胡亞運(yùn),，鄧華鋒，宛良朋,2，周美玲

(1.三峽大學(xué) a.三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌　443002；2.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，武漢　430072)

某電站深孔泄洪洞進(jìn)口邊坡錨固優(yōu)化分析

胡亞運(yùn)1a,1b，鄧華鋒1a，宛良朋1a,2，周美玲1a

(1.三峽大學(xué)a.三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌443002；2.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，武漢430072)

摘要：以大型巖土工程數(shù)值分析軟件(ADINA)為研究手段，基于卸荷巖體力學(xué)的理論和方法，對(duì)某電站深孔泄洪洞進(jìn)口邊坡進(jìn)行了開(kāi)挖卸荷分析?；诖?，重點(diǎn)分析不同加固角度對(duì)邊坡的加固效果，同時(shí)也分析了不同錨固力作用下邊坡的加固效果，結(jié)果表明：加固角度為俯角20°時(shí)效果最優(yōu)；錨固力越大，邊坡變形越小。考慮到成本控制，采用2 000 kN的預(yù)應(yīng)力錨索。再者，開(kāi)挖邊坡直立坡段處修建有弧形閘門(mén)用于泄水，故著重分析此處的加固方案，以保證閘門(mén)的正常運(yùn)行，結(jié)果顯示錨固力對(duì)加固效果有直接影響。研究成果對(duì)設(shè)計(jì)采用錨索加固的高陡邊坡工程具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：邊坡；錨固角度；錨固力；預(yù)應(yīng)力錨索；穩(wěn)定性

1研究背景

在高陡邊坡工程中，由于開(kāi)挖造成的邊坡擾動(dòng)作用，邊坡巖體逐漸劣化，應(yīng)力場(chǎng)將重新分布[1]，而對(duì)于涉及到水工建筑物的邊坡而言，邊坡穩(wěn)定性直接影響著水電工程的安全性[2]。因此應(yīng)該對(duì)開(kāi)挖邊坡進(jìn)行處理以消除隱患。

近年來(lái)，較多學(xué)者在邊坡錨固理論和加固優(yōu)化方面進(jìn)行了研究，并取得了豐富的成果。熊文林等[3]提出了根據(jù)坡面與邊坡內(nèi)滑面的夾角確定最優(yōu)錨索方向角的計(jì)算方法，給出了最優(yōu)錨固角的計(jì)算公式；徐青等[4]推導(dǎo)了在相同抗滑效果的前提下，使錨索長(zhǎng)度最短的最優(yōu)錨固角度公式；鄧華鋒等[5-6]在卸荷巖體力學(xué)基礎(chǔ)上綜合考慮了加固方式、加固區(qū)域、錨索噸位和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化分析；孫學(xué)毅[7]介紹了能夠大大提高預(yù)應(yīng)力錨索承載能力的錨梁結(jié)構(gòu)，使邊坡達(dá)到更好的加固效果；張發(fā)明等[8]在詳細(xì)分析影響預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)期荷載變化因素的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)期荷載的變化規(guī)律與預(yù)測(cè)模型；李軍等[9]利用模型試驗(yàn)研究了預(yù)應(yīng)力錨索的受力特征、預(yù)應(yīng)力錨索失效后邊坡承載能力的變化及框架梁的作用；林興超等[10]提出了基于現(xiàn)代技術(shù)的模擬技術(shù)，構(gòu)建失穩(wěn)狀態(tài)下的邊坡算例并對(duì)其進(jìn)行加固，模擬邊坡與邊坡加固之間復(fù)雜的相互作用；劉華麗等[11]利用力和力矩平衡方程推導(dǎo)出錨固力作用下邊坡安全系數(shù)顯式解和給定安全系數(shù)要求的錨固力系數(shù)解析解，并將該方法運(yùn)用到實(shí)際工程中，發(fā)現(xiàn)在錨固力作用下，滑面上的正應(yīng)力分布連續(xù)，條間力分布比較合理；柏俊磊等[12]結(jié)合穩(wěn)定性分析的結(jié)果對(duì)邊坡的加固措施進(jìn)行了優(yōu)化分析。

