维捷布斯克水电站边坡h型抗滑桩应用研究

向 胜

(中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550081)

近年来，我国中西部大规模基础设施的建设，伴随着出现很多大推力滑坡治理、含软弱夹层的滑坡治理以及特殊环境要求的滑坡治理等复杂滑坡治理工程。抗滑桩作为治理滑坡的重要方式之一，在实际工程中得到广泛的应用。然而，普通单排抗滑桩在面对以上复杂滑坡治理工程中，存在抵抗滑坡推力能力不足、自身刚度不足、经济性较差等缺点。为解决这些问题，采用h型抗滑桩治理复杂滑坡变得十分重要。为此，学者们对h型抗滑桩进行了不同方面的研究。罗勇等[1]通过采用传统的深部位移测试手段和先进的BOTDA全分布式光纤传感测试技术，对h型抗滑桩在滑坡治理全过程中的变形及内力响应进行研究，研究结果表明：在治理大型滑坡过程中，采用h型抗滑桩效果显著。宁宇等[2]通过采用有限元软件方法，建立了节点耦合的h型桩与桩间横梁、桩后锚索共同作用模型，并采用有限差分法进行变形分析，分析结果表明：h型抗滑桩支护位置由坡顶至坡地，强度折减的安全系数整体上先减小后增大。王晨涛等[3]通过深孔位移监测与桩体内力监测，对h型抗滑桩支护的坡体变形规律与桩身内力分布特征进行研究，研究结果表明：h型抗滑桩支护后，坡体位移趋于稳定，且实测桩身内力分布特征与理论计算相近。刘松等[4]通过利用有限元软件MIDAS，建立了二维h型抗滑桩支护边坡的模型，分别对坡体支护效果与h型抗滑桩的内力进行了研究，研究结果表明：h型抗滑桩在治理不允许进行坡面防护的边坡时，治理效果显著且符合工程安全要求。

以上研究分别通过现场监测、数值模拟、理论计算等方法，对h型抗滑桩的支护效果、桩身内力、结构优化等进行研究。然而，对不同连梁截面尺寸的h型抗滑桩的研究较少。本文结合滑坡治理工程，利用有限元软件MIDAS GTS，建立不同连梁截面尺寸的h型抗滑桩支护模型，分析不同连梁截面尺寸的h型抗滑桩治理效果以及连梁内力，为h型抗滑桩连梁的截面尺寸确定提供参考。

1 工程概况

维捷布斯克水电站位于白俄罗斯维捷布斯克市的西德维纳河上，距维捷布斯克市8km。电站以发电为主，兼顾航运。水库正常蓄水位139m，总装机4×10MW，坝顶高程142m，坝顶宽度为5m，最大坝高30.7m，坝轴线长度656.2m。枢纽建筑物从左到右依次为：左岸土坝、船闸、泄洪闸、发电厂房、开关站、右岸土坝。工程为三等，枢纽的主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑为5级。库岸由于陡峭，发生滑坡现象，滑坡体岩土由风化较强烈的炭质页岩及软弱夹层、页岩层组成，滑坡体自上而下为粉质黏土、全风化页岩、强风化及中风化炭质页岩，炭质页岩含有软弱夹层，夹层抗剪强度低，是滑坡带主要诱发地段，滑坡体基底为微风化炭质页岩。根据现场勘测、计算分析以及工程经验，确定采用h型抗滑桩进行治理。滑坡最危险截面如图1所示。h型抗滑桩有3种设计方案，方案中除连梁截面尺寸不同外，其他设计参数均相同，选择最优连梁截面尺寸。h型抗滑桩施工工序如下：首先根据现场地形地貌、水文地质条件进行施工准备，现场测量，确定桩位与桩顶标高，然后进行成孔，钢筋笼绑扎、吊装，随即浇筑混凝土。

图1 滑坡最危险截面图

2 模型建立

2.1 有限元模型建立

利用有限元分析软件MIDAS GTS，建立不同连梁截面尺寸的h型抗滑桩支护模型。滑坡岩土体选用摩尔库伦本构模型模拟，抗滑桩与连梁均选用线弹性本构模型模拟。滑坡有限元模型左高95m，右高73m，长度为163m。模型整体按平面应变类型进行考虑，在模型左右分别施加水平边界约束，上方不施加约束，下方施加竖向和水平的边界约束。为保证抗滑桩与岩土体接触处的受力均匀，在接触处共用节点，有限元分析模型如图2所示。

图2

h型抗滑桩的前后排桩桩身截面尺寸均为B×H=2m×3m，前排桩桩长为32m，后排桩桩长为40m。抗滑桩前后排桩净距为9m，连梁底面在竖直方向上距后排桩桩顶12m。为便于施工，保证连梁的截面宽度不变，通过改变连梁的截面高度，使连梁截面尺寸发生变化。考虑到实际工程造价，设置3种连梁截面高度分别为1H=3m、1.5H=4.5m、2H=6m。h型抗滑桩构造与不同连梁截面如图3所示。

