筱溪水电站重力坝坝基锚筋桩加固研究

最末组锚杆 最末组接触面
ｆ １：＝ｊ＝载
最末组锚杆 最末组接触砸
Ｆｉｇ．３
圈３加锚节理岩体的流变模型Ｉｔ２－１３１ Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｊｏｉｎｔｅｄ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ
ｂｙ ｂｏｌｔ １１２－１３１
２．２有限单元法计算 采用一种能够考虑锚杆在节理裂隙面（或混凝
我国也有一些混凝土大坝基础埋设有岩石锚
收稿Ｈ期：２００９．０６．１８ 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划（２００８ＢＡＢ２９８０１）助。 第～作者简介：陈胜宏，男，１９５７年生，教授，主要从事水工结构和岩土工程方面的教学和研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｓｈ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．吼
万方数据
岩土力 学
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｂｏｌｔ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ；ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｌｉｍｉｔ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｍｅｔｈｏｄ ａｓ ｗｅｌｌ邪ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｂｏｌｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｒａｖｉｔｙ ｄａｍ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｘｉａｏｘｉ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔ．１１ｌｉｓ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ａ ｌａｒｇｅ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｆａｕｌｔ．ｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｓ ａｃｒａｃｋｅｄ ｚｏｎｅ ｏｖｅｒ １８０ｍ ｉｎ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｔｈｅ ｒｉｖｅｒ ｂｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄａｍ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｒｏｃｋ ｂｏｌｔｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ
１引言
岩石锚杆于１９１１年在美国首次用于支护矿山 巷道，在２０世纪６０年代由于新奥法的产生而获得 更广泛的应用和研究。。目前，岩石锚杆是世界各国 边坡和隧洞支护的主要形式。
岩石锚杆也可作为重要的抗滑稳定措施用于 混凝土大坝不良基础的处理。尤其是当施工开始后， 若基坑开挖发现实际地质条件比勘探预测的要差， 而扩大断面、深挖、固结灌浆等措旋的作用有限时， 岩石锚杆处理方案的优越性就比较显著。意大利的 Ｔｉｒｓｏ坝是一个典型实例川。该坝高１ ００ ｍ，坝基岩
ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｂｏｌｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄａｍ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ
ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ；ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｂｏｌｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｄｉｐ ａｎｇｌｅ，ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐａｃｉｎｇ，ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．１１１ｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｗｏｒｋ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ａｒｒａｎｇｅｄ ｃａｒｅｆｕｌｌｙ ｔｏｏ．１１１ｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ：ａｎｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｔａｒｔｅｄ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｊａｎｕａｒｙ ｏｆ２００８． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄａｍ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｂｏｌｔ
