锚墩式主动防护网及预应力锚索库岸边坡加固效果对比分析

孙宁宁

（惠民县城乡水务发展服务中心,山东 惠民 251700）

1 引言

地震对边坡的破坏主要表现在以下两个方面：一是降低潜在滑动面的抗剪强度,二是地震的惯性力增大边坡的下滑力[1-3]。吴国庆等[4]以赛百岩质边坡为例,将传统路堤边坡防护措施与SNS 柔性防护网进行对比,结果表明,SNS 柔性防护网具有安全系数大,施工简单的特点；汪敏等[5]采用数字模拟方法,对主动防护网力学性能进行数值分析,计算得到了该防护网能有效提高边坡的稳定系数；薛彦雨等[6]采用极限平衡法,对某岩质边坡的支护措施进行评价,并分析了天然工况,暴雨工况及地震工况下该支护措施的有效应,结果表明,该支护措施具有较好的支护效果；刘建华等[7]采用FLAC3d 数值模拟方法,对四川理县某主动防护网边坡进行评价,结果表明,该边坡经加固后,在地震作用下坡脚处发生了应力集中,但整体上保持稳定。刘少波等[8]采用MIDAS数值软件对某边坡支护结构效果进行评价,结果表明,采用主动柔性防护网能有效提高边坡稳定性。唐秋元等[9]采用极限平衡法和强度折减法,对某岩质边坡支护设计中的锚杆轴向拉力进行计算,结果表明,强度折减法计算得到的锚杆拉力更符合实际结果。王壮等[10]采用FLAC3d 对不同组合方式下某岩质边坡稳定性进行研究,结果表明,采用“主动防护网+锚杆”相结合的方式,对边坡稳定性具有更好的加固效果。

以上研究多为对SNS 柔性防护网边坡加固效果的分析。缺少对不同工况下锚墩式主动防护网边坡的稳定性评价。本文以某边坡治理工程为例,采用有限差分数值模拟软件FLAC3d,对该边坡在地震作用下的加固效果进行分析。

2 工程概况

某水库是一座以灌溉为主，兼防洪、养殖等综合利用的中型水库。水库枢纽由水库大坝（1 座主坝、5 座副坝）、溢洪道、输水涵（谭亭降副坝输水涵和更深副坝输水涵）等主要建筑物组成。水库坝址以上设计控制集雨面积为15.00 km2。水库在1957年冬兴建,1958年建成,1963年完成和完善灌区渠道等配套工程,工程开始发挥效益。水库边坡因较陡峭,经常发生崩落等线性,需要进行加固。经勘探,边坡主要岩性为厚约15.5 m 厚的碎石土,下层为厚约20 m 的中风化砂岩,经现场工程地质勘察及室内岩土试验,该边坡其物理力学参数见表1。

表1 边坡岩土体物理力学参数

边坡支护结构剖面图见图1。

图1 边坡支护结构剖面图

3 边坡加固稳定性评价

3.1 数字分析结构单元划分

FLAC3d 广泛应用于岩土结构工程分析,该软件包括多种结构单元。在建模方法上,cable 结构以其不能承受弯矩,但能承受拉应力的特点,常用于模拟锚索结构单元。liner 单元可抵挡弯矩和面荷载,可作为衬砌单元。因此,本文采用cable 和liner 两种基本单元,模拟锚墩式主动防护网支护结构,并将liner 单元与cable 单元设置为固定连接,以防止结构相互脱离。

3.2 锚墩式主动防护网加固模型

图2 为锚墩式主动防护网加固后的边坡数值模型,该模型中,预应力锚索长20 m,其中锚固段7 m,自由段13 m。锚索之间横向及纵向间距均为4 m。锚索水泥砂浆外圈周长0.8 m,水泥砂浆刚度2×106Pa,水泥砂浆粘聚力8.5×105N/m。

