王詠梅

(天津市武清區(qū)水務(wù)局，天津 301700)

1 引言

我國作為一個(gè)水利大國，在水利水電工程的修建、運(yùn)營過程中難以避免地會(huì)遇到一些不穩(wěn)定庫岸邊坡，面對(duì)這類棘手的工程地質(zhì)難題，水利行業(yè)內(nèi)越來越多的學(xué)者、技術(shù)人員逐漸意識(shí)到，對(duì)不穩(wěn)定斜坡的變形機(jī)制進(jìn)行研究具有十分重要的意義[1-5]。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)已經(jīng)做了很多研究[6-8]。

通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，近年來，行業(yè)相關(guān)人員圍繞這類課題做的工作主要集中于以下幾個(gè)方面：以實(shí)際工程為研究背景，將施工過程和地質(zhì)體的關(guān)系耦合起來協(xié)同研究[9]。抑或者是將傳統(tǒng)的傳遞系數(shù)法與地理信息技術(shù)(如ARCGIS)相結(jié)合，不僅可解決穩(wěn)定性定量計(jì)算，還可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性分區(qū)[10-11]，除了與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合越來越緊密，并進(jìn)行跨學(xué)科研究之外，還有學(xué)者將傳統(tǒng)的穩(wěn)定性計(jì)算方法進(jìn)行了改良，提出了與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況更為接近的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法[12]，這些科研成果都在一定程度上推動(dòng)著行業(yè)的不斷革新、進(jìn)步。

本文以北方某水庫邊坡作為研究對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)蓄水過程邊坡的應(yīng)力應(yīng)變特征和對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)情況進(jìn)行分析，揭示邊坡的變形機(jī)理，并提出處理措施，并予以驗(yàn)證。

2 工程案例概況

研究區(qū)水庫是黃河流域中的梯級(jí)水庫，總庫容3947萬m3，正常蓄水位229.00 m。

工程區(qū)地形相對(duì)高差100 m～150 m，庫區(qū)右岸以侵蝕堆積的低中山為主。庫區(qū)左岸上游有面積不大的夷平面零星殘留于山地頂部，地貌形態(tài)以侵蝕溶蝕的低中山為主。庫區(qū)左岸下游，僅可見一相對(duì)較為寬闊的剝蝕面以及馬蹄河與明月河之間的地形分水嶺。庫區(qū)主要出露巖性主要為千枚巖、板巖、變質(zhì)砂巖。

自2018年3月一期蓄水開始后某庫水邊坡出現(xiàn)輕微變形，至2018年5月二期蓄水后變形量開始逐漸增加，對(duì)水庫的運(yùn)營構(gòu)成了極大的威脅，本文主要依據(jù)此案例，對(duì)其變形成因進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

3 多場(chǎng)耦合的數(shù)值計(jì)算前處理

3.1 計(jì)算模型設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，使用二維有限元計(jì)算程序建立數(shù)值計(jì)算模型，見圖1。

圖1 原始計(jì)算模型

如圖1所示：千枚巖、變質(zhì)砂巖、板巖的網(wǎng)格單元尺寸范圍為1 m～5 m，為提高計(jì)算精度，對(duì)坡表千枚巖網(wǎng)格進(jìn)行加粗，網(wǎng)格形狀以四邊形為主，局部采用三角形單元控制。邊坡底面邊界長度為398 m，左側(cè)邊界高度為198 m，右側(cè)邊界高度為62 m。側(cè)面邊界采用X向位移、速度固定約束，底面采用Y向位移、速度固定約束。地下水位線結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆探情況進(jìn)行標(biāo)定，圖1中采用虛箭頭線表示。

合理的參數(shù)選取是進(jìn)行正確的穩(wěn)定性分析與治理工程設(shè)計(jì)的前提。通過室內(nèi)試驗(yàn)取值、參數(shù)反算、與工程經(jīng)驗(yàn)類比相結(jié)合，綜合選取工程區(qū)滑坡的巖土體物理力學(xué)參數(shù)，選取成果見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)綜合取值

3.2 工況與模擬方案標(biāo)定

本次數(shù)值計(jì)算主要考慮以下三種工況：

(1)工況一：一期蓄水(僅考慮自重，g=9.8 m/s2，對(duì)應(yīng)的蓄水位高程為234 m)

