羅延婷 劉振紅 魏杰 王耀邦

摘要：為了使系統(tǒng)錨桿對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡的加固支護(hù)作用最有效，以系統(tǒng)錨桿加固的巖體邊坡為研究對(duì)象，提出基于結(jié)構(gòu)面組合分析的高陡巖質(zhì)邊坡系統(tǒng)錨桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。采用結(jié)構(gòu)面組合分析—確定最優(yōu)不利結(jié)構(gòu)面—確定最優(yōu)錨固角—確定最優(yōu)錨桿長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)流程，對(duì)黃藏寺水利樞紐左壩肩高陡巖質(zhì)邊坡的系統(tǒng)錨桿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過剛體極限平衡法計(jì)算，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后的系統(tǒng)錨桿，其支護(hù)的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)最大。該方法充分考慮了巖體不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面，通過其設(shè)計(jì)的系統(tǒng)錨桿對(duì)開挖邊坡的支護(hù)作用效果最優(yōu)，使系統(tǒng)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)更科學(xué)、更安全、更經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：高陡巖質(zhì)邊坡;系統(tǒng)錨桿;人造結(jié)構(gòu)面;黃藏寺水利樞紐;黑河

中圖分類號(hào)：U455.7⁺1;U213.1⁺58 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

公路、鐵路、水利、電力等工程建設(shè)很多需要人工開挖邊坡，尤其是大型水電工程，無法回避高陡巖質(zhì)邊坡問題，拱壩、重力壩的理想壩址V形河谷更是深切河谷復(fù)雜地質(zhì)條件的代表性河谷形態(tài)，其內(nèi)在的地質(zhì)成因決定了復(fù)雜的地質(zhì)特性和工程建設(shè)的特殊難度[1]。

在巖質(zhì)高邊坡的開挖支護(hù)中，錨桿支護(hù)一般是不可或缺的。邊坡支護(hù)錨桿可分為預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力兩大系列。不少學(xué)者對(duì)錨桿支護(hù)進(jìn)行過深入研究，取得了大量成果。劉佳龍等[2]對(duì)非預(yù)應(yīng)力錨桿的長(zhǎng)度和角度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);林杭等[3]通過FLAC3D建立數(shù)值模型，對(duì)錨桿長(zhǎng)度和角度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，認(rèn)為錨桿加固時(shí)存在有效錨固長(zhǎng)度和最優(yōu)錨固角;張良發(fā)[4]研究了錨桿參數(shù)優(yōu)化對(duì)開挖邊坡加固的影響。但是文獻(xiàn)[2-4]所支護(hù)的邊坡均為簡(jiǎn)化的各向同性的均質(zhì)巖體，沒有考慮巖體結(jié)構(gòu)中不利結(jié)構(gòu)面組合的影響。宋勝武等[1]側(cè)重于研究高陡邊坡深層穩(wěn)定的分析及加固設(shè)計(jì)。洪海春[5]研究了單孔多筋全長(zhǎng)黏結(jié)式長(zhǎng)錨桿的長(zhǎng)度、直徑對(duì)錨固性能的影響，未考慮巖體結(jié)構(gòu)。鄭軍輝[6]研究了部分錨桿失效時(shí)邊坡加固方法。陳勇[7]研究了大錨桿加固順層巖質(zhì)邊坡的工程地質(zhì)技術(shù)。張寧[8]通過模型試驗(yàn)研究了錨桿對(duì)三維裂隙巖體的加固止裂效應(yīng)。龍照等[9]推導(dǎo)了預(yù)應(yīng)力錨桿的臨界錨固長(zhǎng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。渠時(shí)勤等[10]根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨桿破壞受力情況分析，提出錨桿錨固段合理設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。林杭等[11]研究了錨桿長(zhǎng)短相間布置形式對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，其支護(hù)的邊坡為均質(zhì)土坡。朱晗迓[12]研究了通過預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)對(duì)破碎巖質(zhì)邊坡進(jìn)行加固的技術(shù)可行性。陳永貴等[13]提出采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固、掛網(wǎng)噴射混凝土護(hù)坡的治理措施，可以增強(qiáng)邊坡的整體穩(wěn)定性。唐秋元等[14]提出巖石邊坡錨桿不同計(jì)算方法的總錨固力從大到小為極限平衡法>強(qiáng)度折減法>等效內(nèi)摩擦角法>數(shù)值分析計(jì)算法>側(cè)向巖石壓力法>剩余下滑力法。