２０１０年
杆，但这些锚杆在设计上往往作为混凝土大坝基础 抗滑稳定的安全裕度考虑，在施工上则往往重复利 用基岩灌浆孔，对锚杆倾角等参数方面的设计不太 考究。最近，湖南筱溪水电站工程实现了真正意义 上的使用岩石锚杆作为坝基抗滑稳定主要措施的工 程实践。
筱溪水电站位于资水干流中游湖南省邵阳市 新邵县筱溪乡龙口溪峡谷出口段，正常蓄水位 １９８．０ ｍ，总库容１．４ｌ亿立方米，电站装机１３５ ＭＷ， 坝型为混凝土重力坝。右岸布置河床式厂房，长 ６９．５ｍ。左侧及中部河床布置８孔１４ｍ×１１．５ｍ（宽 ×高）溢流坝，堰顶高程１８６．５ ｍ；左岸布置５１ １１１ 长重力接头坝，在紧靠溢流坝的一个接头坝段布置 垂直升船机。
ｎ，Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＷａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｗｕｈａａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｍｃｉａｌ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００７，Ｃｈｉｎａ）
万方数据
第４期
陈胜宏等：筱溪水电站重力坝坝基的锚筋桩加固研究
ｒｏ ２吧：５＋０．０１１妒ｓｉｎ２（ａ＋ｆ）】 （２）
Ｄ∥４（ｏ．８５＋０．４５ｔａｎＯ）
式中：嚷为岩石的单轴抗压强度；ｉ和矽为裂隙或 潜在滑裂面的剪胀角和摩擦角；口为锚杆的倾 角。
若锚杆的控制面积为么７，则式（１）中锚杆对 凝聚力的贡献为：
２锚杆抗剪作用原理及计算方法
在用有限单元法对加锚节理岩体进行分析时， 可以采用两类模拟方法【２】：一类是节理、锚杆和喷 层的离散模拟［３－５】；另一类是节理、锚杆和喷层的 等效模拟【６＿９】。前者将研究区域内的所有介质都单 独划分单元进行有限单元分析；后者不单独对节理、 锚杆、喷层划分网格，而是根据各种共同作用原则， 将它们的材料特性均化到岩体单元中去。两类方法 各有所长：离散模拟有可能对锚固件和结构面的细 节进行详尽的描述，而等效模拟则可处理大规模的 复杂三维问题。文献［１０］通过试验研究，提出了锚 杆加固对岩体力学性质改善程度的估计公式，可用 于等效模拟计算，但该公事比较简单，其综合经验 系数不易确定。瑞士联邦理工学院Ｅｇｇｅｒ教授的研 究小组针对岩石锚固进行了大量的室内和现场试 验，提出了一种锚杆加固对岩体力学性质改善程度 的估计公式【ｌ¨，由于该公式可以考虑较多锚固参 数，故本文予以推荐。另外根据同样的岩石锚固室 内和现场试验，笔者和Ｅｇｇｅｒ教授等人合作，对锚 杆加固的机制和有限单元法分析进行了研究【１２＿１３１， 该方法也被用于筱溪重力坝坝基的锚固研究。 ２．１极限平衡法计算
土／岩石接触面）产生局部化应力的流变模型进行计 算陋１ ３１。
图３所示的流变模型隐含以下４条基本原则： （１）应变叠加原则，加锚节理岩体的应变增量 等于加锚岩块与各组加锚节理的应变增量之和。 （２）应力分担原则，加锚岩块中，应力增量由 岩块和锚杆共同承担；加锚节理中，应力增量由节 理和锚杆共同承担。 （３）应力一致原则，加锚节理岩体与加锚岩块 及各组加锚节理的应力增量一致。 （４）应变一致原则，加锚岩块中，锚杆的应变 与岩块的应变一致；加锚节理中，锚杆的应变与节 理的应变一致。 推导本构关系时，可根据不同的岩石类型在以 上流变模型中引入不同的关于节理裂隙变形和破坏 机制。比如：若考虑岩体中小尺度非贯通的节理裂 隙，可用损伤力学模型；若主要关注大尺度节理面 或大坝结构的结触面，则可用一般Ｇｏｏｄｍａｎ模型１４Ｊ 描述其拉剪和压剪变形破坏。
ｃ６＝Ｔｏ／Ａ７
（３）
根据Ｏｗｃｎ和Ｈｉｎｔｏｎ等人的研型１５Ｊ，若流动参
数ｙ可由室内外试验确定，则可利用弹黏塑性计算 推求应力．应变随时间变化的实际过程，并求出最终 的稳态应力．应变；当流动参数无法确定时，可取 ｙ＝ｌ，由此计算的应力．应变过程为虚拟过程，但 最终求得的稳态应力．应变与弹塑性解一致。另据朱 伯芳【１６】的研究，用弹塑性增量理论计算时，结构的 荷载．位移曲线变化平缓，相应于失稳的一段曲线对 荷载增量灵敏度不高，不易准确求出安全系数。而 采用弹黏塑性势理论计算可避免这个缺点。
第３１卷第４期 ２０１０年４月
文章稿号ｌ １０００－－７５９８（２０１０）０４—１１５１一０６
岩
土
力
学
Ｒｏｃｋ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