以往的研究主要著重錨固機(jī)理和預(yù)應(yīng)力錨索承載能力等方面，在高陡開(kāi)挖邊坡錨固方案設(shè)計(jì)時(shí)，很少結(jié)合邊坡不同部位變形穩(wěn)定的實(shí)際需要，開(kāi)展不同錨固角度和錨固力的系統(tǒng)優(yōu)化分析。鑒于此，本文以某水電站深孔泄洪洞進(jìn)口開(kāi)挖邊坡為對(duì)象，在邊坡開(kāi)挖卸荷變形穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合邊坡實(shí)際地質(zhì)情況和變形控制的實(shí)際需求，進(jìn)行了錨固角度優(yōu)化分析，針對(duì)變形有嚴(yán)格控制要求的泄洪洞進(jìn)口弧形閘門(mén)閘墩位置處的直立坡段，在錨固角度優(yōu)化基礎(chǔ)上，著重進(jìn)行了錨固力的優(yōu)化分析。研究成果為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了較好的技術(shù)支撐。

2工程概況

該水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫(kù)。壩型為礫石土心墻堆石壩，最大壩高295m，電站裝機(jī)容量300萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量114.91億kW·h。深孔泄洪洞進(jìn)口邊坡地質(zhì)剖面如圖1所示。深孔泄洪洞進(jìn)口平臺(tái)高程2 805m，最低開(kāi)挖高程2 798.5m。進(jìn)口洞臉邊坡走向?yàn)镹79°E，最大開(kāi)挖高程3 135.0m，最大開(kāi)挖高度約336.5m。2 875m高程以上開(kāi)挖坡比為1∶0.75，2 875m高程以下開(kāi)挖坡比為1∶0.5。內(nèi)側(cè)邊坡走向?yàn)镹14°E，開(kāi)挖坡高90～100m。

圖1　深孔泄洪洞進(jìn)口邊坡地質(zhì)剖面圖Fig.1　Geological profile of slope around the inletof deep discharge tunnel

泄洪洞進(jìn)口主要的軟弱結(jié)構(gòu)面雖與洞臉邊坡交角較小，但大多陡傾坡內(nèi)，對(duì)邊坡穩(wěn)定有利，進(jìn)口地層巖性為三疊系上統(tǒng)(T3lh)變質(zhì)粉砂巖夾板巖，巖體內(nèi)主要的小斷層、擠壓破碎帶主要為Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面，NNW向陡傾角較發(fā)育，NE傾NW軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度低，巖體無(wú)明顯變形破壞跡象，但巖體風(fēng)化卸荷較強(qiáng)，巖體卸荷松弛明顯，設(shè)計(jì)邊坡偏陡，邊坡穩(wěn)定性差，故需要及時(shí)加強(qiáng)錨固；結(jié)構(gòu)面fb25-3、fb13-04與洞臉邊坡近平行，且中緩傾角傾向坡外，對(duì)邊坡局部穩(wěn)定不利，故應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件采取適宜的開(kāi)挖支護(hù)措施。

由于泄洪洞開(kāi)挖高程較大，且開(kāi)挖坡度較陡，邊坡巖體卸荷比較嚴(yán)重，且邊坡中上部存在傾向坡外的中緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利，為確保工程邊坡安全，需要重點(diǎn)對(duì)加固措施進(jìn)行優(yōu)化分析。

3計(jì)算模型及參數(shù)

計(jì)算模型采用二維有限元模型，為比較準(zhǔn)確地進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，本文選取深孔泄洪洞縱剖面圖作為典型剖面進(jìn)行計(jì)算分析，剖面網(wǎng)格劃分如圖2所示，圖中填充部分即為開(kāi)挖部分，邊坡從上到下總共分為11步開(kāi)挖。