系統(tǒng)錨桿屬于非預(yù)應(yīng)力錨桿，其作用是加固巖質(zhì)邊坡的淺表層。根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50086-2015）[15]，不同類型工程的非預(yù)應(yīng)力錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)可根據(jù)地層條件按經(jīng)驗(yàn)或穩(wěn)定性分析確定。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL386-2007）[16]，巖質(zhì)邊坡的非預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)錨桿的孔向宜與主要結(jié)構(gòu)面垂直或呈較大夾角。在實(shí)際的開挖支護(hù)中按經(jīng)驗(yàn)值確定錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生錨桿支護(hù)失效的情況。若根據(jù)地層條件按穩(wěn)定性分析確定，同樣會(huì)產(chǎn)生錨桿支護(hù)失效的問題。

本文結(jié)合在建的黃藏寺水利樞紐工程，針對(duì)左壩肩高陡巖質(zhì)邊坡系統(tǒng)錨桿支護(hù)中存在的問題，提出基于結(jié)構(gòu)面組合分析的高陡巖質(zhì)邊坡系統(tǒng)錨桿參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 研究對(duì)象

黃藏寺水利樞紐壩址位于青海省祁連縣黃藏寺村下游約11km的黑河干流上，壩址控制流域面積7648km²，水庫總庫容4.03億m³，電站裝機(jī)容量49MW，屬于大（2）型綜合利用水利樞紐工程，被列入國家172項(xiàng)重大節(jié)水供水工程。

大壩壩高123m，兩岸山體渾厚，基巖為寒武系中統(tǒng)的綠泥石白云母石英片巖，屬中硬巖。河谷狹窄，呈V形，右岸坡度為45～°60°，左岸更為陡峻，坡度為60°～80°。大壩邊坡的級(jí)別為2級(jí)，兩壩肩高陡巖質(zhì)邊坡開挖支護(hù)方式為自上而下、分區(qū)、分級(jí)、分塊開挖并及時(shí)支護(hù)。左壩肩邊坡開挖高度約239m，開挖邊坡2666m高程以上采用每15m布置一級(jí)2m寬馬道，2666m高程以下每20m布置一級(jí)2m寬馬道。左壩肩邊坡開挖設(shè)計(jì)平面見圖1。

左壩肩高陡邊坡分區(qū)分級(jí)開挖的支護(hù)參數(shù)為：

（1）L0開挖區(qū)大壩建基面范圍內(nèi)邊坡，噴5cm厚M25F200砂漿，待壩體混凝土澆筑前將所噴砂漿清除干凈;

（2）L1開挖區(qū)噴0.1m厚混凝土，掛鋼筋網(wǎng)Φ8mm@0.2m，普通水泥砂漿錨桿Φ25mm、間排距2.5m、錨固角為10°、長(zhǎng)度6m;

（3）L2開挖區(qū)除噴錨支護(hù)外，局部采用隨機(jī)錨索支護(hù)，錨索型式、位置、間距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖揭示的地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整;

（4）L3開挖區(qū)為上覆土質(zhì)邊坡，開挖坡比為1：1.35，采用混凝土格構(gòu)植草支護(hù)。

本文的研究對(duì)象為黃藏寺水利樞紐左壩肩高陡巖質(zhì)邊坡Ll和L2開挖區(qū)的系統(tǒng)錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)。L1和L2開挖區(qū)均為巖質(zhì)邊坡，設(shè)計(jì)開挖邊坡坡比為1：0.5和1：0.75，均采用系統(tǒng)錨桿加掛網(wǎng)噴混凝土的支護(hù)措施。

