彭成居，臧航航，黃 越，甘 彬，榮 冠

（1.廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072）

0 引 言

為滿足農業(yè)灌溉的需要，近年來農業(yè)水利工程在我國各地大量興建。隨著我國水利行業(yè)的蓬勃發(fā)展，工程規(guī)模和面積都在不斷擴大，水利工程邊坡問題不斷涌現(xiàn)。邊坡失穩(wěn)逐漸成為制約工程實施與運行的重要因素，直接影響到工程的成本、質量以及整個工期。因此，根據(jù)具體的地質條件和工程方案，深入開展水利工程開挖邊坡卸荷后穩(wěn)定性分析和支護方案的研究［1，2］，具有非常重要的工程實踐意義和經濟價值。

由于傳統(tǒng)的極限平衡理論將滑動體視為剛體，沒考慮巖土體內部變形與邊坡穩(wěn)定性之間的關系，在考慮地層特性、施工過程與支護措施等方面對邊坡穩(wěn)定性的影響時均具有局限性［3，4］?；贔LAC3D 數(shù)值方法模擬大型工程的邊坡或重要的邊坡剖面開挖卸荷過程，可以得到邊坡內部的應力分布狀況、塑性區(qū)的分布范圍和位移等［5-7］。此外，F(xiàn)LAC3D 中可以對邊坡工程支護措施中的抗滑樁、預應力錨索等進行模擬，仿真演算各種工況下抗滑樁、預應力錨索等的作用機理和局部應力狀態(tài)［8，9］。

本文結合廣西馱英水庫溢洪道邊坡開挖支護具體工程實例，根據(jù)邊坡施工開挖揭露的實際工程地質條件和施工過程出現(xiàn)的變形現(xiàn)狀，采用三維有限差分數(shù)值模擬方法對已施工邊坡開挖支護方案進行評價，分析確定進行加強支護的必要性，再提出兩種加強支護的處理方案并進行計算比選，為邊坡加強支護實踐提供設計依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程介紹

馱英水庫是左江流域明江支流公安河上規(guī)劃的龍頭灌溉水庫，是一座以灌溉為主，兼顧供水、發(fā)電、防洪等綜合利用的水庫樞紐工程。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2017）［10］及《灌溉與排水工程設計規(guī)范》（GB 50288-2018）［11］相關規(guī)定，馱英水庫為Ⅱ等大（2）型工程。

其中溢洪道布置在瀝青混凝土心墻堆石壩右側的山坡上，區(qū)域地貌屬低山地貌。溢洪道右岸邊坡山頭高程293.6 m，自然坡度30°～45°，總長約420 m。巖體開挖邊坡開挖比為1∶1.25～1∶0.2，開挖邊坡高度為30.0～77.8 m。溢洪道的巖質開挖邊坡基本為橫向坡，多傾向于邊坡外側，原設計采用錨桿噴混凝土進行支護處理，以保證邊坡的穩(wěn)定，部分存在構造發(fā)育的邊坡采用錨索進行加強支護處理。

1.2 工程地質條件

根據(jù)開挖揭露的工程地質條件，溢洪道邊坡巖性大致分為砂巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖三大類，呈夾層狀或互層狀，在溢洪道主要出露為6 層。在J1b1-4層中發(fā)育J1b1-4-2層的砂巖，該層中發(fā)育4 條寬0.5～3.0 cm 紫紅色泥化夾層條帶，類型為泥夾巖屑型和泥型，順層發(fā)育，性狀差。

溢洪道邊坡工程地質橫剖面見圖1。根據(jù)開挖揭露的工程地質條件，溢洪道邊坡巖體斷層不發(fā)育，但巖體褶皺現(xiàn)象和節(jié)理裂隙發(fā)育。溢洪道共發(fā)育有2 條褶皺，這些褶皺均與河流走向正交或稍斜交，造成溢洪道邊坡巖體扭曲、破碎嚴重，巖體沿層面、裂隙面產生錯動現(xiàn)象，錯動面發(fā)育泥膜和泥化夾層。砂巖巖層受褶皺發(fā)育的影響，巖體風化深，破碎，層間泥化夾層發(fā)育。因此由于上述不良地質條件的影響，溢洪道邊坡穩(wěn)定性較差。

圖1 溢洪道邊坡工程地質橫剖面圖Fig.1 The geological cross-sectional map of the spillway slope project

1.3 邊坡變形及支護現(xiàn)狀

溢洪道開挖邊坡進水渠及控制段（樁號溢-159.36～溢0+000.0）233.5 m高程以上每級邊坡高15.0 m，開挖坡比1∶1.75，每級邊坡頂設3.0 m 寬馬道，共布設4 級邊坡。233.5 m 高程以上開挖后邊坡最大高度為56.0 m。233.5 m 高程以下按1∶1.5～1∶1.75進行削坡。

