联合支挡作用下库岸边坡稳定性研究

周嘉盛

(定南县水利局，江西 赣州 341900)

0 引言

库岸边坡是水库建设和运行中不可缺少的重要组成部分，其稳定性直接影响水库的安全运行和周边环境的生态平衡。然而，由于库岸边坡受到库水位变化、降雨、地震等多种因素的综合作用，容易发生滑坡、崩塌等失稳破坏现象，造成严重后果[1]。因此，对库岸边坡稳定性进行分析和评价，采取有效的防治措施，是水库工程的重要任务之一。

为了提高库岸边坡的稳定性和安全性，需要采取合理的支护措施。支护措施可以分为主动支护和被动支护两类[2]。主动支护是指在边坡未发生破坏之前，通过改善边坡结构或增加边坡抗剪强度等方式，提高边坡的稳定系数[3]。被动支护是指在边坡发生破坏后或即将发生破坏时，通过设置挡土墙、锚杆、索网等结构，阻止或减缓边坡的下滑或崩落[4]。在实际工程中，往往需要根据具体情况，采用主动支护和被动支护相结合的方式，形成联合支护体系[5]。

本文以某水库库岸边坡为研究对象，利用有限元软件MIDAS/GTS对库岸边坡稳定性的影响进行数值模拟分析，并对不同类型的支护方案进行对比评价，旨在分析联合支挡对库岸边坡稳定的影响，为支挡设计提供参考依据。

1 工程概况

本工程基于加固修复工程，位于某山水电站库区范围内。工程属于山区峡谷地貌，地势起伏较大，地面横坡陡峭，地质条件复杂。线路沿红河谷左岸行进，部分路段处于半填半挖路基工程，路基左侧设有上挡墙和临水路肩墙。水库正常蓄水位217m，死水位199m，蓄满水后将淹没右侧路肩墙基础以上一米左右。库岸主要为粉质黏土夹带碎石，下伏基岩为为灰岩、白云岩。该段因受库水位变化的影响，存在开裂、边坡失稳、坍塌、挡墙倾斜等病害，严重影响了工程的使用寿命。为了确保的稳定性和耐久性，本工程采取了针对性的加固措施，对病害库岸进行了综合治理。

2 模型分析与简化

悬臂式挡土墙是一种轻型支挡构筑物，由立壁、趾板和踵板三个钢筋混凝土悬臂构件组成，悬臂式挡土墙结构如图1所示。它的设计方法通常分为两个步骤：第一步是根据墙后土体的土压力和其他外荷载，对立壁和底板进行强度和稳定性的验算，确定其截面尺寸和钢筋配置。在这一步骤中，一般假定墙后土体的开挖不受桩锚支护的影响，即将桩锚支护视为一个独立的结构。第二步是根据墙身及其以上土体的重量，计算出作用在桩锚支护上的荷载和集中力，并按照抗滑桩的原理，确定桩锚支护的形式、数量、位置和尺寸。在这一步骤中，一般忽略墙身对桩锚支护的影响，即将墙身视为一个刚性板。这种设计方法虽然简单易行，但也存在一些缺陷，例如忽视了墙身和桩锚支护之间的相互作用，可能导致安全系数过低或过高。因此，在实际工程中，需要根据具体情况进行调整和优化。

图1 悬臂式挡土墙示意图

本文系统地研究了桩锚与悬臂式挡墙组合结构的性能，采用了分开单独设计和联合支护设计两种方法，并根据边坡开挖支护的实际需求，比较了桩锚与悬臂式挡墙联合支挡、桩锚支挡、悬臂式挡墙三种方案对库岸稳定性的影响，加固方案如图2所示。通过分析坡顶位移、桩顶位移、墙身弯矩、锚杆拉力和桩身弯矩等指标，展示了联合支挡结构的优势。

图2 支挡示意图

3 模型建立和计算参数

本文采用有限元软件MIDAS/GTS对三种不同类型的挡土墙模型进行了数值模拟，分析了挡土墙结构的变形、应力以及土体的位移变形。在数值模拟中，假设挡土墙、桩、锚杆为线性弹性材料，土体则采用Mohr-Coulomb本构模型来模拟其非线性行为。悬臂式挡土墙的立板和底板被简化为宽度为1米的梁单元，桩则被视为梁单元。由于地下水位较低，分析时忽略了地下水对挡土墙稳定性的影响。

为了分析边坡的稳定性，本文采用有限元法对边坡进行了数值模拟。选取库岸30m×50m的范围作为有限元建模区域，其中上部土层厚度为5m，下覆25m强风化砂质泥岩。根据边坡开挖深度的影响，将竖向分析深度设为边坡开挖深度的2倍，将水平分析宽度设为边坡宽度外向两侧延伸1.5倍边坡开挖深度，土层参数见表1。利用多区域法划分网格，并在接触区域使用接触网格大小进行网格细化。考虑了两种支护方式：单独悬臂挡墙和悬臂式挡墙与桩锚联合支护。假设地面超载为110kN/m，并将填土部分作用在墙身立面板上的主动土压力折算成集中力等效作用在降重板的顶部，取75kN进行计算。利用有限元软件ANSYS Workbench进行了数值计算，并对计算结果进行了对比分析。

表1 土层参数

4 作用机理和数值模拟结果

4.1 作用机理分析

本文基于板模型、单独悬臂挡墙设计模型、单独桩锚设计模型以及桩锚与悬臂式挡墙联合支护模型进行了数值模拟，分析了各种支护方案对坡顶水平位移、竖直位移、墙身弯矩、支护桩弯矩和锚杆轴力的影响，并在坡顶设置监测点，利用实际监测数据来验证模拟效果的可靠性和准确性。文献[2，5]指出，悬臂式挡土墙的位移较大，这不仅是由于悬臂式挡土墙自身变形所致，还与下部抗滑桩的变形有关。由于土压力与变形相关，因此悬臂式挡土墙所承受的土压力较小。在设计抗滑桩时，不仅要考虑土压力和滑坡推力，还要考虑桩顶挡土墙传递的水平力和弯矩。通过对比分析监测数据和模拟计算结果，可以验证设计的可靠性和准确性。