2 結(jié)構(gòu)面組合分析，確定最優(yōu)不利結(jié)構(gòu)面

統(tǒng)計(jì)分析左壩肩邊坡的159個(gè)原生結(jié)構(gòu)面，同開挖邊坡（人造結(jié)構(gòu)面）進(jìn)行組合，結(jié)合穩(wěn)定性計(jì)算分析，確定相對(duì)于開挖邊坡的最優(yōu)不利結(jié)構(gòu)面。L1和L2開挖區(qū)設(shè)計(jì)開挖邊坡類型有3種，將開挖邊坡按人造結(jié)構(gòu)面考慮，則可換算成3種（表1）。以節(jié)理面與人造結(jié)構(gòu)面2為例進(jìn)行組合分析，另外兩種人造結(jié)構(gòu)面的組合分析方法同此。

2.1 建立設(shè)計(jì)開挖邊坡的計(jì)算模型，鎖定不利節(jié)理面范圍

模型坡高按一級(jí)開挖15m的高度考慮，人造結(jié)構(gòu)面2的產(chǎn)狀為160°∠63°，假定節(jié)理面與人造結(jié)構(gòu)面2構(gòu)成了不利組合，a為節(jié)理面與人造結(jié)構(gòu)面2的視夾角（圖2）。通過調(diào)整視夾角的范圍來確定對(duì)人造結(jié)構(gòu)面2不利的節(jié)理面的范圍，分別取視夾角a為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°，采用剛體極限平衡法進(jìn)行天然工況下的穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算參數(shù)取值：①片巖巖體容重N=27kN/m³、黏聚力c=0kPa、摩擦角φ=40°;②節(jié)理面黏聚力c=2kPa、摩擦角φ=30°;③錨固段錨桿直徑76mm，配筋1E25，筋漿強(qiáng)度f_b=1000kPa。計(jì)算結(jié)果見表2。

由計(jì)算結(jié)果可知，隨著視夾角增大，人造結(jié)構(gòu)面2與節(jié)理面組合的邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大，視夾角a小于30°時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)小于1。因此，需要從159個(gè)節(jié)理面中篩選出與人造結(jié)構(gòu)面2的視夾角小于30°的節(jié)理面，該范圍的節(jié)理面對(duì)于開挖巖質(zhì)邊坡來說屬于不利節(jié)理面，篩選的19個(gè)節(jié)理面見表3。

2.2 從不利節(jié)理面中確定最優(yōu)不利節(jié)理面

視夾角越小，人造結(jié)構(gòu)面2與節(jié)理面組合的邊坡穩(wěn)定系數(shù)越小，雖然最不利于邊坡穩(wěn)定，但系統(tǒng)錨桿對(duì)這種視夾角小的開挖邊坡的支護(hù)作用最強(qiáng)，因?yàn)槊恳桓^桿都能嵌人節(jié)理面以內(nèi)的穩(wěn)固巖體中。當(dāng)視夾角增大時(shí)，上部沒有嵌入節(jié)理面以內(nèi)穩(wěn)固巖體的錨桿的數(shù)量會(huì)增多?？梢?，系統(tǒng)錨桿支護(hù)的有效性就體現(xiàn)在使盡可能多的錨桿嵌人節(jié)理面以內(nèi)的穩(wěn)固巖體中。

系統(tǒng)錨桿能有效加固視夾角大的不穩(wěn)定開挖邊坡，則必定能加固視夾角小的不穩(wěn)定開挖邊坡。因此，相對(duì)于人造結(jié)構(gòu)面2的系統(tǒng)錨桿支護(hù)的最優(yōu)不利節(jié)理面為最接近視夾角300的節(jié)理面，即j4、產(chǎn)狀180°∠36°。

利用相同的分析方法，確定相對(duì)于人造結(jié)構(gòu)面1的系統(tǒng)錨桿支護(hù)的最優(yōu)不利節(jié)理面產(chǎn)狀為115°∠33°，相對(duì)于人造結(jié)構(gòu)面3的系統(tǒng)錨桿支護(hù)的最優(yōu)不利節(jié)理面產(chǎn)狀為130°/∠37°。

