预应力锚索加固高陡边坡的变形特征分析

宋建庆

（山西省灵丘县唐河水电站有限公司 山西太原030002)

1 工程概述

唐河水电站位于山西省大同市灵丘县东河南镇韩淤地村，设计总库容950万m3，属小型水利工程。该工程的建设使位于库区南岸的省道必须改道，改道后的公路位于唐河右岸山坡下部，公路标高由原来的1053m抬高至1077m。由于边坡上部铺设有京—陕天然气管道，致使边坡坡度必须控制在1:0.5～1:0.3之间，从而在公路南侧形成了一高度达110m的陡坡，加之边坡岩体极差的地质条件致使该边坡成为一个潜在的滑坡体。

2 监测设施布置方案

经各种方案比选，采用预应力锚索对该边坡进行加固。该方案共设计397根长度12～50m的锚索，预张拉应力设计为500kN。为严密监控边坡位移，预测产生滑坡的可能性，还布置了三类监测设施，分别是锚索测力计、深部位移观测的测斜孔和地表位移观测的标点。

锚索测力计安装在锚索锁固端的锁片下部，用于测量锚索的张力，自锚索张拉之前安装，所以可以观测锚索整个生命周期的张力变化情况。测斜孔是布置在边坡坡面上的垂直钻孔，其深度均穿过了边坡的可能滑动体，即钻孔底部位于稳定的岩体内。地表位移观测是布置在边坡表面的一些固定观测点，基准点设在远离边坡的相对稳定区域，用于观测边坡表面在三维方向上的位移。

图1和图2说明了锚索与测斜孔之间的空间位置关系。其中地梁的截面为0.5m×0.5m，材料为现浇钢筋混凝土，锚索的列间距和排间距均为3m。

图1 锚索、测斜孔在边坡上的平面位置图

图2 锚索加固的边坡剖面示意图

3 锚索测力计监测量变化特征

为观测锚索拉力随时间变化关系，在锚索锚固端安装一台锚索测力计，将观测数据绘制成锚索拉力过程线。图3和图4为两个锚索测力计拉力过程线的示例。

图3 MS05号锚索拉力过程线

图4 MS08号锚索拉力过程线

从过程线可以看出锚索拉力有如下变化特征：

（1）锚索拉力随时间推移均会产生衰减；

（2）根据锚索拉力衰减速率，可将其衰减过程划分为两个阶段，通常在张拉初期的7～10d为初始阶段，为速降阶段，之后为缓降阶段，最终趋于平稳；

（3）通过对本项目中锚索应力衰减速率的统计可得，速降阶段衰减速率为3.5～7.8kN/d，缓降阶段衰减速率为0.2～0.8 kN/d，数据相差10倍左右。

锚索拉力之所以会产生衰减，是由于所加固的岩土体为弹塑性材料，该类材料的特点是，当对其施加一定压力后可使之产生压缩变形，但当应力释放时所产生的变形不能够完全恢复。每组预应力锚索张拉后可产生高达750kN的拉力，通过钢筋混凝土地梁的反作用将这种力施加到边坡岩土体之上。假设锚索的间距为3m，那么施加在单位长度地梁上的压力就是250kN/m，而通过地梁直接施加在边坡上的压强为500kPa。

4 边坡深层岩体的变形特征

测斜孔用于观测边坡的深层位移，它是基于孔底位于稳定岩体的假设基础上的。将观测数据绘制成位移——深度曲线，就可以得到测斜孔在某一时刻垂直向的位移情况，如果将多次的位移——深度曲线放置在同一坐标系统中，还可以比较出测斜孔所在边坡的深部位移随时间的发展情况。如图5所示，为CX02号测斜孔自8月9日至9月18日期间的历次曲线。结合安装于该测斜孔周边的MS08号锚索测力计的过程线进行分析，在测斜孔周边的锚索张拉（8月14日）之前，测斜孔产生了小幅度的顺坡（N）向位移，例如8月13日时，孔深1m处产生了向北约1.3mm的位移，而锚索张拉之后，边坡岩体即产生了向坡内（S）的位移，至9月18日时，孔深1m处产生了向南4.5mm的位移，且锚索拉力对岩体的影响深度约为8m，8m以下的岩体基本保持稳定。

图5 CX2号测斜孔位移—深度曲线

本项目中多个测斜孔的观测数据都表现为相似的规律，这一现象说明，在锚索加固边坡时，锚索拉力会使边坡岩土体产生压缩变形，从而使边坡浅部岩土体产生向坡内的位移。

5 边坡岩体力学指标的反演

锚索加固岩土体的变形特征是由岩土体本身的物理力学性质决定的，所以反过来所可用观测到的变形特征来反算岩土体的相关指标。在此用以下两个指标进行说明。首先，岩土体之所以能被压缩变形，是由于岩土体中存在着孔隙或裂隙，在此统称为空隙，空隙占岩土体总体积的比例称为空隙比(e)，它是用于描述岩土体松散程度的一项重要物理指标。另一个指标是用于描述岩土体在力的作用下产生变形的能力，叫做变形模量(E)，其定义为E=ΔP/Δε，即应力增量与应力方向上产生的应变的比值，单位为MPa，变形模量是用于描述岩土体强度的一个重要的力学参数。锚索加固边坡岩体的过程与原位大型试验的原理类似，故可以通过所观测的数据来反算岩土体变形模量，例如以MS08号锚索测力计的最终稳定压力(600kN)作为施加在该部位的作用力，以CX2号测斜孔孔口最大位移量作为岩土体的最终压缩量(4.5mm)进行计算，可得，即该部位岩体的变形模量。