图3 h型抗滑桩构造与不同连梁截面

2.2 计算参数选取

h型抗滑桩混凝土强度等级为C30，采用HRB400钢筋，抗滑桩与岩土体物理力学参数见表1。

表1 抗滑桩与岩土体物理力学参数

3 数值模拟结果分析

3.1 治理效果分析

边坡稳定安全系数是衡量边坡稳定的重要指标，通过强度折减法对有限元模型进行分析，分析结果表明天然状态下边坡稳定安全系数为1.05，显然不满足实际工程安全的需要。天然状态下坡体有效塑性应变云图如图4所示，坡体总位移云图如图5所示。

图4 天然状态下有效塑性应变云图

图5 天然状态下坡体位移云图(单位：m)

由图4可得，天然状态下坡体最大有效塑性应变为1.19，位于软弱夹层区域；软弱夹层区域的有效塑性应变明显高于其他岩土体区域；滑坡70.2%的岩土体区域有效塑性应变低于0.092，有明显塑性应变的岩土体区域达29.8%，主要发生在坡顶位置处与软弱夹层位置处。由图5可得，天然状态下坡体最大位移为0.065m，位于坡脚区域；坡面上粉质粘土区域与软弱夹层上部的强风化炭质页岩区域较其他岩土体区域坡体位移较大；70.5%的岩土体区域坡体位移很小，有明显位移的岩土体区域占29.5%。通过对天然状态下坡体有效塑性应变与坡体位移分析可知，天然状态下有效塑性应变与破土位移均较大，需要进行加固治理。采用不同连梁截面尺寸的h型抗滑桩治理后，各组抗滑桩治理后坡体稳定安全系数与坡体最大总位移见表2。

表2 各组抗滑桩治理后坡体稳定安全系数与坡体最大总位移

由表2可得，经不同连梁截面尺寸的h型抗滑桩治理后，边坡的稳定安全系数都有提升，稳定安全系数均提高到1.40以上；连梁截面高度为1H与1.5H时，边坡稳定安全系数均为1.41，连梁截面高度为2H时，稳定安全系数最大，最大值为1.42，较天然状态下提升35.24%，3种连梁截面高度对应的稳定安全系数较天然状态均提升34%以上。经不同连梁截面尺寸的h型抗滑桩治理后，坡体的总位移发生明显的下降，各组坡体总位移均小于0.02m；连梁截面高度为1H时，坡体最大总位移在各组中最大，最大值为0.019m；连梁截面高度为2H时，坡体最大总位移最小，最小值为0.016m。

综合上述分析，h型抗滑桩治理此复杂滑坡效果显著，采用不同连梁截面尺寸的h型抗滑桩治理后，坡体稳定安全系数均有明显提高，稳定安全系数最高提高了35.24%，但各组之间的提升差异不大，各组坡体最大总位移差异也不明显，可以大致认为：3组不同连梁截面尺寸的h型抗滑桩对复杂滑坡的治理效果影响不大。

3.2 连梁内力分析

3种截面尺寸连梁的剪力、弯矩、轴力图分别如图6—8所示。由图6可知，3种截面尺寸连梁剪力分布形式整体相同，均为从连梁左侧至右侧，剪力大小呈现递增的趋势；当连梁截面高度为1.5H时，连梁的最大剪力与最小剪力均为3组中最大，最大值剪力数值为3.8MN，最大值剪力数值为3.3MN；当连梁截面高度为2H时，连梁的最大剪力与最小剪力均为3组中最小，最大剪力数值为3.6MN，最小剪力数值为3.0MN。由图7可知，3种截面尺寸连梁弯矩分布形式整体相同，连梁左端均为负弯矩，连梁右端均为正弯矩；当连梁截面高度为1.5H时，连梁弯矩最大值数值最大，最大弯矩数值为1.7MN·m；3种截面尺寸的连梁弯矩零点，分别位于距连梁左端4.95、5.12、5.09m处；连梁左端弯矩最小出现在连梁截面高度为2H组，连梁右端弯矩最大出现在连梁截面高度为1H组。由图8可知，3种截面尺寸连梁的轴力基本相同，轴力大小均在2.0～2.2MN之间，各组中不同位置的连梁轴力也基本相同。

图6 3种截面尺寸连梁的剪力图

图7 3种截面尺寸连梁的弯矩图

图8 3种截面尺寸连梁的轴力图

综合上述分析，3种截面尺寸连梁中，截面高度为1H时，最大弯矩大小与最大剪力大小均较合适，且轴力与其他两种截面高度连梁基本相同。考虑到实际施工成本，优先推荐使用截面高度为1H的连梁。

4 结语

(1)在保证连梁具有一定刚度的前提下，不同连梁截面尺寸的h型抗滑桩对治理复杂滑坡的效果差异不大，稳定安全系数均提升了34%以上，坡体最大位移均明显下降。

(2)3种截面尺寸连梁的内力分布形式大体相同，综合考虑连梁滑坡治理效果与连梁内力的分布形式与大小，在1H、1.5H、2H连梁截面高度中，考虑到工程造价，推荐使用截面高度为1H的连梁。

(3)本文对所涉及的内力分析只针对连梁内力进行分析，未考虑施工方案的可行性，需要结合现场情况进行综合比选。