3 確定最優(yōu)錨固角

通過結(jié)構(gòu)面組合分析方法確定了3種最優(yōu)不利節(jié)理面。以人造結(jié)構(gòu)面2與其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)不利節(jié)理面（180°∠36°）的組合分析為例，確定最優(yōu)錨固角。

將圖2中的節(jié)理面用相對(duì)于人造結(jié)構(gòu)面2的系統(tǒng)錨桿支護(hù)的最優(yōu)不利節(jié)理面（產(chǎn)狀180°∠36°）替換，計(jì)算參數(shù)不變，系統(tǒng)錨桿的間距固定為2.5m不變。假如系統(tǒng)錨桿足夠長(zhǎng)，每一根錨桿都能嵌人到穩(wěn)定巖體中，則任何錨固角度均能起到較好的支護(hù)效果。只有當(dāng)錨桿長(zhǎng)度相對(duì)短時(shí)，才能顯示錨固角的改變對(duì)支護(hù)作用的影響。為此，取系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度為6m，以確定最優(yōu)錨固角。分別計(jì)算錨固角為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算工況為天然工況，結(jié)果見表4和圖3。

由計(jì)算結(jié)果可知，隨著錨固角的增大，穩(wěn)定系數(shù)呈拋物線變化，峰值處的穩(wěn)定系數(shù)為1.018，對(duì)應(yīng)的錨固角為25°，即為最優(yōu)錨固角。

采用相同的分析方法確定開挖邊坡1系統(tǒng)錨桿的最優(yōu)錨固角為23°，開挖邊坡3系統(tǒng)錨桿的最優(yōu)錨固角為25°。

4 確定最優(yōu)錨桿長(zhǎng)度

穩(wěn)定性計(jì)算中將開挖邊坡2系統(tǒng)錨桿的錨固角設(shè)定為最優(yōu)錨固角25°。非預(yù)應(yīng)力錨桿作為系統(tǒng)錨桿時(shí)，長(zhǎng)度可為3～15m[16]，計(jì)算系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度為3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15m時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算工況為天然工況，結(jié)果見表5和圖4。

由計(jì)算結(jié)果可知，系統(tǒng)錨桿的錨固角設(shè)定為最優(yōu)錨固角25°時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)隨錨桿長(zhǎng)度的增大不斷增大，錨桿長(zhǎng)度達(dá)到11m時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到最大，再繼續(xù)增加錨桿長(zhǎng)度時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)保持不變，該錨桿長(zhǎng)度為峰值錨桿長(zhǎng)度，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.159，滿足規(guī)范中持久工況安全系數(shù)為1.25～1.15的要求，因此該錨桿長(zhǎng)度為最優(yōu)錨桿長(zhǎng)度。

利用相同的分析方法，確定開挖邊坡1和開挖邊坡3系統(tǒng)錨桿的最優(yōu)錨桿長(zhǎng)度分別為9m和6m。

5 系統(tǒng)錨桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果對(duì)比

黃藏寺水利樞紐左壩肩高陡巖質(zhì)邊坡L1和L2開挖區(qū)系統(tǒng)錨桿的原設(shè)計(jì)參數(shù)為錨桿025mm、間排距2.5m、錨固角為10°、長(zhǎng)度6m。經(jīng)過優(yōu)化后的系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)分為3種：

（1）開挖邊坡1（人造結(jié)構(gòu)面1，產(chǎn)狀125°∠63°）系統(tǒng)錨桿參數(shù)為錨桿Φ25mm、間排距2.5m、錨固角為23°、長(zhǎng)度9m;

（2）開挖邊坡2（人造結(jié)構(gòu)面2，產(chǎn)狀160°∠63°）系統(tǒng)錨桿參數(shù)為錨桿Φ25mm、間排距2.5m、錨固角為25°、長(zhǎng)度11m;

（3）開挖邊坡3（人造結(jié)構(gòu)面3，產(chǎn)狀160°∠63°）系統(tǒng)錨桿參數(shù)為錨桿Φ25mm、間排距2.5m、錨固角為25°、長(zhǎng)度6m。

按系統(tǒng)錨桿原設(shè)計(jì)參數(shù)和經(jīng)過優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)分別對(duì)3種開挖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，考慮天然和地震兩種工況，計(jì)算結(jié)果見表6。

