廣西塬上水庫溢洪道邊坡穩(wěn)定性分析與支護(hù)方案比選

廣西塬上水庫溢洪道邊坡穩(wěn)定性分析與支護(hù)方案比選

1工程成本、質(zhì)量及防范兩大影響的接為了滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需要，近年來農(nóng)業(yè)節(jié)水工程在中國各地都取得了大量的建設(shè)。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(kuò)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(zhì)量以及整個工期。因此，根據(jù)具體的地質(zhì)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(hù)方案的研究由于傳統(tǒng)的極限平衡理論將滑動體視為剛體，沒考慮巖土體內(nèi)部變形與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系，在考慮地層特性、施工過程與支護(hù)措施等方面對邊坡穩(wěn)定性的影響時均具有局限性本文結(jié)合廣西馱英水庫溢洪道邊坡開挖支護(hù)具體工程實例，根據(jù)邊坡施工開挖揭露的實際工程地質(zhì)條件和施工過程出現(xiàn)的變形現(xiàn)狀，采用三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法對已施工邊坡開挖支護(hù)方案進(jìn)行評價，分析確定進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)的必要性，再提出兩種加強(qiáng)支護(hù)的處理方案并進(jìn)行計算比選，為邊坡加強(qiáng)支護(hù)實踐提供設(shè)計依據(jù)。2項目總結(jié)2.1《工程地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》ssl252-2017年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(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）其中溢洪道布置在瀝青混凝土心墻堆石壩右側(cè)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293.6m，自然坡度30°～45°，總長約420m。巖體開挖邊坡開挖比為1:1.25～1:0.2，開挖邊坡高度為30.0～77.8m。溢洪道的巖質(zhì)開挖邊坡基本為橫向坡，多傾向于邊坡外側(cè)，原設(shè)計采用錨桿噴混凝土進(jìn)行支護(hù)處理，以保證邊坡的穩(wěn)定，部分存在構(gòu)造發(fā)育的邊坡采用錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)處理。2.2工程地質(zhì)橫剖面根據(jù)開挖揭露的工程地質(zhì)條件，溢洪道邊坡巖性大致分為砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)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J溢洪道邊坡工程地質(zhì)橫剖面見圖1。根據(jù)開挖揭露的工程地質(zhì)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(yán)重，巖體沿層面、裂隙面產(chǎn)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(fēng)化深，破碎，層間泥化夾層發(fā)育。因此由于上述不良地質(zhì)條件的影響，溢洪道邊坡穩(wěn)定性較差。2.3溢洪道邊坡支護(hù)過程溢洪道開挖邊坡進(jìn)水渠及控制段（樁號溢-159.36~溢0+000.0）233.5m高程以上每級邊坡高15.0m，開挖坡比1:1.75，每級邊坡頂設(shè)3.0m寬馬道，共布設(shè)4級邊坡。233.5m高程以上開挖后邊坡最大高度為56.0m。233.5m高程以下按1:1.5~1:1.75進(jìn)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(jìn)水渠段、進(jìn)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(hù)過程中，溢洪道泄槽段樁號溢0+090.8~溢0+129.0m，高程235.5~204.7m邊坡出現(xiàn)開裂，在高程235.5m馬道出現(xiàn)拉裂縫，產(chǎn)狀為N60°W，NE∠80-90°，延伸長度約39.2m，裂縫寬2~10cm，往下3m范圍內(nèi)張開，無充填，部分充填上部生態(tài)護(hù)坡沖刷下來的粘土。在235.5~204.7m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2~5cm，順層發(fā)育，層間夾泥，局部微張，少許黑色渲染。在204~210m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(qiáng)風(fēng)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。目前邊坡已實施94根（M61~M154）預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)，預(yù)應(yīng)力為1000kN，排距為5m×5m，矩形布置，預(yù)應(yīng)力錨索實施位置見圖3。3模型構(gòu)建和參數(shù)選擇3.1模型求解和約束為充分研究溢洪道右岸邊坡在施工、加固支護(hù)工程中邊坡變形分布規(guī)律，通過ANSYS軟件構(gòu)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803m，Y方向取755m，鉛直方向最大高度有344m（從高程0m到高程344m）。