航道边坡锚杆支护结构试验与优化研究

张智泰

摘要：针对航道的边坡特点和航道运行要求，文章通过试验和数值模拟相结合的方法，对航道水位变动区边坡锚杆支护结构在静态荷载和动态水流情况下的工程性能进行了系统研究，并给出了航道边坡锚杆支护结构设计建议。研究成果可为航道边坡锚杆支护结构的设计应用提供借鉴。

关键词：航道；边坡；锚杆；支护结构

中图分类号：U617.8 A 04 009 2

0 引言

航道边坡作为开挖航道的重要组成部分，其稳定性对于航运安全运营至关重要。平陆运河钦江城区段航道工程位于青年枢纽以下，属感潮河段，航道护坡受潮水和洪水的双重作用，航道边坡位于水位变动区域，在荷载、水流、波浪等多重作用下极易发生侧滑、坍塌等不稳定现象，威胁着船舶的航行安全，而锚杆支护作为一种有效的工程手段被广泛应用于边坡的稳定性支护结构上。

1 概述

1.1 航道水位变动区边坡的特点

航道边坡是河流、运河或港口等水域中的岸坡，其特点在于其处于水体与陆地之间的过渡地带，承受着水流、波浪等多种水动力作用。这使航道边坡面临一系列工程挑战。（1）水流的冲刷和波浪的冲击会导致边坡出现侵蚀和失稳，增加了岸坡的崩塌风险；（2）不同水动力因素的变化会使边坡面临不断变化的受力情况，使支护结构需要适应不同工况下的力学特性。此外，航道边坡的水下部分由于可能受到船舶锚泊、航行等活动的影响，对边坡稳定性提出了更高的要求。

1.2 锚杆支护技术的基本原理

在锚杆支护设计中，将锚杆预先锚入土体中，通过两者之间的摩擦力和粘结力，使锚杆与土体之间形成一个连续的力传递通道。这样，外部施加在结构物或土体上的荷载将通过锚杆逐级传递到深层稳定土体中，从而分散和减轻荷载对边坡的影响，提高边坡的整体稳定性。

同时，锚杆支护技术还利用了杆体的拉力和土体的侧向抵抗。当外部荷载作用于结构物或土体时，锚杆内部产生拉力，这种拉力可以通过锚杆的自身强度和锚固长度来承担一部分荷载，土体的侧向抵抗也会在一定程度上减轻结构物或土体受到的荷载作用。通过合理设计锚杆的数量、位置和布置，可以最大限度地发挥锚杆支护作用，提高支护结构的效果。

2 平陆运河钦州城区段航道边坡运行条件

平陆运河钦州城区段航道工程沿线利用河段主要为钦江。青年水闸以下走廊区属钦江河口三角洲平原，两岸地形平坦，穿越钦州城区，现状岸坡多以斜坡式护岸、半直立式护岸为主，东西两岸大部分已形成滨水景观带。因此新建航道护岸以斜坡式护岸为主，边坡高度在15～20 m。护岸运行受洪水、降雨、潮水等多重作用且水位变动较大，其中多年平均潮位0.66 m，历史最高潮位3.98 m，历史最低潮位-2.39 m，50年一遇（沿程）洪水位7.71～5.12 m。

3 试验材料与方法

3.1 试验材料选取与特性分析

本试验根据正在实施的平陆运河钦州城区段航道工程典型地质条件，进行试验材料选取。试验材料及特性见表1。

3.2 支护结构试验参数

根据类似工程经验，支护结构试验参数见下页表2。

3.3 试验与数值模拟

3.3.1 试验方法

本研究采用试验方法以及数值模拟相结合的方式，分析航道边坡锚杆支护结构的性能影响因素。

3.3.1.1 样本制备与支护结构搭建

选择代表性的岩石和土壤样本，根据实际情况制备样本。根据设计参數，搭建支护结构，模拟航道边坡实际工程中的情况。

3.3.1.2 静态加载试验

使用静态加载装置对支护结构施加不同荷载，以模拟不同工况下的静态荷载作用。记录荷载施加时的位移和变形响应，获得荷载-位移曲线。

3.3.1.3 动态水流试验

通过模拟不同水动力条件，测量边坡在水流作用下的位移、变形和受力情况，以探究水动力对支护结构的影响。

3.3.2 静态荷载数值模拟

由图1可知，在荷载作用下，荷载-位移曲线可能呈现出近似线性的阶段，这表示样本受到较小的荷载。在这个阶段，材料的位移与施加的荷载之间存在线性关系，这表明材料的刚性较高。从图1中未看到拐点或弯曲，这表明材料未进入非线性变形阶段。拐点越早出现，表示材料强度越低，容易发生破坏；若拐点出现在荷载较高时，则表示材料相对较坚硬，需要更大的荷载才能引起破坏。

3.3.3 水动力荷载影响分析

水动力荷载影响分析如图2所示。

由图2可知，在水流速率增加的情况下，边坡位移和变形会逐渐增加。表明水动力荷载会削弱边坡的稳定性，需要在设计中考虑加强支护结构，以降低水动力荷载带来的影响。基于分析结果，当水流速率较高时，建议通过增加锚杆数量、调整布置等措施获得更牢固的支护结构，以保持边坡的稳定。这需要针对不同水流速率制定不同的支护方案。

依据上述静态加载试验和动态水流试验成果，对水位变动区护坡结构进行数值模拟计算，提出边坡水流压力值，如表3所示。

4 航道边坡锚杆支护结构设计建议

（1）边坡上、中、下不同的位置建议设置不同的锚杆。

结合静态荷载分布情况，建议将垂直锚杆布置于边坡的上部和中部，将上部荷载有效地传递到锚杆上，分散荷载，减轻边坡的压力，从而提高边坡的整体稳定性。针对边坡下部，设置水平锚杆以降低侧向荷载的作用力和倾覆作用，进一步增强支护效果。在水动力荷载较强的区域增加水平锚杆数量，提供更强的边坡抗冲刷能力，防止水流冲刷和侵蚀。

（2）建议锚杆布置方案应充分考虑地质特征对支护的影响。

在易崩塌的地层，通过减小锚杆之间的间距，增加支护的紧密性，有效地增强边坡的抵抗能力。此外，对于土壤较松散的区域，进一步减小锚杆的间距，以确保支护结构能够紧密地固定地面，抵御外部力。

（3）建议合理确定锚杆的深度和角度。

锚杆深度和角度的合理确定直接影响着支护结构的稳定性。根据边坡的坡度和地层特点，确定垂直锚杆的埋深，可以增加锚杆的抗拉能力，有效地抵御上部荷载。水平锚杆的角度应根据地层的倾斜情况来选择，以确保其能够有效地抵御侧向力，提供侧向稳定性。

5 结语

针对航道水位变动区边坡特点和航道运行要求，本文通过实验和数值模拟相结合的方法，对航道边坡锚杆支护结构在静态荷载和动态水流情况下的工程性能进行了系统研究，提出护坡支护结构受水动力荷载设计值及锚杆支护结构设计建议。本研究的成果对于航道边坡锚杆支护结构领域的进一步发展和实际工程应用具有重要意义，同时也为平陆运河钦州城区段航道工程边坡的设计与优化提供了有价值的思路和方法。

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收稿日期：2023-09-10