由表6可知，原設(shè)計(jì)的系統(tǒng)錨桿對(duì)開挖邊坡淺表層的支護(hù)效果是明顯的，在天然狀態(tài)下，將不穩(wěn)定的淺表層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)提高到1.0以上。在不改變?cè)O(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度的前提下，改變錨固角至最優(yōu)錨固角，則其穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)一步提高，開挖邊坡3甚至滿足了規(guī)范要求的安全系數(shù)。如果采用優(yōu)化后的系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)，則天然工況下3種開挖邊坡的淺表層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)均大于1.15，滿足規(guī)范《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL386-2007）的要求，對(duì)淺表層邊坡的支護(hù)作用顯然最有效。

6 結(jié)語

為了使系統(tǒng)錨桿對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡的加固支護(hù)作用最有效，以巖體邊坡為研究對(duì)象，提出了基于結(jié)構(gòu)面組合分析的高陡巖質(zhì)邊坡系統(tǒng)錨桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。其設(shè)計(jì)流程為結(jié)構(gòu)面組合分析一確定最優(yōu)不利結(jié)構(gòu)面一確定最優(yōu)錨固角一確定最優(yōu)錨桿長(zhǎng)度。通過對(duì)黃藏寺水利樞紐左壩肩高陡巖質(zhì)邊坡系統(tǒng)錨桿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)錨桿加固后巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)最大。該方法可對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡的系統(tǒng)錨桿進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，對(duì)開挖巖質(zhì)邊坡產(chǎn)生最有效的支護(hù)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋勝武，向柏宇，楊靜熙，等.錦屏一級(jí)水電站復(fù)雜地質(zhì)條件下壩肩高陡邊坡穩(wěn)定性分析及其加固設(shè)計(jì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（3）：443-458.

[2]劉佳龍，賀雷，馮自霞，等.巖質(zhì)高挖方邊坡錨桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].巖土力學(xué)，2016，37（增刊2）：376-396.

[3]林杭，鐘文文，熊威，等.錨桿長(zhǎng)度與邊坡坡率對(duì)最優(yōu)錨固角的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（增刊2）：15-19.

[4]張良發(fā).錨桿參數(shù)優(yōu)化在開挖邊坡加固中的應(yīng)用研究[J].資源與環(huán)境工程，2011，25（3）：249-251.

[5]洪海春.邊坡巖體錨固性能研究及其工程應(yīng)用[D].南京：河海大學(xué)，2007：6-15.

[6]鄭軍輝.部分錨桿失效時(shí)邊坡加固方法[D].重慶：重慶大學(xué)，2014：9-21.

[7]陳勇.大錨桿加固順層巖質(zhì)邊坡的工程地質(zhì)技術(shù)[D].成都：西南交通大學(xué)，2006：17-33.

[8]張寧.錨桿對(duì)三維裂隙巖體加固止裂效應(yīng)試驗(yàn)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009：3-17.

[9]龍照，趙明華，張恩詳，等.錨桿臨界錨固長(zhǎng)度簡(jiǎn)化計(jì)算方法[J].巖土力學(xué)，2010，31（9）：2993-3011.

[10]渠時(shí)勤，黃忠木.錨桿錨固段合理設(shè)計(jì)長(zhǎng)度分析[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，19（3）：95-108.

[11]林杭，陳寶成，范祥，等.錨桿錨固段合理設(shè)計(jì)長(zhǎng)度分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，46（2）：626-630.

[12]朱晗迓.破碎巖質(zhì)邊坡錨固技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005：15-50.

[13]陳永貴，鄒銀生，楊天春，等.三峽庫區(qū)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析與防治工程設(shè)計(jì)[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，1（7）：1002-1004.

[14]唐秋元，趙尚毅，鄭穎人，等.巖質(zhì)邊坡錨桿設(shè)計(jì)計(jì)算方法分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6（6）：1277-1280.

[15]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范：GB50086-2015[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2016：12-32.

[16]中華人民共和國水利部.水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范：SL386-2007[S].北京：中國水利水電出版社，2007：2-17.