广西塬上水库溢洪道边坡稳定性分析与支护方案比选

广西塬上水库溢洪道边坡稳定性分析与支护方案比选

1工程成本、质量及防范两大影响的接为了满足农业灌溉的需要，近年来农业节水工程在中国各地都取得了大量的建设。随着我国水利行业的蓬勃发展，工程规模和面积都在不断扩大，水利工程边坡问题不断涌现。边坡失稳逐渐成为制约工程实施与运行的重要因素，直接影响到工程的成本、质量以及整个工期。因此，根据具体的地质条件和工程方案，深入开展水利工程开挖边坡卸荷后稳定性分析和支护方案的研究由于传统的极限平衡理论将滑动体视为刚体，没考虑岩土体内部变形与边坡稳定性之间的关系，在考虑地层特性、施工过程与支护措施等方面对边坡稳定性的影响时均具有局限性本文结合广西驮英水库溢洪道边坡开挖支护具体工程实例，根据边坡施工开挖揭露的实际工程地质条件和施工过程出现的变形现状，采用三维有限差分数值模拟方法对已施工边坡开挖支护方案进行评价，分析确定进行加强支护的必要性，再提出两种加强支护的处理方案并进行计算比选，为边坡加强支护实践提供设计依据。2项目总结2.1《工程地质标准》ssl252-2017年驮英水库是左江流域明江支流公安河上规划的龙头灌溉水库，是一座以灌溉为主，兼顾供水、发电、防洪等综合利用的水库枢纽工程。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）其中溢洪道布置在沥青混凝土心墙堆石坝右侧的山坡上，区域地貌属低山地貌。溢洪道右岸边坡山头高程293.6m，自然坡度30°～45°，总长约420m。岩体开挖边坡开挖比为1:1.25～1:0.2，开挖边坡高度为30.0～77.8m。溢洪道的岩质开挖边坡基本为横向坡，多倾向于边坡外侧，原设计采用锚杆喷混凝土进行支护处理，以保证边坡的稳定，部分存在构造发育的边坡采用锚索进行加强支护处理。2.2工程地质横剖面根据开挖揭露的工程地质条件，溢洪道边坡岩性大致分为砂岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩三大类，呈夹层状或互层状，在溢洪道主要出露为6层。在J溢洪道边坡工程地质横剖面见图1。根据开挖揭露的工程地质条件，溢洪道边坡岩体断层不发育，但岩体褶皱现象和节理裂隙发育。溢洪道共发育有2条褶皱，这些褶皱均与河流走向正交或稍斜交，造成溢洪道边坡岩体扭曲、破碎严重，岩体沿层面、裂隙面产生错动现象，错动面发育泥膜和泥化夹层。砂岩岩层受褶皱发育的影响，岩体风化深，破碎，层间泥化夹层发育。因此由于上述不良地质条件的影响，溢洪道边坡稳定性较差。2.3溢洪道边坡支护过程溢洪道开挖边坡进水渠及控制段（桩号溢-159.36~溢0+000.0）233.5m高程以上每级边坡高15.0m，开挖坡比1:1.75，每级边坡顶设3.0m宽马道，共布设4级边坡。233.5m高程以上开挖后边坡最大高度为56.0m。233.5m高程以下按1:1.5~1:1.75进行削坡。溢洪道边坡于2018年5月开始开挖右岸工程边坡，主要开挖为上游进水渠段、进水渠渐变段和控制段。2020年3月基本完成溢洪道边坡开挖工作。2020年8月12号溢洪道边坡支护过程中，溢洪道泄槽段桩号溢0+090.8~溢0+129.0m，高程235.5~204.7m边坡出现开裂，在高程235.5m马道出现拉裂缝，产状为N60°W，NE∠80-90°，延伸长度约39.2m，裂缝宽2~10cm，往下3m范围内张开，无充填，部分充填上部生态护坡冲刷下来的粘土。在235.5~204.7m两级坡面上出现剪裂缝，坡面的喷射混凝土面出现裂缝，宽2~5cm，顺层发育，层间夹泥，局部微张，少许黑色渲染。在204~210m高程处，沿层面出现剪出口，在溢洪道边墙混凝土平台上出现少许强风化砂岩碎块。2020年8月13号滑坡现状地貌及滑坡周界见图2。目前边坡已实施94根（M61~M154）预应力锚索进行支护，预应力为1000kN，排距为5m×5m，矩形布置，预应力锚索实施位置见图3。3模型构建和参数选择3.1模型求解和约束为充分研究溢洪道右岸边坡在施工、加固支护工程中边坡变形分布规律，通过ANSYS软件构建了研究区域三维有限元数值计算模型，X轴正方向指向正东，Y轴正方向指向正北，Z轴正方向铅直向上。