溢洪道高边坡开挖锚固支护长度时效性研究

金宏博

（辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁沈阳110000）

1 工程背景

轿顶子电站属于半拉江上游六股河干流上的重要在建水利工程[1]。该工程坝址位于宽甸满族自治县太平哨镇轿顶子村境内，设计库容为0.87 亿m3，主要建筑物包括混凝土重力坝、副坝、溢洪道、泄洪洞以及引水发电系统。其中，电站溢洪道位于大坝左岸的山体上，主要由进水渠段、进口翼墙段、控制段、泄槽段以及消能防冲段构成[2]。溢洪道进水渠段长度为86.9 m，基面高程为299.0 m，左岸边坡最高部位达84.0 m。为了保证边坡安全，拟在边坡开挖之后进行锚杆和锚索联合支护。在水利工程边坡开挖支护施工中，施工方案的选择需要综合考虑安全性、工期、成本等多种因素，许多学者也在该领域进行了大量研究，并获得了丰富的研究成果[3]。其中，锚杆支护是边坡工程中最常用的和最有效的加固方式之一，可以使岩土体通过新的相互作用，提高其整体性，有效限制边坡的变形[4]。此次研究通过数值模拟的方法对不同锚固长度下的开挖锚固支护时效性研究，以期为开挖支护提出必要的理论支持和支护建议。

2 有限元计算模型

2.1 有限元模型的构建

研究中利用ANSYS 有限元软件构建典型断面的二维有限元模型，根据地质调查成果，选取开挖之后最高、最陡的0-98 横剖面作为典型剖面。考虑到计算范围会对最终的计算结果产生显著影响，结合相关研究成果和工程经验，确定如下计算范围：按照开挖坡高的2 倍确定上下边界总高，为160 m，水平方向取120 m[5]。断面开挖分为高度不等的10个开挖步进行，每个开挖步的高度为8 m左右。鉴于选取的典型断面在经过概化处理之后仍存在比较明显的曲线边界，因此对构建的几何模型采用二维8 基点单元进行网格剖分，以便适应曲线部位的不规则网格[6]。研究中将模型岩体视为理想弹塑性材料，并采用D-P 本构模型模拟[7]，对开挖加固区域进行网格加密处理，最终获得2 024 个网格单元，6 143 个计算节点。

2.2 边界条件与计算参数

有限元模型的边界位移约束施加于各个计算节点，具体而言，在模型的底部节点施加全位移约束，在模型的左边界以及右边界缆机以下部位施加X 向位移约束，其余部位为自由边界条件。研究断面部位的山体坡度较大，地表被厚度不等的残积砾石土覆盖，上覆植被，边坡内部存在数条宽度不等的断层破碎带，山体的岩性以安山玢岩为主。结合相关资料和试验结果，研究中采用表1所示的计算材料体物理力学参数。

表1 岩土体物理力学参数

2.3 锚固支护等效处理

锚杆与锚索可以起到良好的加固效果，而上述效果主要通过两种方式呈现：一是利用锚杆的受拉作用，提升岩土体的变形刚度，实现对岩土体变形的约束，根据相关研究和工程经验，锚固区域岩体弹性模量一般会增加20%～25%；二是通过提升岩体之间的粘聚力水平提高其抗剪强度。但是，在边坡开挖支护过程中需要使用大量的锚杆和预应力锚索，在模拟计算过程中不可能做到对每一根锚杆或锚索的支护效果精准模拟[8]。因此，研究中采用连续等效方式对锚杆和锚索的支护效果进行模拟，具体的等效参数结合相关研究成果和试验参数获得。

2.4 计算方案

鉴于锚固长度对支护效果存在重要影响，研究中设计了长度分别为9，20 和60 m 等3 种不同的锚固长度，分析锚固时效性的具体影响。在时效性分析方面，设置及时支护和滞后加固两种支护时间。其中，及时支护为每级开挖后随即进行支护加固；滞后加固为第三级开挖完成之后进行第一级的开挖支护，以此类推。同时，将开挖无支护方案作为对比方案。

mm表2 不同长度锚固边坡监测点位移计算结果

3 计算结果与分析

3.1 边坡位移

利用已构建的有限元计算模型，对不同开挖支护方案下的边坡位移变形进行模拟计算，在计算结果中提取自下而上每个开挖步的典型监测点部位的最终位移值，结果如表2 所示。由表2 中的结果可知，9 m 锚固边坡条件下的滞后支护位移减小百分比均值为5.41%，及时支护位移减小百分比均值为8.32%；20 m 锚固边坡条件下的滞后支护位移减小百分比均值为8.27%，及时支护位移减小百分比均值为10.63%；60 m 锚固边坡条件下的滞后支护位移减小百分比均值为18.02%，及时支护位移减小百分比均值为23.84%。相对于无支护工况，两种支护工况下绝大部分监测点位移值均有不同程度的减小，及时支护和增加锚固长度对抑制开挖变形存在明显作用，对保持边坡稳定较为有益。

3.2 安全稳定系数

对不同开挖方案、不同开挖步条件下的边坡稳定性系数进行模拟计算，根据计算结果绘制出如图1，2 所示的不同锚固长度条件下的边坡安全性曲线。由图1，2 可知，在各种锚固长度工况下，及时加固与滞后加固均可以有效提升边坡的安全稳定系数，这也说明开挖支护的有效性和必要性。及时加固与滞后加固相比，边坡安全性系数虽有一定程度的增加，特别是在第4、第5 和第6 开挖步中表现比较明显，但从最终结果而言，增加的幅度不大。因此，出于施工便捷性的考虑，在施工中可以采用滞后加固的施工方法。

图1 及时加固边坡安全系数曲线

图2 滞后加固边坡安全系数曲线

从不同的锚固长度对比来看，开挖边坡的安全系数会随着锚固长度的增加而得到不同程度地增长，这说明锚杆和预应力锚索可以起到有效地限制边坡位移，强化边坡抗剪能力的作用，对提升边坡的整体稳定性较为有利。此外，边坡安全系数在开挖开始阶段存在上升的趋势，原因是模型开挖过程中考虑了开挖卸荷效果，边坡开始开挖之后，上部的岩土体被开挖掉，造成边坡整体自重卸荷的明显降低，因此完全稳定系数反而有所上升。

4 结论

此次研究以辽宁省轿顶子电站溢洪道左岸高边坡开挖工程为背景，利用数值模拟的方法对边坡开挖锚固的长度和时效性进行研究分析，获得的主要结论如下：

1）相对于无支护工况，及时和滞后支护工况下绝大部分监测点位移值均有不同程度的减小，说明边坡支护对控制边坡变形具有重要作用；各计算方案相比而言，锚固长度越长，边坡位移的减小幅度越大；及时支护对控制边坡变形更为有利。

2）在各种锚固长度工况下，及时加固与滞后加固均可以有效提升边坡的安全稳定系数，同样说明开挖支护的有效性和必要性。

3）及时加固与滞后加固相比，边坡安全性系数虽有一定程度的增加，但最终增加的幅度不大。因此，出于施工便捷性的考虑，在施工中可以采用滞后加固的施工方法。

4）开挖边坡的安全系数会随着锚固长度的增加而得到不同程度的增长，建议在条件允许的情况下尽量增加边坡锚固长度。