(2)工況二：二期蓄水(僅考慮自重，g=9.8 m/s2，對(duì)應(yīng)的蓄水位高程為256 m)。

(3)工況三：二期蓄水+治理措施(在工況二的基礎(chǔ)上，結(jié)合工況二的計(jì)算結(jié)果選定治理措施。)

數(shù)值計(jì)算方案：

(1)工況一將有限元軟件中的SWEEP/W和SIGMA/W模塊相結(jié)合，按實(shí)際情況繪制水位線，兩側(cè)邊界設(shè)置水頭，材料滲透系數(shù)利用Van Genuchten估計(jì)方法，結(jié)合體積含水量反推滲透系數(shù)，在滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，引入應(yīng)力、應(yīng)變分析模塊，對(duì)邊坡的響應(yīng)特征進(jìn)行分析。

(2)工況二：完成初步分析后，按照二期蓄水位添加水頭，進(jìn)行應(yīng)力重分布分析，并引入SLOPE/W模塊，材料參數(shù)不變，滑移面的判定結(jié)合工況一的最大剪切面進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算出穩(wěn)定性系數(shù)。

(3)工況三：在前面兩種工況分析的基礎(chǔ)上，分析治理方案對(duì)蓄水邊坡的影響，具體計(jì)算方案主要依據(jù)工況二的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行。針對(duì)削方、回填反壓這種措施，主要通過賦予null或新的材料單元(區(qū)域)進(jìn)行；針對(duì)抗滑樁、擋土墻、框架格構(gòu)這種承受三向荷載的措施，采用結(jié)構(gòu)梁模擬；針對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)應(yīng)力錨桿這種主要考慮軸力、剪切力的工程措施，采用結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行模擬，完成治理方案的應(yīng)力應(yīng)變分析后再進(jìn)行SLOPE/W應(yīng)力平衡計(jì)算，驗(yàn)證這種方案的可行性。

4 數(shù)值計(jì)算成果及分析

4.1 工況一計(jì)算結(jié)果及分析

圖2～圖5為工況一的研究區(qū)邊坡的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

圖2 工況一最大總應(yīng)力

圖3 工況一最小總應(yīng)力

圖4 工況一最大剪應(yīng)變

圖5 工況一合位移

由圖可知：在一期蓄水作用下，最大總應(yīng)力仍然與天然重力場(chǎng)基本一致，應(yīng)力量值與重力方向相同，量值大小與埋深呈正比，受壓應(yīng)力控制。最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力呈近似正交的關(guān)系。由此可見：場(chǎng)地所在的應(yīng)力環(huán)境條件對(duì)整體、局部穩(wěn)定性有利，最大剪切應(yīng)變方面，在板巖底面邊界出現(xiàn)了應(yīng)變集中，但量值較小，從位移量值上可以體現(xiàn)出來，最大位移量約3 mm，位移較小，可忽略不計(jì)，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 工況二計(jì)算結(jié)果及分析

圖6～圖10為研究區(qū)邊坡在二期蓄水作用下的計(jì)算結(jié)果云圖。

圖6 工況二最小總應(yīng)力

圖7 工況二最大剪應(yīng)變

圖8 工況二合位移

圖9 工況二網(wǎng)格變形趨勢(shì)

圖10 工況二穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由最小總應(yīng)力圖可看出，最小總應(yīng)力呈條狀分布，隨著深度的增加而增加，壓應(yīng)力主要以重力場(chǎng)為主，最小總應(yīng)力負(fù)值(拉應(yīng)力區(qū))主要出現(xiàn)在板巖坡表以及板巖、變質(zhì)砂巖交界處，應(yīng)力集中以陡緩交界處最為明顯)，拉應(yīng)力最大值約80 kPa。

最大剪應(yīng)變方面，與工況一相比，有增加的趨勢(shì)，最大達(dá)到0.064，最大位移達(dá)到8 cm，從變形趨勢(shì)圖上可以發(fā)現(xiàn)變形主要分為兩段，邊坡中上部出現(xiàn)沉降，中部出現(xiàn)輕微擠壓但位移量較小，邊坡中下部出現(xiàn)沉降，下部出現(xiàn)擠壓，于巖體分界面處剪出，板巖與變質(zhì)砂巖的分界面為軟弱面，以此為依據(jù)，進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，系數(shù)值為0.975，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)以上分析，認(rèn)為水庫二期蓄水后，導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)變形，整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取治理工程措施。