圖2　邊坡二維網(wǎng)格模型Fig.2　Two-dimensional meshes of slope

根據(jù)實(shí)際施工流程，本文主要考慮了初始工況、開(kāi)挖卸荷工況及加固工況。初始工況按照常規(guī)彈塑性模型計(jì)算，用以了解邊坡在開(kāi)挖之前巖體的初始應(yīng)力場(chǎng)分布以及邊坡的破壞情況，以便于和后面的各種工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到邊坡在其他工況下的位移凈增量、應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)的變化情況。巖體物理力學(xué)參數(shù)均采用初始力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1　巖體基本物理力學(xué)參數(shù)

在開(kāi)挖過(guò)程中，邊坡巖體不可避免地受到擾動(dòng)，其力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生一定的變化，這是由于卸荷導(dǎo)致的，使得巖體質(zhì)量劣化，材料參數(shù)降低，不利于邊坡的穩(wěn)定。開(kāi)挖卸荷工況的計(jì)算目的在于了解不進(jìn)行支護(hù)條件下，邊坡巖體在卸荷后的應(yīng)力和位移變化情況，計(jì)算中采用卸荷巖體力學(xué)參數(shù)及卸荷巖體的計(jì)算方法，此方法重點(diǎn)在于巖體的力學(xué)參數(shù)隨著開(kāi)挖過(guò)程處于動(dòng)態(tài)變化中，根據(jù)在卸荷過(guò)程中巖體的質(zhì)量劣化程度，劃分不同的卸荷區(qū)，不同的卸荷程度對(duì)應(yīng)的卸荷區(qū)有不同的參數(shù)選擇，并不斷地調(diào)整，直至收斂，最終選擇符合條件的參數(shù)[1]。

卸荷巖體加固的理論與方法研究是卸荷巖體力學(xué)的研究目的，包括以下2部分內(nèi)容：充分利用巖體自身強(qiáng)度承載；研究巖體合理的加固時(shí)間、加固部位、具體的加固方法及加固優(yōu)化方案[1]。因此，本文加固工況主要考慮開(kāi)挖完成后，采用錨桿、錨索對(duì)邊坡進(jìn)行加固。為了研究加固系統(tǒng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性與變形的影響，并對(duì)錨桿與錨索的加固角度進(jìn)行優(yōu)化，綜合本工程設(shè)計(jì)施工的要求以及開(kāi)挖坡比和結(jié)構(gòu)面分布情況，本文主要考慮了6種加固角度，與水平向的夾角分別是10°，15°，20°，25°，30°，35°，方向均為傾斜向下，采用系統(tǒng)錨桿加預(yù)應(yīng)力錨索的方案，系統(tǒng)錨桿沿邊坡走向的距離為1.5m，設(shè)置長(zhǎng)度為6m或9m的系統(tǒng)錨桿，預(yù)應(yīng)力錨索沿邊坡走向的間距為4.5m，長(zhǎng)度取50m，預(yù)應(yīng)力為1 000kN。