溢洪道邊坡于2018年5月開始開挖右岸工程邊坡，主要開挖為上游進水渠段、進水渠漸變段和控制段。2020年3月基本完成溢洪道邊坡開挖工作。2020年8月12 號溢洪道邊坡支護過程中，溢洪道泄槽段樁號溢0+090.8～溢0+129.0 m，高程235.5～204.7 m 邊坡出現(xiàn)開裂，在高程235.5 m 馬道出現(xiàn)拉裂縫，產狀為N60°W，NE∠80-90°，延伸長度約39.2 m，裂縫寬2～10 cm，往下3 m 范圍內張開，無充填，部分充填上部生態(tài)護坡沖刷下來的黏土。在235.5～204.7 m兩級坡面上出現(xiàn)剪裂縫，坡面的噴射混凝土面出現(xiàn)裂縫，寬2～5 cm，順層發(fā)育，層間夾泥，局部微張，少許黑色渲染。在204～210 m 高程處，沿層面出現(xiàn)剪出口，在溢洪道邊墻混凝土平臺上出現(xiàn)少許強風化砂巖碎塊。2020年8月13號滑坡現(xiàn)狀地貌及滑坡周界見圖2。

圖2 2020年8月13號滑坡地貌及滑坡周界Fig.2 The landform and perimeter of the landslide on August 13，2020

目前邊坡已實施94 根（M61～M154）預應力錨索進行支護，預應力為1 000 kN，排距為5 m×5 m，矩形布置，預應力錨索實施位置見圖3。

圖3 已施工預應力錨索布置圖Fig.3 Layout of prestressed anchor cables that have been implemented

2 模型建立和參數(shù)選取

2.1 數(shù)值計算模型的建立

為充分研究溢洪道右岸邊坡在施工、加固支護工程中邊坡變形分布規(guī)律，通過ANSYS軟件構建了研究區(qū)域三維有限元數(shù)值計算模型，X軸正方向指向正東，Y軸正方向指向正北，Z軸正方向鉛直向上。模型計算范圍X方向取803 m，Y方向取755 m，鉛直方向最大高度有344 m（從高程0 m 到高程344 m）。計算模型共剖分單元1 334 836 個，節(jié)點237 179 個，完全開挖后表層形態(tài)如圖4所示。

圖4 所有開挖步驟完成后邊坡形態(tài)圖Fig.4 Slope shape after all excavation steps are completed

由于所選取的研究區(qū)域賦存于廣闊的地質條件下，模型四周及底部受到周邊地質條件的約束，計算時在模型底部（高程Z=0 m 處）施加全約束，模型四周邊界設置法向約束。在初始條件中，未考慮構造應力，僅考慮自重應力產生的初始應力場。

有限差分數(shù)值計算中材料本構模型采用理想彈塑性模型，屈服準則采用摩爾-庫侖準則［12］。預應力錨索采用FLAC3D 軟件提供的Cable 單元來模擬，錨筋樁采用FLAC3D 軟件提供的Pile單元來模擬。

2.2 巖體力學參數(shù)選取

在結構面切割作用下，天然巖體中容易形成大小不一的巖塊，這些結構面導致巖體力學性質的不連續(xù)性、不均一性和各向異性。因此，巖體的強度特征不僅取決于巖石自身強度，還與結構面強度、巖體賦存的環(huán)境等因素有關。

根據(jù)《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》（SL386-2007）［13］，結合馱英溢洪道右側邊坡工程地質勘察所得的各巖體主要物理力學參數(shù)建議值，綜合得出的數(shù)值計算涉及的巖體力學基本參數(shù)，如表1所示。

表1 巖體力學參數(shù)表Tab.1 The table of rock mechanics parameters

2.3 開挖與支護方案說明

根據(jù)對各施工圖紙及開挖程序分析，在一定概化的基礎上可以確定用于數(shù)值模擬的開挖步以及支護過程，并劃分3 種工況。在溢洪道右岸邊坡按馬道大致劃分開挖階段開挖，每一級開挖高程分別為280.5、265.5、250.5、235.5、220.5、205.5、191.0 m和溢洪道底部。

工況一為邊坡邊開挖邊支護，當邊坡開挖到下一高程時，用已施工的預應力錨索支護到上一高程。工況二與工況三是在已施工預應力錨索支護的基礎上新增支護措施對邊坡加強支護。各工況下支護方案說明如表2。

