右长10m，坝上游设5级砂砾石滤水体，坝体设棕丝滤网一道，棕丝滤网夹石英砂一道。最左侧箱体之上设检查孔，安装1台潜水泵，引水流量15m3/h。埋设PE DN90mm输水管道100m，管道埋深不小于1.2m。

3 溜砂坡治理措施

该溜砂坡位于截流坝右岸，断面形式见图1。自上而下分别为岩屑层和砂质泥岩，组成成分物理力学参数见表1。该溜砂坡坡顶长30m，坡底长110m，溜砂坡自然坡角为30°。图1中阴影部分为开挖区域，该溜砂坡拟分三级开挖，开挖坡率为1：1。鉴于传统加固方式的缺陷，结合溜砂坡自身特性，采用“钢管桩+土钉+防护网”的支护结构。其中，钢管桩设在坡脚，抵抗剩余下滑力；坡面设置土钉和防护网，防止坡面发生滑动垮塌。

图1 溜砂坡示意图

表1 溜砂坡组成成分物理力学参数表

4 数值模拟

4.1 模型建立

采用Ansys软件对溜砂坡进行实体建模，用六面体网格进行网格划分，最后导入Flac3d生成计算模型。模型见图2，共计29 800个单元、30 200个节点，模型底面全约束，侧面为法向约束。

图2 数值模拟模型图

4.2 模型选择及参数取值

采用Flac3d中的pile单元模拟钢管桩，用line单元模拟防护网，用cable单元模拟土钉。其中，防护网弹性模量1.8×1011Pa，法向刚度与切向刚度为7.0×108N/m3，厚度为5mm，泊松比为0.19。微型钢管桩直径为320mm，弹性模量为7.5×1010Pa，法向刚度与切向刚度为2.6×1011N/m3。土钉物理力学参数见表2。

表2 土钉物理力学参数

4.3 计算结果与分析

4.3.1 溜砂坡稳定性分析

图3为溜砂坡开挖后的边坡水平位移云图。从图3中可知，坡体水平位移主要出现在坡顶及坡面。其中，一级边坡处的水平位移最大，坡顶有10mm的位移，坡面有反向的9mm位移；二、三级边坡水平位移逐渐减小，数值约为4～6mm。图4为溜砂坡开挖后竖向位移云图。其中，一、二级边坡坡顶出现较大竖向位移，数值约为39和45mm；二级边坡坡面竖向位移较大，数值约为25mm。

图3 溜砂坡水平位移图

综合溜砂坡的水平位移和竖向位移来看，坡体整体竖向位移较大，水平位移较小，这与溜砂坡颗粒性质有关，颗粒之间基本没有黏聚力，造成岩屑层容易出现向下的滑动破坏。从图4中可以看出，溜砂坡在开挖后将会出现贯通的破坏面，可见溜砂坡开挖后稳定性较差，极易在岩屑层发生滑动破坏，需要采取支护措施。

图4 溜砂坡竖向位移图

根据实际工程经验以及溜砂坡位移特征，采用“钢管桩+土钉+防护网”的支护结构进行加固。图5为溜砂坡加固后的位移云图。可以看出，溜砂坡整体位移得到有效控制，最大位移从45mm减小至5.7mm，破坏面没有贯通，边坡安全系数为1.38，该溜砂坡位移与安全系数均满足工程安全要求。

图5 溜砂坡整体位移图

由于坡面及坡顶处位移较大，因此在每一级边坡坡顶及坡面处设置监测点。图6为溜砂坡坡面位移折线图。由图6可知，边坡坡面位移呈现出先缓慢增加后加速增加最后收敛至一定值的规律。从坡面收敛位移值来看，二级边坡坡面位移最大，约为3.8mm；三级边坡次之，约为3.1mm；一级边坡坡面位移最小，仅为1.6mm。在实际工程中，针对二级边坡坡脚及坡面位移较大的特点，可以适当增加土钉和钢管桩强度，以防止坡脚发生位移破坏，导致溜砂坡失稳。

图6 溜砂坡坡面位移图

为进一步探究数值模拟的可行性，采用全站仪对二级边坡坡脚位移进行监测，监测点位移与数值模拟结果对比见图7。由图7可知，二级边坡坡脚位移的实际监测结果与数值模拟结果均呈现先快速增加后缓慢减速，最后收敛至5.7mm左右，两者之间误差小于5%。产生误差的原因主要是因为模型具有一定的局限性，且监测数据存在一定的偶然性，总体误差在可接受范围之内，验证了本文数值模拟的有效性。

图7 二级边坡坡脚位移对比图

4.3.2 支护措施受力分析

图8为土钉受力云图。可以看出，二、三级边坡土钉受力均较小，只有一级边坡底部土钉受力较大，数值约为3×103kN/m2，而实际土钉极限承载受力为2.4×108kN/m2，因此可认为土钉的材料选择是合理的。图9为防护网受力图。由图9可知，防护网受力主要集中在边坡底部，最大应力约4.3×105kN/m2，小于防护网极限承载应力2.5×106kN/m2，在工程允许范围内。而造成坡脚处防护网应力较大的原因主要是坡脚应力集中的原因。

图8 土钉受力图

图9 防护网受力图

图10为微型钢管桩受力图。由图10可知，钢管桩受力较小，主要集中在二级边坡坡脚，这一结论与前文坡脚处出现较大位移现象相吻合。针对此现象，实际工程中可在二级边坡坡脚处增加微型钢管桩密度，或选择更高强度的钢管，以保持结构的稳定。

图10 钢管桩受力图

5 结 论

本文以清水县陇东农村供水旺兴水源保障工程取水枢纽溜砂坡为研究对象，通过Flac3d数值模拟软件，采用“钢管桩+土钉+防护网”的支护措施加固溜砂坡，并通过分析溜砂坡稳定性、支护结构受力，验证支护措施的有效性。结论如下：

1)采用“钢管桩+土钉+防护网”可有效约束溜砂坡位移，限制贯通面的产生，最大位移仅为5.7mm，满足工程安全要求。

2)二级边坡坡脚处位移均较大，呈现先快速增加后缓慢收敛的规律。与实际监测数据进行对比，误差小于5%，验证了本文数值模拟的有效性。

3)钢管桩、土钉以及防护网的结构受力均在工程安全允许范围内，位于二级边坡坡脚的结构受力较大，可适当增加钢管桩密度，提高土钉强度，以保持支护结构的稳定性。