水库库岸硬岩边坡锚固支护参数优化研究

吴修练

(巴州天宝水利工程设计有限公司，新疆 库尔勒 841000)

1 工程简介

某水库工程始建于2009年，2014年正式建成并投入使用。水库坝址以上流域面积近18000km2，占大凌河流域面积的近76%[1]。水库按照100a一遇洪水标准设计，千年一遇洪水标准校核，正常蓄水位为126m，总库容为16.45亿m3，建成后不仅可以大幅提升下游地区的防洪标准，每年还可以为下游地区城市提供生产生活用水2亿m3[2]。

本次研究的库岸边坡位于大坝上游右岸的1000-1500m范围内。实地调查资料显示，岸坡的岩体为花岗岩结构，但是内部存在较大规模的断裂构造发育，并主要表现为散体结构、碎裂结构、块状结构以及次块状结构。其中，岸坡内部的 4组较大的结构面可能会诱发蠕动变形，不利于岸坡的结构的整体稳定。通过对该段岸坡整体和局部形态的DDA模拟分析，该段岸坡在库水消落作用下，局部可能伴随出现张裂、剪切、崩塌、挤出等变形，并可能会产生自上而下的倾倒蠕变变形。在水库运行过程中，倾倒破坏是岸坡失稳的常见情况。这种变形一般不具有明显的滑面，往往不会出现急速滑动变形，但是不采取有效加固措施，最终会诱发拉裂、崩塌等破坏或深层滑坡[3]。一旦发生倾倒破坏，将会对岸坡上部的公路、建筑以及相关古迹的安全造成严重威胁，同时也不利于水库的安全运行。因此，需要对该段岸坡进行必要的加固处理。结合岸坡加固的实际要求以及相关的工程经验，拟采用预应力锚杆进行加固处理[4]。鉴于锚杆的长度和倾角等支护参数是加固效果和工程成本的重要影响因素。因此，本次研究通过数值模拟的方法，对上述锚固参数进行优化设计，以期为加固工程施工提供有益建议。

2 有限元计算模型

2.1 模型的构建

ANSYS是美国ANSYS推出的大型商用有限元软件，在解决岩土体力学和位移分析问题方面具有诸多优势，因此研究中选择ANSYS 建立有限元边坡模型的构建[5]。模型构建过程中按照坡比1:1选择计算范围，边坡的高度为40m，长度为40m。利用Mohr-Coulumb模型对岩土体的弹塑性变形特征进行模拟；利用线弹性本构模型进行锚杆的模拟[6]。采用六面体8节点等参单元进行模型的网格剖分，网格平均尺寸为2m，岸坡部位岩体选取平均边长为0.8m的网格单元进行网格加密，最终生成8367个网格单元，4560个计算节点。模型的网格划分示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2.2 边界条件与计算参数

在ANSYS有限元软件中，提供了涵盖压力、温度、速度、位移等不同形式的模型边界条件，可以充分满足不同用户的研究需要[7]。结合本次研究的目的以及研究对象的实际特点，选择位移和应力边界条件。具体而言，在模型的左右两侧施加水平位移约束，对模型的底部施加全位移约束，模型的上部边界设定为自由边界条件。模型的计算参数会对模拟计算结果造成显著影响，研究中结合相关工程经验值以及采样试验结果相结合的方式获得边坡岩体的物理力学参数，具体结果如表1所示。

表1 模型材料的物理力学参数

2.3 计算方法

边坡加固后的安全性和加固工程本身的经济性是锚固参数优化的两个主要依据。因此，研究中采用有限元强度折减法对不同锚固参数下的边坡安全稳定系数进行计算。研究中将力的收敛标准设定为0.005，将边坡卫浴的收敛容差设定为0.05，并将其作为模拟计算过程中收敛的判别依据。在模拟计算过程中，如果出现结果不收敛的情况，则认定边坡已经处于失稳破坏的临界状态，而对应的强度折减系数作为边坡稳定的安全储备系数。出于模型计算过程中兼顾精度和效率的要求，模拟计算过程中初始应力仅考虑自重应力，暂不考虑构造应力；不考虑地下水的影响；遵循二维平面应变。鉴于边坡锚固过程中需要使用大量的锚杆，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的精准模拟[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。