模型计算范围X方向取803m，Y方向取755m，铅直方向最大高度有344m（从高程0m到高程344m）。计算模型共剖分单元1334836个，节点237179个，完全开挖后表层形态如图4所示。由于所选取的研究区域赋存于广阔的地质条件下，模型四周及底部受到周边地质条件的约束，计算时在模型底部（高程Z=0m处）施加全约束，模型四周边界设置法向约束。在初始条件中，未考虑构造应力，仅考虑自重应力产生的初始应力场。有限差分数值计算中材料本构模型采用理想弹塑性模型，屈服准则采用摩尔-库仑准则3.2岩体强度的影响因素在结构面切割作用下，天然岩体中容易形成大小不一的岩块，这些结构面导致岩体力学性质的不连续性、不均一性和各向异性。因此，岩体的强度特征不仅取决于岩石自身强度，还与结构面强度、岩体赋存的环境等因素有关。根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）3.3边坡支护设计根据对各施工图纸及开挖程序分析，在一定概化的基础上可以确定用于数值模拟的开挖步以及支护过程，并划分三种工况。在溢洪道右岸边坡按马道大致划分开挖阶段开挖，每一级开挖高程分别为280.5m、265.5m、250.5m、235.5m、220.5m、205.5m、191.0m和溢洪道底部。工况一为边坡边开挖边支护，当边坡开挖到下一高程时，用已施工的预应力锚索支护到上一高程。工况二与工况三是在已施工预应力锚索支护的基础上新增支护措施对边坡加强支护。各工况下支护方案说明如表2。4计算与分析4.1变形方向位移横河向位移对边坡稳定性有较大影响，以Y轴方向位移最具代表性，所以主要分析不同施工工况下边坡Y轴方向位移分布情况。图5为根据实际情况模拟，在无支护条件下边坡逐级开挖工况下的数值模拟得到的Y方向位移云图。从图中可看出，大部分坡面的Y方向位移趋势为指向坡外，开挖面以卸荷回弹位移为主。桩号溢0+067m~溢0+129m段、高程220.5~250.5m边坡Y方向位移值较大，与实际工程出现的拉裂缝位置吻合，说明破碎砂岩层J图6为边坡逐步开挖支护后Y方向位移云图，其中支护的锚索为94根已实施的1000kN预应力锚索（M61~M154）。全部开挖支护完成后，桩号溢0+067m~溢0+129m段、高程220.5~250.5m边坡Y方向位移值较大，最大位移达到17.437mm，与仅开挖未支护时Y方向位移云图相似。说明已经施加的M61~M154预应力锚索对较大变形区的加固效果不明显。为确保边坡裂缝不继续发展而导致边坡失稳破坏，有必要对较大变形区进一步加强支护。4.2加强支护方案i方向位移在已施工预应力锚索支护的基础上，用加强支护方案一加强支护。具体措施为：除已施工预应力锚索外，在坡面新增多根锚索，预应力为1500kN，排距为5m×5m，矩形布置，具体实施位置见图7。图8为边坡用加强支护方案一加强支护后Y方向位移云图，Y方向最大位移达到12.813mm。相对于仅开挖未支护时的17.438mm减少了4.625mm，并且较大变形区域范围有所缩小，可以对较大变形区进行控制。4.3锚筋桩的支护在加强支护方案一支护后的基础上，用加强支护方案二加强支护，如图9。具体措施为：在220.5m和xa0235.5mxa0马道上施4m×4m、xa015~20mxa0长xa0、3@28钢筋xa0@150mm孔径的锚筋桩Z1~Z69支护。图10为边坡用加强支护方案二加强支护后Y方向位移云图，Y方向最大位移达到11.644mm，相对于仅开挖未支护时的17.438mm减少了5.794mm，并且较大变形区域范围有明显缩小。综上说明加强支护方案二可以对较大变形区进行良好的控制，且加固效果优于加强支护方案一。5支护方向位移云图经过对根据溢洪道开挖揭露的工程地质条件和边坡现有变形及支护状况的分析，结合FLAC3D软件数值模拟结果，对两种加强支护方案进行比选，可以得出以下结论：（1）溢洪道右侧边坡施工期出现的裂缝所在开挖边坡出露岩体为强风化砂岩夹泥质粉砂岩，地层位于向斜核部，核部岩层倾角较陡，风化较深，岩体破碎。各工况下，边坡受卸荷回弹影响，变形指向坡外，破碎砂岩层J（2）已施工预应力锚索支护下边坡Y方向