极端降雨工况下库岸软岩边坡综合防护措施工程效果分析

吴占华

（凌源市水土保持局，辽宁 凌源 122500）

1 工程背景

碧流河水库是辽东半岛上的重要水库，是一座以城市供水为主，兼有其他多种功能的多年调节型大型水库。水库位于辽宁大连和营口两市交界部位的碧流河干流上，坝址以上集雨面积2 085 km2，最大库容9.34 亿m3。为了改善库区的交通状况，当地政府拟建一条库区公路。由于路基施工过程中需要对部分库岸边坡进行开挖，因此，会造成部分区域的岩土体发生明显的变形破坏。由于库区位于辽东半岛东侧的迎风坡，因此，气候比较湿润，年均降水量在900 mm以上，且经常出现短时强降雨。同时，边坡内部丰富的地下水赋存也会造成边坡坡体抗剪强度的下降，进而诱发地质灾害。为了保证边坡安全稳定，需要对开挖后的边坡进行加固处理[1]。其中，桩号2＋253—2＋677 段边坡属于典型的中山丘陵地貌，地表植被发育，多为林地和灌木。该段边坡的上覆层是以厚度为1.5～2.5 m的粉质黏土为主的第四系坡积层，岩性以砂岩和石灰岩为主，结构较为破碎。针对工程的实际情况，选择合适的防护措施具有重要的意义和作用。

2 有限元模型

ANSYS 是一款大型通用有限元软件，在岩土力学研究领域具有一定的优势[2]。因此，选择利用ANSYS 软件进行背景工程边坡的有限元模型构建[3]。研究中根据施工单位的勘验报告及野外地质调查数据，建立背景工程的三维计算模型。根据研究的实际需要，以及圣维南原理和公路边坡开挖及路基设计资料选择2＋260 段边坡进行计算分析，其断面的具体情况如图1 所示。

图1 研究断面地质结构示意图（单位：m）

根据工程的实际情况，针对开挖之后的边坡：1）利用CAD 软件建立边坡的剖面简化图；2）利用Rhino 6 进行拆分等一系列操作将其转换为三维单元体；3）利用Griddle 插件完成网格划分，导出Govl 模型；4）利用计算模型导入ANSYS 软件完成最终转换[4]。具体来看，进行模拟计算的边坡高71.5 m、长50.0 m。将边坡岩体视为各向同性的弹塑性材料，利用摩尔-库伦模型模拟其弹塑性变形；边坡加固过程中的锚索模拟采用线弹性本构模型[5]。对构建的几何模型利用六面体八节点等参单元进行网格剖分，并对部分关键部位进行加密处理，最终获得12 265个网格单元、10 771个节点。

2.2 边界条件和计算参数

ANSYS 软件为研究者提供了针对各种不同需要的边界条件，此次研究选择位移和应力边界条件[6]。其中，对模型的底部施加全位移约束，对模型的左右两侧施加水平位移约束，模型的上部不施加位移约束，为自由边界条件。研究中结合相关施工规范的具体要求及工程现场的地质数据，采用的模型材料物理力学参数见表1。

表1 模型材料物理力学参数

2.3 计算方案

由于施工本身造成的岩土体扰动是边坡可能产生的破坏和滑移的主要原因，因此需要采取有效措施进行防护。根据背景工程的实际特点，充分考虑工程的经济性、生态性和技术性要求，选择3种主要技术措施：1）三维网植草护坡，主要是利用高度较低的灌木和草类植物，结合使用合成土工材料，利用植物茂密的茎叶和强大的根系减少雨水对坡面的冲刷作用，提高边坡的整体稳定性[7]。结合工程实际，对其3～5 级边坡上覆土体实施该措施。2）锚杆框格梁支护，主要由边坡表面的框格梁及深入岩体内部的锚杆共同组成，不仅可以提高边坡的整体性，同时还可以通过连接结构的效应提升边坡的抗剪强度，有效提升边坡岩土体的承载力[8]。结合工程实际，对其1～2 级边坡采用该措施，具体设计为采用全长粘结式锚杆，水平间距为2.0 m，垂直间距为3.0 m，长度为12.0 m；框格梁的边长为10.0 m，水平间距为2.0 m，垂直间距为3.0 m。3）坡面土体固化处理，坡面表层的土体固化处理可以有效抑制雨水入渗，减少表层土体颗粒的流失。结合背景工程的实际情况，对表层40 cm 厚的土体采用固化坡面土换填。固化剂采用的是普通硅酸盐水泥，掺加比例为1∶6。

针对上述加固措施的不同组合，确定具体计算方案，见表2。

表2 计算方案设计表

3 计算结果与分析

3.1 等效塑性应力

研究中利用构建的有限元模型，对不同计算方案下边坡失稳时的等效塑性应力分布进行模拟计算。在计算结果中提取等效塑性应力的最大值和分布位置，结果见表3。由表3 中可以看出，采取单一加固措施的等效塑性应力的最大值最大，且比较接近，同时均出现在坡脚部位。采用两种不同加固措施方案的等效塑性应力最大值明显减小，且最大值出现的部位转移到坡体中部表面的位置。采取3 种加固措施的方案7 等效塑性应力最大值最小，且分布更为均匀，其最大等效塑性应力的位置位于坡体内部。

表3 等效塑性应力计算结果

3.2 位移

利用构建的有限元模型对不同加固方案下的边坡位移量进行模拟计算。从计算结果中提取出位移量的最大值和发生位置，结果见表4。从表4中可以看出，不同计算方案边坡的位移量存在比较显著的差异。其中，位移量最大的为采取单一加固措施的方案，位移量相对较大，边坡稳定性明显不足，不足以有效控制边坡在极端降雨条件下的位移变形；采取两种不同加固措施方案的位移量最大值相较采取单一加固措施方案明显偏小，说明两种加固措施的组合运用具有明显的优势，可以有效控制边坡位移变形；边坡位移量最大值最小的为方案7，说明综合采用3种加固措施可以大幅降低边坡位移量，提高边坡在极端降雨条件下的稳定性。

表4 位移量最大值计算结果

3.3 安全稳定系数

利用构建的有限元模型对不同加固方案的边坡安全稳定系数进行模拟计算，结果见表5。由表5 可以看出，边坡安全稳定系数最低的为采取单一加固措施的方案，其安全稳定性系数值均小于1，说明边坡在极端降雨条件下处于不稳定状态，极易发生失稳破坏，不能保证背景工程边坡在极端降雨条件下的安全稳定性；采取两种不同加固措施方案的安全稳定系数有大幅提高，在1.7～2.3 之间；安全稳定系数最大的为方案7，其安全稳定系数值为3.658。从工程设计要求来看，在各种工况下的边坡的安全稳定系数不小于2.0，虽然方案6满足要求，但是冗余量明显不足，其边坡下方新建的库区公路对强降雨条件下的防洪物资运输具有极为重要的意义和作用，因此，应该选择方案7，即综合采取3 种加固措施。

表5 边坡安全稳定系数计算结果

4 结语

在极端降雨条件下，边坡的稳定性会显著降低，极易诱发失稳破坏，从而威胁到下方的交通设施和建筑物。因此，采取科学有效的边坡加固措施具有十分重要的意义和作用。此次研究以具体工程为例，利用数值模拟的方式计算了不同加固措施组合方案的应力、位移和安全稳定系数。计算结果显示，综合运用多种加固措施可以显著减小边坡应力和位移，有效提升安全稳定系数。此外，在边坡加固之后，最大位移仍出现在坡脚部位，说明该部位仍旧是边坡的薄弱之处，在遭受极端降雨的情况下，需要关注该部位的情况。