驮英水库溢洪道右侧边坡加强支护方案研究

彭成居，臧航航，黄 越，甘 彬，荣 冠

（1.广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

0 引 言

为满足农业灌溉的需要，近年来农业水利工程在我国各地大量兴建。随着我国水利行业的蓬勃发展，工程规模和面积都在不断扩大，水利工程边坡问题不断涌现。边坡失稳逐渐成为制约工程实施与运行的重要因素，直接影响到工程的成本、质量以及整个工期。因此，根据具体的地质条件和工程方案，深入开展水利工程开挖边坡卸荷后稳定性分析和支护方案的研究［1，2］，具有非常重要的工程实践意义和经济价值。

由于传统的极限平衡理论将滑动体视为刚体，没考虑岩土体内部变形与边坡稳定性之间的关系，在考虑地层特性、施工过程与支护措施等方面对边坡稳定性的影响时均具有局限性［3，4］。基于FLAC3D 数值方法模拟大型工程的边坡或重要的边坡剖面开挖卸荷过程，可以得到边坡内部的应力分布状况、塑性区的分布范围和位移等［5-7］。此外，FLAC3D 中可以对边坡工程支护措施中的抗滑桩、预应力锚索等进行模拟，仿真演算各种工况下抗滑桩、预应力锚索等的作用机理和局部应力状态［8，9］。

本文结合广西驮英水库溢洪道边坡开挖支护具体工程实例，根据边坡施工开挖揭露的实际工程地质条件和施工过程出现的变形现状，采用三维有限差分数值模拟方法对已施工边坡开挖支护方案进行评价，分析确定进行加强支护的必要性，再提出两种加强支护的处理方案并进行计算比选，为边坡加强支护实践提供设计依据。

1 工程概况

1.1 工程介绍

驮英水库是左江流域明江支流公安河上规划的龙头灌溉水库，是一座以灌溉为主，兼顾供水、发电、防洪等综合利用的水库枢纽工程。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）［10］及《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288-2018）［11］相关规定，驮英水库为Ⅱ等大（2）型工程。

其中溢洪道布置在沥青混凝土心墙堆石坝右侧的山坡上，区域地貌属低山地貌。溢洪道右岸边坡山头高程293.6 m，自然坡度30°～45°，总长约420 m。岩体开挖边坡开挖比为1∶1.25～1∶0.2，开挖边坡高度为30.0～77.8 m。溢洪道的岩质开挖边坡基本为横向坡，多倾向于边坡外侧，原设计采用锚杆喷混凝土进行支护处理，以保证边坡的稳定，部分存在构造发育的边坡采用锚索进行加强支护处理。

1.2 工程地质条件

根据开挖揭露的工程地质条件，溢洪道边坡岩性大致分为砂岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩三大类，呈夹层状或互层状，在溢洪道主要出露为6 层。在J1b1-4层中发育J1b1-4-2层的砂岩，该层中发育4 条宽0.5～3.0 cm 紫红色泥化夹层条带，类型为泥夹岩屑型和泥型，顺层发育，性状差。

溢洪道边坡工程地质横剖面见图1。根据开挖揭露的工程地质条件，溢洪道边坡岩体断层不发育，但岩体褶皱现象和节理裂隙发育。溢洪道共发育有2 条褶皱，这些褶皱均与河流走向正交或稍斜交，造成溢洪道边坡岩体扭曲、破碎严重，岩体沿层面、裂隙面产生错动现象，错动面发育泥膜和泥化夹层。砂岩岩层受褶皱发育的影响，岩体风化深，破碎，层间泥化夹层发育。因此由于上述不良地质条件的影响，溢洪道边坡稳定性较差。

图1 溢洪道边坡工程地质横剖面图Fig.1 The geological cross-sectional map of the spillway slope project

1.3 边坡变形及支护现状

溢洪道开挖边坡进水渠及控制段（桩号溢-159.36～溢0+000.0）233.5 m高程以上每级边坡高15.0 m，开挖坡比1∶1.75，每级边坡顶设3.0 m 宽马道，共布设4 级边坡。233.5 m 高程以上开挖后边坡最大高度为56.0 m。233.5 m 高程以下按1∶1.5～1∶1.75进行削坡。