Ｖｂｌ３ｌ Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２０１０
筱溪水电站重力坝坝基锚筋桩加固研究
陈胜宏１，汪卫明１，杨志明２
（１．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉４３００７２；２．湖南省水利水电勘测设计研究总院，长沙４１０００７）
ｌ荷载
最末组锚杆 最末组接触面
１一块体：２－－钢盒；３－－锚杆；４一砂浆：５一剪切面：６一铅直千斤顶； ７一无摩擦上支承；８一导向环；９－－水平千斤项；１０一剪力传感器； １１一剪切位移传感器：１２一法向力传感器：１３－－铅直位移传感器
图２直剪试验装置【¨Ｉ
Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔｌｌｌＩ
工艺方面也作了精心安排。该工程已顺利实施，并于２００８年１月开始正常运行。
关键词：坝基；稳定；锚杆
中图分类号ｔ Ｔｕ ４５
文献标识码：Ａ
Ｒｏｃｋ ｂｏｌｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｇｒａｖｉｔｙ ｄａｍ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｘｉａｏｘｉ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｐｒｏｊ ｅｃｔ
·ＣＨＥＮ Ｓｈｅｎｇ．ｈｏｎ９１，ＷＡＮＧ Ｗｅｉ．ｍｉｎｇｌ，ＹＡＮＧ Ｚｈｉ．ｒｕｉｎ９２
坝基面抗滑稳定安全系数计算公式如下：
晚＝塑等型
（１）
式中：以为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系 数；∑肜为作用于坝体上全部荷载对滑动平面的法 向分值（ｋＮ）；∑Ｐ为作用于坝体上全部荷载对滑 平面的切向分值（ｋＮ）；Ａ为计算坝段的坝基面底 面积（ｍ２）；厂’为坝基混凝土与岩石接触面的抗剪 断摩擦系数；ｃ７为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪 断凝聚力（ｋＰａ）；ｃｂ为坝体混凝土与坝基接触面的 锚筋桩等效抗剪强度（ｋＰａ）。
摘要：介绍了岩体锚杆的加固机制，推荐了相应的极限平衡法和有限元法，并将其应用于筱溪重力坝坝基的锚筋桩锚同研
究。该坝坝基受顺河向区域性断层影响，河床中部破碎带及影响带宽达１８０ ｍ。为解决坝基稳定问题，布置了系统的锚筋桩。
通过现场试验，证实了坝基锚筋桩锚圊的可靠性。通过分析计算，对锚筋桩的倾角、长度、间距等参数进行了设计。在施工
体为云母片岩、片麻岩和花岗岩。开挖到设计建基 面后，发现岩体风化严重，完整性很差。经研究， 决定再下挖５ ｍ，并在基坑允许条件下扩大断面。 但是下挖完成后，岩体完整性仍然很差，整体稳定 性不足（小于２），局部点安全度小于１．５的部位从 坝趾向上游延伸范围很大且较深。最后决定采用全 坝基（２０ ０００ ｍ２）锚筋桩加固的方案。锚杆倾角考 虑了主应力分布和潜在破坏面因素，交错布置，分 别为１０。和２５。。锚杆长度也交错布置，分别为６ｍ 和１８ ｍ，局部２４ ｍ。该工程已经完工，目前运行 正常。
为在重力坝抗滑稳定的极限平衡法中反映锚 杆的作用，需恰当评估坝体混凝土与坝基接触面的 锚筋桩等效抗剪强度Ｃｂ。
记ｒ为图２所示直剪试验中施加的最大剪力， 瓦为未加锚节理岩体的抗剪强度，只为锚杆的最大 拉力。用瓦来表示由锚杆而产生的那部分抗剪强度 值（ＴＯ＝Ｔ一瓦）。在剪切位移达到一定的情况下， 加锚节理岩体达到最大荷载瓦。当位移继续增加， 荷载反而减小，最终发生脆性破坏。根据瑞士联邦 理工学院的试验【１１１，Ｔｏ的表达式为
Ｚｉ Ｒ＿ＶＣＩ＂
ＩBaidu Nhomakorabea
ＦＩ
Ｉ
Ｌ
…
．Ｉ
图ｌ筱溪水电站工程枢纽布置 Ｆｉｇ．１ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ Ｘｉａｏｘｉ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔ
坝址区地质构造复杂，共有１１条断层通过枢纽 主体建筑物基础，其中顺河向区域性的筱溪一大乘 山压扭性断层（Ｆ１）纵切坝基河床中部。Ｆ１断层倾 向左岸，倾角６７。～７８。，破碎带宽达１００ｍ左右， 加上次生断层的作用，破碎及影响带宽达１８０ ｍ， 而坝址河床宽仅２１０ ｍ，主厂房的４个机组段和８ 个溢流坝段几乎均落入断层及断层破碎带内。Ｆ１断 层破碎带力学强度极不均一，承载力和变形模量很 低。采用加大坝基面宽度、帷幕线上移、加强下游 排水、将坝基面开挖成倾向上游的逆坡面、利用下 游消力池、导墙等结构、固结灌浆等措施后，仍不 能完全解决抗滑稳定安全问题。最后，采用岩石锚 杆形成锚筋桩加固地基方案，使得工程得以顺利实 施，并于２００８年１月开始正常运行。考虑到国内使 用岩石锚杆作为加固坝基主要手段的工程实践不 多，本文结合筱溪重力坝坝基的加固设计和研究， 对坝基的锚筋桩锚固分析方法进行介绍，希望今后 在西部水电工程建设中遇到类似问题时可供借鉴。