溜砂坡支护的装配式挡墙应用研究

赵颖

（江西省奉新县水利局，江西 奉新330700）

总结前人针对溜砂坡灾害防治理论成果，依托某溜砂坡为例，基于Flac3d有限元平台，模拟研究了以“装配式挡墙+主动防护网”组合支护结构进行溜砂坡加固的有效性。

研究溜砂坡如图1 所示，该边坡上覆岩屑层，下伏弱风化砂岩和硬质砂岩。边坡拟分二级开挖，每步开挖10 m：一级边坡直立开挖，并采用“装配式挡墙+主动防护网”的支护措施，二级边坡开挖坡率为1∶1.50，坡面设置防护网对岩屑浅表层进行约束。边坡岩土体物理力学参数如表1所示。

图1 边坡开挖示意图

表1 溜砂坡岩土体物理力学参数表

3.1 模型建立

根据地质勘察确定溜砂坡几何形态，再根据Rhino软件建立溜砂坡实体模型，并采用四面体单元进行网格划分，最后将模型文件导入Flac3d软件生成计算模型。模型左边界高9 m，底长33 m，右边界高25 m，计算时约束溜砂坡底面全方向位移，对溜砂坡侧面采用法向约束。边坡岩土体采用摩尔库伦计算模型，总计305 231个模型单元，25 546个网格节点。

3.2 边坡开挖稳定性分析（不采取支护措施）

边坡开挖稳定性将从边坡的位移、应力以及塑性区是否贯通进行判定。图2 为路堑开挖后边坡整体位移云图。由图可知，边坡整体位移较大，其中二级边坡顶部出现最大位移，数值约为2×104mm，边坡整体自上而下，位移相对减小，一级边坡底部出现943 mm 位移。分析可知，边坡在开挖后整体将产生数值较大的位移，出现了明显的直线型滑动面，边坡将失稳滑动。而产生直线型滑动的原因是岩屑坡自身粘聚力几乎为0，因此与普通岩土质滑坡有所差异。正因如此，该溜砂坡更需要采取合适的支护措施进行加固，防止溜砂坡滑动破坏。

图2 路堑开挖后边坡位移云图

图3 为边坡开挖后最大剪应变增量云图，由图可知，溜砂坡出现了从坡顶至一级边坡坡脚的“直线型”贯通面，一级边坡坡顶的最大剪应变增量相对较小，而一级边坡坡脚出现最大剪应变增量，数值约为0.47，说明溜砂坡坡脚是最容易发生剪切破坏的部位，而出现这一现象也符合边坡坡脚出现应力集中，且最大下滑力将集中在边坡坡脚的原因。

图3 最大剪应变增量云图

综合分析溜砂坡的位移与剪应变可得，二级边坡坡面位移较大，可采取主动防护网加固，防止二边坡坡面表层发生相对滑动，产生破坏。而一级边坡坡脚容易发生剪切破坏，可采取装配式挡墙结合防护网得支护措施，抵抗溜砂坡下滑力。

3.3 溜砂坡支护后稳定性分析

采用“装配式挡墙+防护网”组合支护结构进行加固后的边坡位移，可知，尽管最大位移仍处于二级边坡顶部及坡面处，但最大位移仅为10 mm，边坡整体位移均满足工程安全要求，说明边坡整体位移得到了有效约束。

采取支护措施后边坡剪应变增量可以得出，溜砂坡最大剪应变增量已减小至0.01，且溜砂坡的直线型贯通面已经消失，但二级边坡顶面仍有较小的剪应变增量区，因此在实际工程中，可对二级边坡进一步采取锚杆支护，稳定边坡。

3.4 组合支护结构稳定性分析

模拟装配式挡墙位移云结果显示，挡墙顶部及压顶梁产生位移最大，数值约为9 mm，挡墙底部及基础梁位移较小，数值约为1 mm，整体呈现从挡墙顶部到底部位移逐渐减小的规律，同时根据挡墙位移均小于挡墙的变形安全要求10 mm，说明挡墙变形在工程安全位移允许范围内。

分析可知，压顶梁剪应力最小，数值约为4×103Pa，而在边坡坡脚处出现相对较大剪应力，数值约为1.6×105Pa，而基础梁剪应力相比于坡脚更小，主要原因是坡脚处受较大下滑力作用，出现应力集中现象，导致坡脚处剪应力较大。值得注意的是，装配式挡墙内的预制块单元所受剪应力也相对较大，最大数值约为2.2×105Pa，由此可见预制块单元内部受力也需要引起重视。但综合挡墙整体剪应力数值来看，最大剪应力远小于材料允许剪应力5×105Pa，因此，挡墙剪应力是满足工程安全的。

综合分析可知，挡墙整体位移以及最大剪应力均满足工程安全要求。因此，研究采取的装配式挡墙在加固溜砂坡的同时，结构处于稳定状态，起到了较好的支护效果。

模拟防护网位移显示，一级边坡防护网位移较二级边坡位移更大，防护网位移呈现从顶部到底部位移逐渐减小的变化规律，产生这一现象的原因主要是因为溜砂坡顶部产生较大位移滑动导致防护网产生较大变形。其中一级边坡防护网最大位移数值约为27 mm，二级边坡防护网最大位移约为21 mm。由于位移数值均小于防护网安全要求范围50 mm，因此防护网在支护时所产生的位移是满足工程安全需求的。

防护网最大剪应力模拟结果显示，最大剪应力主要集中在防护网底部，数值约为2.1×105Pa，这一现象与边坡坡脚应力集中相吻合，整体数值均小于4×105Pa，小于材料允许最大剪应力，因此，符合工程安全要求。

综合防护网的位移以及剪应力可知，防护网在约束溜砂坡岩屑层位移的同时，材料自身处于安全稳定状态，本研究采用“装配式挡墙+防护网”的组合支护结是合理有效的。

3.5 溜砂坡监测位移与数值模拟结果对比分析

为验证此研究数值模拟有效性，在一级边坡坡脚处设置了位移监测点。将溜砂坡坡脚位移监测与数值模拟结果对比，坡脚处位移在一级边坡开挖时产生的位移较小，速率逐渐增加，位移增大至2.50 mm；
而在二级边坡开挖后，位移急剧增加，逐渐收敛至3.20 mm。坡脚位移的数值模拟结果约为3.80 mm，产生相对误差仅为18%，且位移变化趋势与实测数据基本一致，因此，可认为此研究数值模拟具有一定的可靠性。

①边坡开挖后，溜砂坡将沿着贯通面产生滑动破坏，采取“装配式挡墙+主动防护网”后，最大位移减小至10 mm，最大剪应变增量从0.47 减小至0.01，边坡整体处于稳定状态，但实际工程中仍需进一步采取锚杆支护二级边坡；
②装配式挡墙与防护网约束溜砂坡岩屑层位移的同时，结构的位移与最大剪应力均满足工程安全要求，采用“装配式挡墙+防护网”的组合支护是合理有效的；
③坡脚位移的数值模拟结果说明本研究数值模拟具有一定的可靠性。