图2 调压井计算及支护模型

4 边坡加固后变形特征数值分析

4.1 水平位移变化分析

图3 为天然工况下,锚墩式主动网加固后边坡的水平位移。

图3 锚墩式主动网及预应力锚索加固后边坡的水平位移云图

由图3（a）可以看出,该边坡经过锚墩式主动网加固后,位移范围在1.8×10-3m~6.6×10-3m 之间。最大位移为6.6 mm,发生在一级边坡坡脚处。该边坡在坡面以下13 m~25 m 范围内形成一潜在滑动面,但由于位移整体较小,处于设计允许的位移范围内,因此,该边坡在采用锚墩式主动网加固后仍保持稳定状态。从图3（b）中可知,在采用预应力锚索加固后,该边坡位移范围在1×10-3m~1.3×10-2m 之间,最大水平位移为13.1 mm。两种方式加固后边坡的变形特征基本相同,最大水平位移均出现在一级边坡坡脚处。

如图4 所示,采用锚墩式主动网加固后边坡水平位移最大为6.6 mm,采用锚索加固后水平位移达到13 mm,且在边坡全部范围内,锚墩式主动网加固边坡位移均小于锚索加固边坡,说明锚墩式主动网加固方式效果更好。

图4 锚墩式主动网及预应力锚索加固后水平位移

4.2 总位移分析

如图5（a）所示,锚墩式主动防护网加固边坡总位移在1×10-3m~1.02×10-2m 之间,最大位移在坡顶处,位移值为10.2 mm,推测是由于坡顶处产生了拉应力,导致坡顶处出现拉裂破坏面。坡脚处位移约1.4mm~1.8 mm,位移量较小,说明坡脚处较为稳定,发生破坏的可能性较小。图5（b）中,预应力锚索加固后边坡总位移2×10-3m~2.2×10-2m 之间,最大总位移同样发生在坡顶处,位移值为21.8 mm,坡脚处位移量较少,约2 mm~6 mm。对比两种条件下的加固效果可知,两种条件下边坡的潜在滑动面及最大位移分布范围较为一致,但预应力锚索加固后边坡总位移稍大于锚墩式主动防护网边坡总位移,说明锚墩式主动防护网对边坡的加固作用更好。

图5 锚墩式主动网及预应力锚索加固后边坡总位移云图

4.3 剪应变增量分析

图6 为锚墩式主动网及预应力锚索加固边坡后剪应变云图,从图（a）中可以看出,该边坡在加固后剪应变范围在1×10-3m~1.4×10-2m 之间,边坡内未形成潜在的贯通滑动面,仅在坡脚处形成一剪切带。图（b）中,锚索加固后的剪应变云图与图（a）类似,剪应变范围在2.5×10-3m~1.4×10-2m之间,稍大于锚索加固后的剪应变,且未形成潜在滑动面。两种加固下,边坡仅在坡脚处产生较大的剪应变,但坡内均未形成潜在滑动面,说明两种加固方式下的边坡均保持稳定状态,不会发生大规模滑坡现象,但由于坡脚处存在较大剪应力集中,可能在坡脚处发生小规模坍塌现象。因此,应针对该部位进行局部加固,以确保工程安全。

图6 锚墩式主动网及预应力锚索加固后边坡剪应变云图

5 结论

本文以水利工程边坡为研究对象,采用FLAC3d 对该边坡在预应力锚索及锚墩式主动防护网的加固效果进行分析,主要结论如下：

（1）采用锚墩式主动防护网加固后,边坡内未形成潜在滑动面,最大水平位移发生在坡顶处,位移值为6.6 mm,最大总位移值为10.2 mm。

（2）采用预应力锚索加固后，边坡最大水平位移发生在三级边坡坡面处，位移值为13.1 mm，最大总位移值为21.8 mm。

（3）两种加固方式下边坡内部未形成潜在滑动面,水平位移及总位移均在工程设计允许范围内,边坡整体稳定性较好。仅在坡脚处产生剪应力集中,应进行局部加固。研究结果对于边坡防护设计具有一定的参考意义。