水库库岸岩削坡加固措施稳定性研究

2023-10-30徐广勇

陕西水利 2023年10期

徐广勇，李伟

（费县许家崖水库管理中心,山东费县 273400）

1 前言

随着公路、铁路、水利工程的建设,岩削坡失稳问题愈发引起重视。虽然在天然工况下能够自稳,但人工开挖后极易发生垮塌,且用传统的挡土墙加固岩削坡效果欠佳。许多学者针对岩削坡进行了相关研究,唐进[1]等科学划分了国道318 藏东段的岩削坡类别,利用数值模拟的方法,分析了岩削坡失稳因素与边坡稳定的相关性,最后通过机器学习的方法,建立了岩削坡稳定性判定模型。王成华[2]等通过野外调查和模型试验,分析了花管微型树根桩的设计核心、固砂理念,并认为岩削坡的加固核心应在稳定坡体,保护坡脚上。

总结现有研究可得,学者们主要从理论分析与室内试验等方法探究了岩削坡的治理方法,但此类研究方法费时费力,少有学者从数值模拟的角度分析研究岩削坡的加固措施,本文基于Flac3d 数值模拟软件,以某水库库岸岩削坡治理为研究对象,模拟采用微型钢管桩结合锚墩式主动防护网的加固方案进行加固,从边坡位移与加固措施位移的角度,研究该加固方案的可行性。

2 岩削工程概况

图1 为某水库库岸岩削坡示意图,该模型中上部为土石混合体,下伏基岩为砂岩,该岩削坡底部长100 m,左边界高60 m,右边界高30 m,岩削坡厚度为30 m,坡角为30°。该岩削坡拟采用三级开挖方式（图中阴影区域）,开挖坡率为1∶1。该区域受地震和构造影响作用较小,不存在特殊岩土体。

图1 岩削坡示意图

由于传统的支护措施难以有效支护岩削坡,文本根据前人研究结果[3-4],总结得出微型钢管桩抗弯和承载能力均较强,故拟采用微型钢管桩对边坡坡顶进行加固,同时考虑到岩削坡的组成成分为土石混合物,坡面往往容易受地震作用产生滑动破坏,固拟采用锚墩式主动防护网对坡面进行加固,锚索自由段6 m,锚固段10 m。

根据室内实验测定,确定该岩削坡砂岩及土石混合物的物理力学参数,测定结果见表1。

表1 岩削坡组成成分物理力学参数表

3 数值模拟

3.1 模型建立

边坡形态、开挖方式、岩层成分均严格遵守地质勘查报告资料,图2 为采用Flac3d 建立的三位模型图,模型采用四面体结构单元,共计35800 个单元,40217 个节点,模型底面固定约束,侧面边界采用轴支撑。

图2 Flac3d 数值模型图

3.2 参数取值

微型钢管桩采用pile 单元模拟,锚墩式主动防护网采用line 单元模拟,锚索采用cable 的单元模拟,锚索长10 m,衬砌单元、桩单元和锚索单元力学参数见表2、表3 和表4。

表2 衬砌单元力学参数

表3 微型桩单元力学参数

表4 锚索单元力学参数

3.3 模拟结果

3.3.1 岩削坡加固稳定性分析

图3 为岩削坡开挖后未采取支护措施时的位移云图,由图可知,边坡最大位移达到47 mm,平均位移为25 mm,坡体将出现贯通面,可见岩削坡稳定性较差,极易发生失稳垮塌。图4 为采用微型钢管桩结合锚墩式主动防护网后的坡体位移云图,可以看出,坡体整体位移得到控制,最大位移仅为5.6 mm,满足工程安全要求。

图3 支护前边坡位移图

图4 支护后边坡位移图

根据岩削坡采用支护措施前后的位移云图可知,边坡坡脚位移均较大,坡顶位移较小,因此应重点关注边坡坡脚位移。本文设置三个位移监测点,分别位于一、二、三级边坡坡脚附近,得到位移检测曲线见图5。从图中可知,一级边坡坡脚位移较小,位移整体呈现缓慢增长趋势,达到1.2 mm左右保持稳定。二、三级边坡坡脚位移较大,位移整体呈现先急速增长,后缓慢减小,最后缓慢增长至5.5 mm 左右保持稳定。

图5 边坡坡脚位移变化图

3.3.2 岩削坡加固结构的稳定性分析

图6 为主动防护网位移云图,从图中可知,三个主动防护网位移呈现自上而下位移逐渐增加的规律,且三级边坡位移＞二级边坡位移＞一级边坡位移,最大位移位于三级边坡坡脚,数值为27 mm。综合来看,主动防护网整体位移均小于50 mm,满足工程安全要求。实际工程中应重点关注二、三级边坡坡脚处的位移,防止出现坡脚破坏,导致边坡失稳。

图7 为微型钢管桩的位移云图,由图可知,钢管桩整体位移呈现中部位移较大,两侧位移较小的规律,这是因为钢管桩中部处于开挖边坡坡脚附近,受岩削坡下滑力作用,导致钢管桩中部位移较大。同时,一级边坡钢管桩位移＞二级边坡＞三级边坡,这是因为一级边坡处钢管桩受下滑力最大的原因。钢管桩最大位移为2.6 mm,远小于工程安全要求10 mm,处于稳定状态。实际工程中,可采取增加一级边坡处的钢管桩密度的方法来约束坡脚位移。