表2 開挖與支護方案說明表Tab.2 The excavation and support scheme description table

3 計算結果與分析

3.1 已施工預應力錨索支護下邊坡變形分析

橫河向位移對邊坡穩(wěn)定性有較大影響，以Y軸方向位移最具代表性，所以主要分析不同施工工況下邊坡Y 軸方向位移分布情況。

圖5 為根據(jù)實際情況模擬，在無支護條件下邊坡逐級開挖工況下的數(shù)值模擬得到的Y方向位移云圖。從圖中可看出，大部分坡面的Y方向位移趨勢為指向坡外，開挖面以卸荷回彈位移為主。樁號溢0+067m～溢0+129 m 段、高程220.5～250.5 m 邊坡Y方向位移值較大，與實際工程出現(xiàn)的拉裂縫位置吻合，說明破碎砂巖層J1b1-4-2對位移場有一定影響，Y方向最大位移達到17.438 mm。另外溢洪道下游出現(xiàn)區(qū)部位移偏大，大小在5～8 mm。

圖5 完全開挖未支護工況下Y方向位移云圖（單位：m）Fig.5 Y-direction displacement cloud diagram under fully excavated and unsupported conditions

圖6 為邊坡逐步開挖支護后Y方向位移云圖，其中支護的錨索為94根已實施的1 000 kN預應力錨索（M61～M154）。全部開挖支護完成后，樁號溢0+067 m～溢0+129 m 段、高程220.5～250.5 m邊坡Y方向位移值較大，最大位移達到17.437 mm，與僅開挖未支護時Y方向位移云圖相似。說明已經施加的M61～M154預應力錨索對較大變形區(qū)的加固效果不明顯。為確保邊坡裂縫不繼續(xù)發(fā)展而導致邊坡失穩(wěn)破壞，有必要對較大變形區(qū)進一步加強支護。

圖6 逐級開挖支護工況下Y方向位移云圖（單位：m）Fig.6 Y-direction displacement cloud diagram under step-by-step excavation and support

3.2 加強支護方案一支護后邊坡變形分析

在已施工預應力錨索支護的基礎上，用加強支護方案一加強支護。具體措施為：除已施工預應力錨索外，在坡面新增多根錨索，預應力為1 500 kN，排距為5 m×5 m，矩形布置，具體實施位置見圖7。

圖7 加強支護方案一預應力錨索布置圖Fig.7 Prestressed anchor cables layout of reinforced support scheme one

圖8 為邊坡用加強支護方案一加強支護后Y方向位移云圖，Y方向最大位移達到12.813 mm。相對于僅開挖未支護時的17.438 mm 減少了4.625 mm，并且較大變形區(qū)域范圍有所縮小，可以對較大變形區(qū)進行控制。

圖8 加強支護方案一支護后Y方向位移云圖（單位：m）Fig.8 Y-direction displacement cloud diagram after reinforced support scheme one

3.3 加強支護方案二支護后的變形分析

在加強支護方案一支護后的基礎上，用加強支護方案二加強支護，如圖9。具體措施為：在220.5 m 和235.5 m 馬道上施4×4 m、15～20 m 長、3@28 鋼筋@150 mm 孔徑的錨筋樁Z1～Z69支護。

圖9 加強支護方案二預應力錨索和錨筋樁布置圖Fig.9 Prestressed anchor cables layout of reinforced support scheme two

圖10 為邊坡用加強支護方案二加強支護后Y方向位移云圖，Y方向最大位移達到11.644 mm，相對于僅開挖未支護時的17.438 mm 減少了5.794 mm，并且較大變形區(qū)域范圍有明顯縮小。

圖10 加強支護方案二支護后Y方向位移云圖（單位：m）Fig.10 Y-direction displacement cloud diagram after reinforced support scheme two

綜上說明加強支護方案二可以對較大變形區(qū)進行良好的控制，且加固效果優(yōu)于加強支護方案一。

4 結 論

經過對根據(jù)溢洪道開挖揭露的工程地質條件和邊坡現(xiàn)有變形及支護狀況的分析，結合FLAC3D軟件數(shù)值模擬結果，對兩種加強支護方案進行比選，可以得出以下結論。

（1）溢洪道右側邊坡施工期出現(xiàn)的裂縫所在開挖邊坡出露巖體為強風化砂巖夾泥質粉砂巖，地層位于向斜核部，核部巖層傾角較陡，風化較深，巖體破碎。各工況下，邊坡受卸荷回彈影響，變形指向坡外，破碎砂巖層J1b1-4-2對位移場有一定影響，較大變形區(qū)與施工期出現(xiàn)的拉裂縫位置吻合。

（2）已施工預應力錨索支護下邊坡Y方向位移云圖與僅開挖未支護時相似，說明已經施加的M61～M154 預應力錨索對邊坡較大變形區(qū)的加固效果不明顯。根據(jù)現(xiàn)有地質成果，為確保邊坡裂縫不繼續(xù)發(fā)展而導致邊坡失穩(wěn)破壞，有必要對較大變形區(qū)進一步加強支護。

（3）相比于錨索加強支護方案，錨索聯(lián)合錨筋樁加強支護方案加固后邊坡Y方向最大位移值與較大變形區(qū)域范圍明顯縮小，支護效果更理想，所以推薦用錨索聯(lián)合錨筋樁方案進行邊坡加固。 □