4.3 工況三計(jì)算結(jié)果及分析

在前面的分析中發(fā)現(xiàn)：邊坡中上部與邊坡中下部對(duì)整體穩(wěn)定性至關(guān)重要，結(jié)合行業(yè)工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為采用回填反壓存在幾何空間不理想的問題，且盲目大挖大刷可能造成變形體擾動(dòng)，導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)整體失穩(wěn)，而采用抗滑樁、擋土墻進(jìn)行治理更是無從下手，因此在“削”“壓”和“支”“擋”都難以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，建議使用錨固措施，推薦采用“框架格構(gòu)梁+預(yù)應(yīng)力錨索”相結(jié)合的方式進(jìn)行處置，治理方案見圖11，預(yù)應(yīng)力錨索細(xì)部見圖12、圖13。

圖11 工況三計(jì)算模型

圖12 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖13 錨頭大樣圖

框架梁使用C30鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)立?，F(xiàn)澆施工。錨墩為0.6 m×0.6 m×0.4 m，框架截面為0.3 m×0.3 m，每片框架由6～7根豎肋和相應(yīng)的橫梁組成，施工時(shí)盡可能一次澆筑完成，當(dāng)分兩次澆筑時(shí)，豎肋間設(shè)置后澆帶。兩片框架間宜設(shè)置伸縮縫，寬2 cm，內(nèi)填瀝青麻筋。

錨索材料采用高強(qiáng)度低松弛4根φs15.2 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成，錨具用OVM15-4型，錨索長度15 m，自由端長度5 m，預(yù)應(yīng)力施加1000 kN。

建立數(shù)值模型后，進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見圖14～圖16。

圖14 工況三最大剪應(yīng)變

圖15 工況三合位移

圖16 工況三穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示：工況三的最大位移變形量降低為7 mm左右，最大剪應(yīng)變量值相比工況二降低了96.56%，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)值提升至1.325。由此可見：采用“框架格構(gòu)梁+預(yù)應(yīng)力錨索”治理是相對(duì)比較可靠的。

5 結(jié)論

本文以北方某黃河庫區(qū)庫岸邊坡為研究對(duì)象，調(diào)研了場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況建立了工程地質(zhì)模型，根據(jù)蓄水情況設(shè)計(jì)了數(shù)值計(jì)算方案，進(jìn)行了滲流、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)耦合計(jì)算，并進(jìn)行了基于應(yīng)力平衡法的穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果提出了治理措施，并沿用先前建立的技術(shù)手段進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，在這個(gè)過程中，得出了以下四點(diǎn)主要結(jié)論，以期為類似工程提供參考依據(jù)：

(1)針對(duì)由千枚巖、變質(zhì)砂巖、板巖等變質(zhì)軟巖組成的庫水邊坡，在研究蓄水響應(yīng)特征這類問題時(shí)，采用有限元軟件進(jìn)行滲流、應(yīng)力場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算是基本可行的，今后對(duì)類似問題的研究可考慮采用這種技術(shù)手段作為參考。

(2)研究區(qū)邊坡在一期蓄水位下的最大總應(yīng)力場(chǎng)與天然重力場(chǎng)基本一致，應(yīng)力量值與重力方向相同，量值大小與埋深呈正比，受壓應(yīng)力控制。最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力呈近似正交的關(guān)系，整體受壓應(yīng)力控制，最大位移量約3 mm，可忽略不計(jì)，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)研究區(qū)邊坡在二期蓄水位下，最小總應(yīng)力呈條狀分布，隨著深度的增加而增加，壓應(yīng)力主要以重力場(chǎng)為主，最小總應(yīng)力負(fù)值(拉應(yīng)力區(qū))主要出現(xiàn)在板巖坡表以及板巖、變質(zhì)砂巖交界處(以陡緩交界處最為明顯，甚至出現(xiàn)了應(yīng)力集中)，板巖與變質(zhì)砂巖的分界面為軟弱面，穩(wěn)定性系數(shù)為0.975，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)研究區(qū)邊坡中上部與邊坡中下部的穩(wěn)定性對(duì)整體穩(wěn)定性至關(guān)重要，結(jié)合行業(yè)工程經(jīng)驗(yàn)，建議采用“框架格構(gòu)梁+預(yù)應(yīng)力錨索”結(jié)合的方式進(jìn)行治理，計(jì)算結(jié)果顯示：最大位移變形量降低為7 mm左右，最大剪應(yīng)變量值相比工況二降低了96.56%，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)值增加至1.325。由此可見：采用這種方案進(jìn)行治理是相對(duì)可靠的。