4.2 墙身立面板弯矩分析

根据图3所示的单独悬臂式挡墙设计模型和联合支护设计模型进行对比分析，发现后者的立面板弯矩值稍低于前者，但变化规律相似。这可能与联合支护设计模型中桩锚结构起到了减轻立面板受力的作用有关。而单独悬臂式挡墙设计模型中底板的弯矩值则远高于联合支护设计模型中底板的弯矩值，说明单独悬臂式挡墙设计模型中底板的配筋量过剩，不符合经济效益。综上所述，联合支护设计模型能够更好地反映桩锚与悬臂式挡墙联合支护结构在受力方面的特点，对于工程设计和施工具有重要意义。

图3 墙立面板弯矩变化情况

4.3 墙身底板弯矩分析

如图4所示，底板底端4m范围内的弯矩分布，单独悬臂挡墙模型和联合支护模型均接近于零。然而，在底板端部，两种模型的弯矩均急剧增加，其中单独悬臂挡墙模型的最大弯矩为99.24kN·m，而联合支护模型的最大弯矩仅为12.77kN·m。这表明，如果采用单独悬臂挡墙模式，底板所需的配筋量将远远超过实际需要的配筋量，因为底板承受了较大的弯矩。

图4 墙身底板弯矩变化情况

4.4 支护桩弯矩分析

根据图5所示的分析结果，可以发现单独桩锚设计模型和联合支护设计模型在桩身弯矩分布上具有相似的趋势。两种模型都在抗滑桩中部附近产生了最大的负弯矩值，分别为-409.61kN·m和-311.44kN·m；同时，在距离桩顶6.5m处出现了最大的正弯矩值。然而，两种模型在桩顶弯矩上存在较大的差异：单独桩锚设计模型的桩顶弯矩接近于零，而联合支护设计模型的桩顶弯矩高达351.55kN·m。这表明单独设计模型可能低估了桩顶弯矩的大小，从而增加了桩顶变形过大的风险，因此该模型偏于保守。此外，在图5中还可以观察到，单独设计模型有5个弯矩零点，而联合设计模型有4个弯矩零点。其中，两个弯矩零点都位于第一道和第二道锚杆附近以及桩底端部，这说明锚杆对于减小桩身变形和提供锚拉力有一定的作用。另一方面，在抗滑桩的5m长嵌固段部分，弯矩值很小并逐渐趋于零，表明支护桩嵌固段起到了支承固定的作用。因此，在设计时应注意桩顶弯矩的计算和锚杆对桩身的影响。

图5 支护桩弯矩变化

4.5 锚杆轴力分析

根据图6所示的数据分析，本文发现单独桩锚设计模型和联合支护设计模型在锚杆初始轴力值上没有显著差异，并且呈现相同的变化趋势。随着深度的增加，锚杆轴力逐步减小，并在距离锚头6.5m处趋于稳定，最终轴力值也十分接近。然而，单独桩锚设计模型的初始轴力高于联合支护设计模型，而最终轴力却低于后者。因此，在估计锚杆的最终轴力时，必须考虑锚杆的位置和支护桩的受力状况。本文还发现第三道锚杆具有最高的初始应力值，分别为652.31kN·m和492.82kN·m，并且第三道锚杆位于支护桩的中部附近。这说明，在一般情况下，第三道锚杆之所以具有最高的初始轴力值，是因为它处于桩锚支护部分土体的中间位置。即使对锚杆施加预应力，桩锚支护的受力最大位置仍然在中部附近。因此，在设计过程中，应该充分考虑土体和锚杆之间的相互作用，以便准确估计最终的轴力值。

图6 锚杆轴力变化

图7 水平位移变化

4.6 坡顶和桩顶位移、沉降对比与监测

本文采用数值模拟方法，对三种不同的边坡支护工程进行了对比分析，包括单独悬臂式挡墙、单独桩锚和联合支护。本文以边坡顶部的位移和桩顶的位移为评价指标，分析了各种支护方案对边坡稳定性的影响。分析结果表明，联合支护方案具有最优的稳定性，能够显著地降低边坡顶部的水平位移和垂直位移。为了验证数值模拟的可靠性，本文选取了两个代表性的监测点进行了现场测量。在18个月的施工过程中，边坡顶部的变形控制在较小范围内，最大水平位移和垂直位移分别为13.7mm和8.3mm。这与数值模拟的结果基本一致，说明联合支护方案能够满足工程实际需求。此外，根据边坡监测的相关规范，边坡顶部的位移都在允许范围之内。

5 结论

本文对某水电站库区左岸的加固修复工程进行了有限元分析，探讨了单体支护模型和联合支护模型在库岸稳定性方面的差异。主要结论如下：

(1)如果采用单独悬臂挡墙模式，底板的配筋量将远远超过实际需要，因为底板要承担较大的弯矩。

(2)联合支护设计模型更能真实地反映桩锚与悬臂式挡墙联合支护结构的受力特性，在设计时应该综合考虑土体的受力情况和锚杆的位置，以便准确估计最终的轴力值。

(3)在18个月的施工期间，边坡顶部的变形幅度很小，最大水平位移和下沉分别为13.7mm和8.3mm，与数值模拟结果一致，说明联合支挡方案能够满足工程需要。