3 计算结果与分析

3.1 锚固长度的影响

利用锚杆对边坡岩体进行锚固后，其弹性模量、抗压轻度等物理力学参数均会有所提高，而锚固长度的增加，上述参数的强化范围也会相应增大。因此，研究中结合研究边坡的实际情况，确定锚固长度的范围为6-24m，每3m为一个计算工况，共设计6m、9m、12m、15m、18m、21m和24m等7种不同的锚杆支护长度进行模拟计算和对比分析。

利用上节构建的有限元模型和相应的计算方法，对不同锚杆长度条件下的边坡安全稳定系数进行模拟计算，根据计算结果绘制出如图2所示的边坡安全系数随锚杆长度的变化曲线。由图可知，边坡的安全响度储备系数会受到锚杆长度的显著影响，随着锚杆长度的增加，边坡稳定性呈现出先增加后减小的变化特征，在减小到一定数值后逐渐趋于稳定，并保持不变。由此可见，锚杆长度为15m时，可以获得最佳的加固效果。

图2 边坡安全系数随锚杆长度的变化曲线

3.2 锚杆倾角的影响

在库岸边坡变形方面，最大主应力是最主要的影响因素，而不同的锚固倾角也会产生不同的最大变形方向上的刚度。因此，研究其余锚固参数不变情况下不同锚固倾角对边坡稳定性的具体影响，对锚固措施的优化设计具有重要意义。因此，研究中结合边坡对象的具体特点，设定与水平线夹角分别为10°、15°和20°等3种不同的锚杆支护倾角，对边坡安全系数进行模拟计算，以分析其变化特征。

利用上节构建的有限元模型和相关的计算方法，对不同锚杆倾角下的边坡安全强度系数进行计算，结果如图3所示。由图可知，在不同倾角下边坡的安全系数变化规律均呈现出随着锚杆的长度现增加后减小并逐渐趋于稳定的变化规律，这也从侧面印证了上节计算结果的可靠性。此外，对15m的锚固长度而言，锚固倾角为15°时可以获得最佳锚固效果。因此，建议在施工过程中采用15°的锚固倾角。

图3 不同支护倾角下的安全强度系数变化曲线

3.3 锚杆间距的影响

根据相关研究成果，锚固间距影响岩土体的物理力学参数。例如，单位界面的锚杆数量越多，岩土体在锚固后的黏聚力就越大。因此，锚杆间距也是边坡稳定性的重要影响因素。因此，文章研究中设定锚固长度15m、锚固倾角为15°不变，设定0.9m、1.2m、1.5m、1.8m、2.1m和2.4m等6种不同支护间距进行边坡的安全系数进行计算，结果如表2所示。由表中的结果可知，在其他参数不变的情况下，边坡的安全稳定系数随着锚固间距的减小而增加，但是当锚固间距<1.5m时，增加的幅度极为有限。因此，出于工程经济性的考虑，鉴于采用1.5m的锚固间距。

表2 不同锚杆间距安全系数计算结果

4 结 论

本次研究以某水库上游岸坡为例，利用数值模拟的方法对边坡的锚固参数进行优化研究，获得的主要结论如下：

1)边坡的安全响度储备系数会受到锚杆长度的显著影响，随着锚杆长度的增加，边坡稳定性呈现出先增加后减小的变化特征，在减小到一定数值后逐渐趋于稳定，并保持不变。

2)不同倾角下边坡的安全系数变化规律均呈现出随着锚杆的长度现增加后减小并逐渐趋于稳定的变化规律。

3)边坡的安全稳定系数随着锚固间距的减小而增加，但是当锚固间距<1.5m时，增加的幅度极为有限。

4)综合研究成果，建议在施工中采用长15m、倾角15°、间距1.5m的锚杆。