4計(jì)算結(jié)果及分析

4.1開(kāi)挖卸荷工況結(jié)果及分析

該剖面開(kāi)挖后第一主應(yīng)力及水平向位移分布分別如圖3和圖4所示。

圖3　第一主應(yīng)力等勢(shì)線分布Fig.3　Equipotential lines of the first principal stress

圖4　水平向位移等勢(shì)線Fig.4　Equipotential lines of horizontal displacement

從應(yīng)力等勢(shì)線圖可以看出，由于邊坡開(kāi)挖方量大，高程高，開(kāi)挖卸荷效應(yīng)比較明顯，在每個(gè)開(kāi)挖面附近均出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力區(qū)域，最大的拉應(yīng)力為2.62MPa，朝坡外的水平向最大位移為2.3cm，位于結(jié)構(gòu)面附近，塑性區(qū)主要分布在邊界以及沿著結(jié)構(gòu)面向里發(fā)展。由于有一結(jié)構(gòu)面存在于第8步開(kāi)挖平臺(tái)正下方，因此第9，10，11步開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致開(kāi)挖面附近拉應(yīng)力變大、水平位移變大以及塑性區(qū)較多，而該處修建有水工建筑物，為了保證邊坡開(kāi)挖后保持良好的穩(wěn)定性以及水工建筑物的正常運(yùn)行，控制好邊坡的變形，需要對(duì)開(kāi)挖邊坡進(jìn)行加固處理，特別是從高程2 860m至高程2 805m段要加強(qiáng)加固。

4.2加固角度優(yōu)化選取分析

在不同的錨固角度下，深孔泄洪洞開(kāi)挖邊坡關(guān)鍵點(diǎn)分布見(jiàn)圖5，關(guān)鍵點(diǎn)朝坡外的水平向位移見(jiàn)圖6。

圖5　開(kāi)挖邊坡關(guān)鍵點(diǎn)分布Fig.5　Distribution of crucial points ofthe excavated slope

圖6　不同錨固角度邊坡關(guān)鍵點(diǎn)朝坡外的水平向位移變化量Fig.6　Variation of crucial point’s displacement inthe presence of different anchorage angles

由圖6可以看出：

(1) 在不同的錨固角度情況下，所有關(guān)鍵點(diǎn)朝坡外的水平向位移均有一定程度的減小，錨固角度由10°變化到15°時(shí)，位移減小量變大，由15°到20°時(shí)，位移減小量急劇變大，由20°到35°位移減小量迅速變小，最后趨于平緩。

(2) 在錨固角度為俯角20°時(shí)，開(kāi)挖邊坡朝坡外位移最小，表明該角度對(duì)邊坡變形的控制效果最佳；同時(shí)，考慮到該邊坡結(jié)構(gòu)面以及巖層分布特點(diǎn)，俯角20°的預(yù)應(yīng)力錨索能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖邊坡巖體整體化，控制邊坡的變形，調(diào)整邊坡的應(yīng)力分布，最有利于開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定。

4.3弧形閘門(mén)閘墩處直立坡段重點(diǎn)加固分析

開(kāi)挖邊坡高程2 825.0～2 798.5m段為直立坡段，與泄洪洞進(jìn)口的弧形閘門(mén)閘墩接觸，控制邊坡的變形直接關(guān)系到閘門(mén)能否正常運(yùn)行，故對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)加固有實(shí)際的工程意義。

由計(jì)算結(jié)果可知，在采取20°的錨固角度后，K10的水平位移減小了5.8mm，表明對(duì)開(kāi)挖邊坡直立坡段(高程2 825 ～2 798.5m)進(jìn)行加固能夠有效地控制邊坡在水平方向的變形，效果雖然最為明顯，但考慮到泄洪洞弧形閘門(mén)對(duì)邊坡變形的要求，因而對(duì)該部位進(jìn)行進(jìn)一步的加固優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)單位的要求，對(duì)錨固力進(jìn)行了優(yōu)化分析，這里考慮4種方案：方案1：錨固力1 000kN；方案2：錨固力1 500kN；方案3：錨固力2 000kN；方案4：錨固力3 000kN，4種方案預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)度均為50m。

不同的錨固力加固措施下豎直面上關(guān)鍵點(diǎn)在加固前后位移減小量變化趨勢(shì)如圖7所示，K10，K11，K12取豎直開(kāi)挖面表面節(jié)點(diǎn)。

圖7　不同錨固力豎直面關(guān)鍵點(diǎn)水平位移變化量Fig.7　Variation of crucial point’s displacement on vertical plane in the presence of different anchorage forces