計算模型共剖分單元1334836個，節(jié)點237179個，完全開挖后表層形態(tài)如圖4所示。由于所選取的研究區(qū)域賦存于廣闊的地質(zhì)條件下，模型四周及底部受到周邊地質(zhì)條件的約束，計算時在模型底部（高程Z=0m處）施加全約束，模型四周邊界設(shè)置法向約束。在初始條件中，未考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場。有限差分?jǐn)?shù)值計算中材料本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則3.2巖體強(qiáng)度的影響因素在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面導(dǎo)致巖體力學(xué)性質(zhì)的不連續(xù)性、不均一性和各向異性。因此，巖體的強(qiáng)度特征不僅取決于巖石自身強(qiáng)度，還與結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、巖體賦存的環(huán)境等因素有關(guān)。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL386-2007）3.3邊坡支護(hù)設(shè)計根據(jù)對各施工圖紙及開挖程序分析，在一定概化的基礎(chǔ)上可以確定用于數(shù)值模擬的開挖步以及支護(hù)過程，并劃分三種工況。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280.5m、265.5m、250.5m、235.5m、220.5m、205.5m、191.0m和溢洪道底部。工況一為邊坡邊開挖邊支護(hù)，當(dāng)邊坡開挖到下一高程時，用已施工的預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)到上一高程。工況二與工況三是在已施工預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上新增支護(hù)措施對邊坡加強(qiáng)支護(hù)。各工況下支護(hù)方案說明如表2。4計算與分析4.1變形方向位移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(hù)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+129m段、高程220.5~250.5m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J圖6為邊坡逐步開挖支護(hù)后Y方向位移云圖，其中支護(hù)的錨索為94根已實施的1000kN預(yù)應(yīng)力錨索（M61~M154）。全部開挖支護(hù)完成后，樁號溢0+067m~溢0+129m段、高程220.5~250.5m邊坡Y方向位移值較大，最大位移達(dá)到17.437mm，與僅開挖未支護(hù)時Y方向位移云圖相似。說明已經(jīng)施加的M61~M154預(yù)應(yīng)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(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞，有必要對較大變形區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)。4.2加強(qiáng)支護(hù)方案i方向位移在已施工預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上，用加強(qiáng)支護(hù)方案一加強(qiáng)支護(hù)。具體措施為：除已施工預(yù)應(yīng)力錨索外，在坡面新增多根錨索，預(yù)應(yīng)力為1500kN，排距為5m×5m，矩形布置，具體實施位置見圖7。圖8為邊坡用加強(qiáng)支護(hù)方案一加強(qiáng)支護(hù)后Y方向位移云圖，Y方向最大位移達(dá)到12.813mm。相對于僅開挖未支護(hù)時的17.438mm減少了4.625mm，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(jìn)行控制。4.3錨筋樁的支護(hù)在加強(qiáng)支護(hù)方案一支護(hù)后的基礎(chǔ)上，用加強(qiáng)支護(hù)方案二加強(qiáng)支護(hù)，如圖9。具體措施為：在220.5m和xa0235.5mxa0馬道上施4m×4m、xa015~20mxa0長xa0、3@28鋼筋xa0@150mm孔徑的錨筋樁Z1~Z69支護(hù)。圖10為邊坡用加強(qiáng)支護(hù)方案二加強(qiáng)支護(hù)后Y方向位移云圖，Y方向最大位移達(dá)到11.644mm，相對于僅開挖未支護(hù)時的17.438mm減少了5.794mm，并且較大變形區(qū)域范圍有明顯縮小。綜上說明加強(qiáng)支護(hù)方案二可以對較大變形區(qū)進(jìn)行良好的控制，且加固效果優(yōu)于加強(qiáng)支護(hù)方案一。5支護(hù)方向位移云圖經(jīng)過對根據(jù)溢洪道開挖揭露的工程地質(zhì)條件和邊坡現(xiàn)有變形及支護(hù)狀況的分析，結(jié)合FLAC3D軟件數(shù)值模擬結(jié)果，對兩種加強(qiáng)支護(hù)方案進(jìn)行比選，可以得出以下結(jié)論：（1）溢洪道右側(cè)邊坡施工期出現(xiàn)的裂縫所在開挖邊坡出露巖體為強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖，地層位于向斜核部，核部巖層傾角較陡，風(fēng)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J（2）已施工預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)下邊坡Y方向