伯斯阿木水库进口段边坡预应力锚索优化设计

鲁克恩

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院,新疆 乌鲁木齐 830000）

岩质边坡广泛存在于水利工程的建设中,其安全稳定性对工程的施工与运行有着较大的影响[1]。对于存在安全隐患的岩质边坡,需施加相应的支护措施,而合理的支护参数不仅可以起到增稳作用,还能降低工程造价[2-3]。基于此,国内外许多学者对此展开了研究。杨洪福[4]利用Midas计算了边坡坡度和锚杆长度与安全系数之间的关系；
张良发[5]结合工程实例研究了锚杆长度、间距和直径对边坡稳定性的影响,选取了支护最优参数；
杨弘等提出将设计与施工结合对锚杆、土钉的设计力学参数进行优化以达到节约成本的目的。本文以伯斯阿木水库进口段开挖边坡为工程背景,计算不同的锚索倾角、粘结直径以及施加不同的预应力条件下的边坡安全系数,从而根据计算结果选取最优支护参数。

伯斯阿木水库工程位于新疆维吾尔自治区和硕县境内的清水河上,是清水河上唯一的控制性水利枢纽工程,工程的建设任务为灌溉、防洪,该水库总库容为2488.1 万m3,灌溉面积为11.45 万亩,防洪保护对象为清水河下游的引水枢纽、干渠、和硕县城、清水河综合园区等。根据规范确定清水河伯斯阿木水库工程等别为Ⅲ等,工程规模为中型。根据新疆防御自然灾害研究所2017 年6 月《新疆和硕县清水河伯斯阿木水库工程场地地震安全性评价报告》,设计烈度为Ⅷ度。

3.1 进口段边坡地质条件

进口边坡走向约300°～315°,闸井后边坡高陡,自然坡度65°左右,基岩裸露,岩性为大理岩,属中硬岩,基岩强风化层厚2 m～3 m,弱风化层厚10 m～12 m,岩层产状305°～310°NE∠70°。总体来看,进口边坡高陡,岩体较完整,边坡整体稳定。但进口边坡为顺向坡,层理与进口边坡近平行,对边坡开挖不利,开挖坡度值不宜陡于岩层倾角。

3.2 进口段边坡开挖设计

高程1433m以下岩体设计开挖边坡为1∶0,每10 m设一马道,马道宽2 m,高程1433 m～1463 m之间岩体设计开挖边坡为1∶0.3,高程1463 m以上岩体设计开挖边坡为1∶0.5,每10 m设一马道,马道宽2 m。为提高边坡稳定性,在两级马道之间布置预应力锚索加固,其断面见图1。

图1 进口段岩质边坡断面图

4.1 计算模型及计算方法

本文利用摩根斯坦-普瑞斯法计算进水段开挖岩质边坡的安全稳定性,建立边坡模型见图2,模型底宽240 m,高度190 m。计算参数结合地质勘探报告和现场监测资料,如表1所示,主要分为弱风化线以上和以下两部分岩体。

图2 计算模型图

表1 边坡岩体力学参数

4.2 预应力锚索加固前后效果分析

该开挖边坡施加锚索前后的滑动面及安全系数见图3（a～b）,施加锚索倾角15°,预应力400 kN,直径0.3 m。由图可知,未施加锚索支护时,边坡的安全系数为1.779,最危险滑动面从开挖面顶部至底部附近；
施加锚索支护后,滑动面变化不大,但边坡安全系数为2.583,提升约45%,说明锚索支护起到了很好的增稳效果。

图3 滑动面及安全系数

4.3 计算方案

由上述计算结果可知,施加锚索支护可以有效提高边坡的稳定性,但不同的锚索参数带来的加固效果是不同的,同时在设计过程中也需要考虑工程的经济效益和施工难度。基于此,本文主要研究锚索倾角、粘结直径以及施加预应力值对稳定性的影响,根据计算结果选择最优支护方案。本文计算方案见表2,各因素取6个水平组进行计算,研究某一因素影响时控制其它因素不变。

表2 计算方案

4.4 锚索参数敏感性分析

4.4.1 锚索倾角的影响性分析

图4为该岩质边坡安全系数值随锚索倾角的变化趋势图。由图可知,边坡安全系数随锚索倾角的增大先增大再减小,在倾角在15°～25°区间时边坡的安全系数较大,倾角在15°时取得安全系数最大值2.583。这说明对于伯斯阿木水库进口段岩质边坡来说,当锚索倾角为15°时,可以达到最佳的锚固效果。因此在岩质边坡锚索加固设计中,可以通过合理设计锚索倾角以提供更大的抗滑力,从而提升加固效果。

图4 边坡安全系数值随锚索倾角变化趋势图

4.4.2 锚索粘结直径的影响性分析

图5为该岩质边坡安全系数值随锚索直径的变化趋势图。由图可知,边坡安全系数随锚索粘结直径的增大先增大再趋于恒定,在直径为0.3 m时得到安全系数最大值2.583,当直径大于0.3 m时,锚索直径的增加不再能够提升边坡的稳定性。同时对比图4 可以看出,相比于锚索倾角,锚索直径的变化对于安全系数的影响不明显。因此在工程设计中,大幅度增加锚索的直径并不能起到很好的加固效果,应优先考虑调整锚索倾角。

图5 边坡安全系数值随锚索直径变化趋势图

4.4.3 锚索预应力的影响性分析

图6为该岩质边坡安全系数值随锚索施加预应力值的变化趋势图。由图可知,边坡安全系数随锚索施加预应力的增大而增大,且在预应力较小时,此时提高预应力施加值能显著提高边坡安全系数,但随着预应力的持续增加,边坡安全系数的增长速度会变得缓慢。以本工程加固效果为例,当预应力从200 kN增加至300 kN时,安全系数提升12.4%；
而当预应力从600 kN增加至700 kN时,安全系数只能提升4.7%。由于施加的预应力值增大不仅会增加施工难度,还会提高工程成本,因此在实际工程中需要合理设计锚索的预应力值。

图6 边坡安全系数值随锚索预应力变化趋势图

4.5 边坡安全稳定校核

根据上述对锚索倾角、粘结直径以及预应力进行的相关敏感性分析结果,综合考虑边坡的加固效果、工程成本以及施工难度,本边坡工程锚索参数设计如下：倾角15°,粘结直径0.3 m,施加预应力300 kN。

按照优化后的锚索设计参数进行加固后,分别计算自然工况和地震工况下的边坡安全系数,计算结果见表3。由表可知,施加锚索加固后,天然工况下边坡安全系数为2.474,地震工况下安全系数为1.648。根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL 386-2007）中的规定,进水口边坡级别为3级,自然工况和地震工况下边坡的安全系数计算结果均大于规范规定的安全控制标准。因此,在该锚索加固方案下,伯斯阿木进口段边坡是安全稳定的。

表3 各工况安全系数计算结果表

本文以伯斯阿木水库进口段开挖边坡为工程背景,对锚索设计参数进行了优化计算,主要得出以下结论：

（1）边坡安全系数随锚索倾角的增大先增大再减小,工程设计中存在最佳锚固倾角。

（2）边坡安全系数随锚索粘结直径先增大再趋于恒定,且其对于锚索的加固效果影响不大。

（3）边坡的安全系数随锚索施加的预应力值增大而增大,但随着持续增加,其增稳效果越来越差。

（4）综合考虑边坡的稳定性和经济性,本工程可采用倾角15°,粘结直径0.3 m,施加预应力300 kN的锚索设计方案。采用该加固方案后,边坡的稳定性较好,安全系数能够满足规范的安全控制标准。