溢洪道边坡于2018年5月开始开挖右岸工程边坡，主要开挖为上游进水渠段、进水渠渐变段和控制段。2020年3月基本完成溢洪道边坡开挖工作。2020年8月12 号溢洪道边坡支护过程中，溢洪道泄槽段桩号溢0+090.8～溢0+129.0 m，高程235.5～204.7 m 边坡出现开裂，在高程235.5 m 马道出现拉裂缝，产状为N60°W，NE∠80-90°，延伸长度约39.2 m，裂缝宽2～10 cm，往下3 m 范围内张开，无充填，部分充填上部生态护坡冲刷下来的黏土。在235.5～204.7 m两级坡面上出现剪裂缝，坡面的喷射混凝土面出现裂缝，宽2～5 cm，顺层发育，层间夹泥，局部微张，少许黑色渲染。在204～210 m 高程处，沿层面出现剪出口，在溢洪道边墙混凝土平台上出现少许强风化砂岩碎块。2020年8月13号滑坡现状地貌及滑坡周界见图2。

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

目前边坡已实施94 根（M61～M154）预应力锚索进行支护，预应力为1 000 kN，排距为5 m×5 m，矩形布置，预应力锚索实施位置见图3。

图3 已施工预应力锚索布置图Fig.3 Layout of prestressed anchor cables that have been implemented

2 模型建立和参数选取

2.1 数值计算模型的建立

为充分研究溢洪道右岸边坡在施工、加固支护工程中边坡变形分布规律，通过ANSYS软件构建了研究区域三维有限元数值计算模型，X轴正方向指向正东，Y轴正方向指向正北，Z轴正方向铅直向上。模型计算范围X方向取803 m，Y方向取755 m，铅直方向最大高度有344 m（从高程0 m 到高程344 m）。计算模型共剖分单元1 334 836 个，节点237 179 个，完全开挖后表层形态如图4所示。

图4 所有开挖步骤完成后边坡形态图Fig.4 Slope shape after all excavation steps are completed

由于所选取的研究区域赋存于广阔的地质条件下，模型四周及底部受到周边地质条件的约束，计算时在模型底部（高程Z=0 m 处）施加全约束，模型四周边界设置法向约束。在初始条件中，未考虑构造应力，仅考虑自重应力产生的初始应力场。

有限差分数值计算中材料本构模型采用理想弹塑性模型，屈服准则采用摩尔-库仑准则［12］。预应力锚索采用FLAC3D 软件提供的Cable 单元来模拟，锚筋桩采用FLAC3D 软件提供的Pile单元来模拟。

2.2 岩体力学参数选取

在结构面切割作用下，天然岩体中容易形成大小不一的岩块，这些结构面导致岩体力学性质的不连续性、不均一性和各向异性。因此，岩体的强度特征不仅取决于岩石自身强度，还与结构面强度、岩体赋存的环境等因素有关。

根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）［13］，结合驮英溢洪道右侧边坡工程地质勘察所得的各岩体主要物理力学参数建议值，综合得出的数值计算涉及的岩体力学基本参数，如表1所示。

表1 岩体力学参数表Tab.1 The table of rock mechanics parameters

2.3 开挖与支护方案说明

根据对各施工图纸及开挖程序分析，在一定概化的基础上可以确定用于数值模拟的开挖步以及支护过程，并划分3 种工况。在溢洪道右岸边坡按马道大致划分开挖阶段开挖，每一级开挖高程分别为280.5、265.5、250.5、235.5、220.5、205.5、191.0 m和溢洪道底部。

工况一为边坡边开挖边支护，当边坡开挖到下一高程时，用已施工的预应力锚索支护到上一高程。工况二与工况三是在已施工预应力锚索支护的基础上新增支护措施对边坡加强支护。各工况下支护方案说明如表2。

表2 开挖与支护方案说明表Tab.2 The excavation and support scheme description table

3 计算结果与分析

3.1 已施工预应力锚索支护下边坡变形分析

横河向位移对边坡稳定性有较大影响，以Y轴方向位移最具代表性，所以主要分析不同施工工况下边坡Y 轴方向位移分布情况。

图5 为根据实际情况模拟，在无支护条件下边坡逐级开挖工况下的数值模拟得到的Y方向位移云图。从图中可看出，大部分坡面的Y方向位移趋势为指向坡外，开挖面以卸荷回弹位移为主。桩号溢0+067m～溢0+129 m 段、高程220.5～250.5 m 边坡Y方向位移值较大，与实际工程出现的拉裂缝位置吻合，说明破碎砂岩层J1b1-4-2对位移场有一定影响，Y方向最大位移达到17.438 mm。另外溢洪道下游出现区部位移偏大，大小在5～8 mm。