由圖7可知，4種不同錨固力大小的重點(diǎn)支護(hù)條件下，各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)朝坡外的水平向位移與錨固力的增大呈正相關(guān)關(guān)系，方案3的位移減小量是方案1的1.12倍，是方案2的1.05倍；方案4的位移減小量是方案1的1.2倍，是方案2的1.15倍，表明錨固力為3 000kN時(shí)效果最好，但根據(jù)設(shè)計(jì)和規(guī)范對(duì)弧形閘門(mén)閘墩開(kāi)挖邊坡變形的控制要求，2 000kN的錨索方案可以較好地達(dá)到要求。因此，建議在開(kāi)挖豎直面上采用預(yù)應(yīng)力為2 000kN的錨索，既滿足邊坡變形的要求，又降低了施工成本。

5結(jié)論

在卸荷巖體力學(xué)理論基礎(chǔ)之上，對(duì)電站深孔泄洪洞進(jìn)口邊坡加固方案進(jìn)行優(yōu)化分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 在預(yù)應(yīng)力錨索和系統(tǒng)錨桿配合使用的加固方案中，錨固角度的變化對(duì)加固效果有著明顯的影響。當(dāng)錨固角度從5°，10°逐漸增加到35°時(shí)，加固效果先變好后變差，位移變化量隨錨固角度增大呈倒U形分布，最佳錨固角度為20°，這較為符合本工程實(shí)際情況。

(2) 在本文中重點(diǎn)分析了泄洪洞弧形閘門(mén)閘墩處直立坡段處的加固優(yōu)化分析，在3種不同的錨固力方案中，采用2 000kN預(yù)應(yīng)力錨索加固方案的效果最合適，為本工程降低了成本，同時(shí)也為邊坡提供了足夠的穩(wěn)定性，能保證弧形閘門(mén)的正常運(yùn)行。

(3) 鑒于邊坡明顯的卸荷松弛和不利的地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布，為確保工程邊坡安全，施工期應(yīng)控制爆破開(kāi)挖，而且在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖揭露情況及時(shí)支護(hù)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)力度，若發(fā)現(xiàn)傾向坡外的中緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)錨固，以確保工程安全順利進(jìn)行。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Optimization Design of the Slope Anchorage of Deep DischargeTunnel Inlet of a Hydropower Station

HUYa-yun1,2，DENGHua-feng1，WANLiang-peng1,3，ZHOUMei-ling1

(1.KeyLaboratoryofGeologicalHazardsonThreeGorgesReservoirAreaunderMinistryofEducation,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China; 2.CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China; 3.SchoolofWaterResourcesandHydropowerEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

Abstract:The excavation and unloading deformation stability of the deep discharge tunnel inlet at a hydropower station were analyzed to optimize the anchorage angle using software ADINA in association with the actual geological conditions and the actual needs of deformation control. Moreover, the reinforcement effect of the slope under different anchorage forces and angles was analyzed. Results show that the reinforcement effect is the best when anchorage angle of depression is 20°, and anchoring force is inversely proportional to the slope deformation. In this paper, prestressed anchor of 2 000 kN was used to control the cost. Besides, radial gate is adopted at the vertical segment of the excavated slope of deep discharge tunnel, so the deformation at this position needs to be stringently controlled to guarantee the gate’s normal operation. Anchorage force has direct influence on the reinforcement effect. The research results offer reference for the anchorage design of high and steep slopes.

Key words:slope; anchorage angle; anchorage force; prestressed cables; stability

收稿日期：2015-03-24；修回日期：2015-05-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51439003)；水利部公益基金項(xiàng)目(201401029)；湖北省高等學(xué)校青年教師深入企業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(XD2014035)；三峽大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2014CX002)

作者簡(jiǎn)介：胡亞運(yùn)(1990-)，男，湖北天門(mén)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閹r土工程，(電話)15090903602(電子信箱)ctguhyy@163.com。 鄧華鋒(1979-)，男，湖北宜都人，副教授，主要研究方向?yàn)閹r土工程，(電話)13872585190(電子信箱)dhf8010@ctgu.edu.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150214

中圖分類號(hào)：TV651.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)06-0105-04

2016,33(06):105-108，114