图5 完全开挖未支护工况下Y方向位移云图（单位：m）Fig.5 Y-direction displacement cloud diagram under fully excavated and unsupported conditions

图6 为边坡逐步开挖支护后Y方向位移云图，其中支护的锚索为94根已实施的1 000 kN预应力锚索（M61～M154）。全部开挖支护完成后，桩号溢0+067 m～溢0+129 m 段、高程220.5～250.5 m边坡Y方向位移值较大，最大位移达到17.437 mm，与仅开挖未支护时Y方向位移云图相似。说明已经施加的M61～M154预应力锚索对较大变形区的加固效果不明显。为确保边坡裂缝不继续发展而导致边坡失稳破坏，有必要对较大变形区进一步加强支护。

图6 逐级开挖支护工况下Y方向位移云图（单位：m）Fig.6 Y-direction displacement cloud diagram under step-by-step excavation and support

3.2 加强支护方案一支护后边坡变形分析

在已施工预应力锚索支护的基础上，用加强支护方案一加强支护。具体措施为：除已施工预应力锚索外，在坡面新增多根锚索，预应力为1 500 kN，排距为5 m×5 m，矩形布置，具体实施位置见图7。

图7 加强支护方案一预应力锚索布置图Fig.7 Prestressed anchor cables layout of reinforced support scheme one

图8 为边坡用加强支护方案一加强支护后Y方向位移云图，Y方向最大位移达到12.813 mm。相对于仅开挖未支护时的17.438 mm 减少了4.625 mm，并且较大变形区域范围有所缩小，可以对较大变形区进行控制。

图8 加强支护方案一支护后Y方向位移云图（单位：m）Fig.8 Y-direction displacement cloud diagram after reinforced support scheme one

3.3 加强支护方案二支护后的变形分析

在加强支护方案一支护后的基础上，用加强支护方案二加强支护，如图9。具体措施为：在220.5 m 和235.5 m 马道上施4×4 m、15～20 m 长、3@28 钢筋@150 mm 孔径的锚筋桩Z1～Z69支护。

图9 加强支护方案二预应力锚索和锚筋桩布置图Fig.9 Prestressed anchor cables layout of reinforced support scheme two

图10 为边坡用加强支护方案二加强支护后Y方向位移云图，Y方向最大位移达到11.644 mm，相对于仅开挖未支护时的17.438 mm 减少了5.794 mm，并且较大变形区域范围有明显缩小。

图10 加强支护方案二支护后Y方向位移云图（单位：m）Fig.10 Y-direction displacement cloud diagram after reinforced support scheme two

综上说明加强支护方案二可以对较大变形区进行良好的控制，且加固效果优于加强支护方案一。

4 结 论

经过对根据溢洪道开挖揭露的工程地质条件和边坡现有变形及支护状况的分析，结合FLAC3D软件数值模拟结果，对两种加强支护方案进行比选，可以得出以下结论。

（1）溢洪道右侧边坡施工期出现的裂缝所在开挖边坡出露岩体为强风化砂岩夹泥质粉砂岩，地层位于向斜核部，核部岩层倾角较陡，风化较深，岩体破碎。各工况下，边坡受卸荷回弹影响，变形指向坡外，破碎砂岩层J1b1-4-2对位移场有一定影响，较大变形区与施工期出现的拉裂缝位置吻合。

（2）已施工预应力锚索支护下边坡Y方向位移云图与仅开挖未支护时相似，说明已经施加的M61～M154 预应力锚索对边坡较大变形区的加固效果不明显。根据现有地质成果，为确保边坡裂缝不继续发展而导致边坡失稳破坏，有必要对较大变形区进一步加强支护。

（3）相比于锚索加强支护方案，锚索联合锚筋桩加强支护方案加固后边坡Y方向最大位移值与较大变形区域范围明显缩小，支护效果更理想，所以推荐用锚索联合锚筋桩方案进行边坡加固。 □