航道邊坡錨桿支護結構試驗與優化研究

張智泰

摘要：針對航道的邊坡特點和航道運行要求，文章通過試驗和數值模擬相結合的方法，對航道水位變動區邊坡錨桿支護結構在靜態荷載和動態水流情況下的工程性能進行了系統研究，并給出了航道邊坡錨桿支護結構設計建議。研究成果可為航道邊坡錨桿支護結構的設計應用提供借鑒。

關鍵詞：航道；邊坡；錨桿；支護結構

中圖分類號：U617.8 A 04 009 2

0 引言

航道邊坡作為開挖航道的重要組成部分，其穩定性對于航運安全運營至關重要。平陸運河欽江城區段航道工程位于青年樞紐以下，屬感潮河段，航道護坡受潮水和洪水的雙重作用，航道邊坡位于水位變動區域，在荷載、水流、波浪等多重作用下極易發生側滑、坍塌等不穩定現象，威脅著船舶的航行安全，而錨桿支護作為一種有效的工程手段被廣泛應用于邊坡的穩定性支護結構上。

1 概述

1.1 航道水位變動區邊坡的特點

航道邊坡是河流、運河或港口等水域中的岸坡，其特點在于其處于水體與陸地之間的過渡地帶，承受著水流、波浪等多種水動力作用。這使航道邊坡面臨一系列工程挑戰。（1）水流的沖刷和波浪的沖擊會導致邊坡出現侵蝕和失穩，增加了岸坡的崩塌風險；（2）不同水動力因素的變化會使邊坡面臨不斷變化的受力情況，使支護結構需要適應不同工況下的力學特性。此外，航道邊坡的水下部分由于可能受到船舶錨泊、航行等活動的影響，對邊坡穩定性提出了更高的要求。

1.2 錨桿支護技術的基本原理

在錨桿支護設計中，將錨桿預先錨入土體中，通過兩者之間的摩擦力和粘結力，使錨桿與土體之間形成一個連續的力傳遞通道。這樣，外部施加在結構物或土體上的荷載將通過錨桿逐級傳遞到深層穩定土體中，從而分散和減輕荷載對邊坡的影響，提高邊坡的整體穩定性。

同時，錨桿支護技術還利用了桿體的拉力和土體的側向抵抗。當外部荷載作用于結構物或土體時，錨桿內部產生拉力，這種拉力可以通過錨桿的自身強度和錨固長度來承擔一部分荷載，土體的側向抵抗也會在一定程度上減輕結構物或土體受到的荷載作用。通過合理設計錨桿的數量、位置和布置，可以最大限度地發揮錨桿支護作用，提高支護結構的效果。

2 平陸運河欽州城區段航道邊坡運行條件

平陸運河欽州城區段航道工程沿線利用河段主要為欽江。青年水閘以下走廊區屬欽江河口三角洲平原，兩岸地形平坦，穿越欽州城區，現狀岸坡多以斜坡式護岸、半直立式護岸為主，東西兩岸大部分已形成濱水景觀帶。因此新建航道護岸以斜坡式護岸為主，邊坡高度在15～20 m。護岸運行受洪水、降雨、潮水等多重作用且水位變動較大，其中多年平均潮位0.66 m，歷史最高潮位3.98 m，歷史最低潮位-2.39 m，50年一遇（沿程）洪水位7.71～5.12 m。

3 試驗材料與方法

3.1 試驗材料選取與特性分析

本試驗根據正在實施的平陸運河欽州城區段航道工程典型地質條件，進行試驗材料選取。試驗材料及特性見表1。

3.2 支護結構試驗參數

根據類似工程經驗，支護結構試驗參數見下頁表2。

3.3 試驗與數值模擬

3.3.1 試驗方法

本研究采用試驗方法以及數值模擬相結合的方式，分析航道邊坡錨桿支護結構的性能影響因素。

3.3.1.1 樣本制備與支護結構搭建

選擇代表性的巖石和土壤樣本，根據實際情況制備樣本。根據設計參數，搭建支護結構，模擬航道邊坡實際工程中的情況。

3.3.1.2 靜態加載試驗

使用靜態加載裝置對支護結構施加不同荷載，以模擬不同工況下的靜態荷載作用。記錄荷載施加時的位移和變形響應，獲得荷載-位移曲線。

3.3.1.3 動態水流試驗

通過模擬不同水動力條件，測量邊坡在水流作用下的位移、變形和受力情況，以探究水動力對支護結構的影響。

3.3.2 靜態荷載數值模擬

由圖1可知，在荷載作用下，荷載-位移曲線可能呈現出近似線性的階段，這表示樣本受到較小的荷載。在這個階段，材料的位移與施加的荷載之間存在線性關系，這表明材料的剛性較高。從圖1中未看到拐點或彎曲，這表明材料未進入非線性變形階段。拐點越早出現，表示材料強度越低，容易發生破壞；若拐點出現在荷載較高時，則表示材料相對較堅硬，需要更大的荷載才能引起破壞。

3.3.3 水動力荷載影響分析

水動力荷載影響分析如圖2所示。

由圖2可知，在水流速率增加的情況下，邊坡位移和變形會逐漸增加。表明水動力荷載會削弱邊坡的穩定性，需要在設計中考慮加強支護結構，以降低水動力荷載帶來的影響?；诜治鼋Y果，當水流速率較高時，建議通過增加錨桿數量、調整布置等措施獲得更牢固的支護結構，以保持邊坡的穩定。這需要針對不同水流速率制定不同的支護方案。

依據上述靜態加載試驗和動態水流試驗成果，對水位變動區護坡結構進行數值模擬計算，提出邊坡水流壓力值，如表3所示。

4 航道邊坡錨桿支護結構設計建議

（1）邊坡上、中、下不同的位置建議設置不同的錨桿。

結合靜態荷載分布情況，建議將垂直錨桿布置于邊坡的上部和中部，將上部荷載有效地傳遞到錨桿上，分散荷載，減輕邊坡的壓力，從而提高邊坡的整體穩定性。針對邊坡下部，設置水平錨桿以降低側向荷載的作用力和傾覆作用，進一步增強支護效果。在水動力荷載較強的區域增加水平錨桿數量，提供更強的邊坡抗沖刷能力，防止水流沖刷和侵蝕。

（2）建議錨桿布置方案應充分考慮地質特征對支護的影響。

在易崩塌的地層，通過減小錨桿之間的間距，增加支護的緊密性，有效地增強邊坡的抵抗能力。此外，對于土壤較松散的區域，進一步減小錨桿的間距，以確保支護結構能夠緊密地固定地面，抵御外部力。

（3）建議合理確定錨桿的深度和角度。

錨桿深度和角度的合理確定直接影響著支護結構的穩定性。根據邊坡的坡度和地層特點，確定垂直錨桿的埋深，可以增加錨桿的抗拉能力，有效地抵御上部荷載。水平錨桿的角度應根據地層的傾斜情況來選擇，以確保其能夠有效地抵御側向力，提供側向穩定性。

5 結語

針對航道水位變動區邊坡特點和航道運行要求，本文通過實驗和數值模擬相結合的方法，對航道邊坡錨桿支護結構在靜態荷載和動態水流情況下的工程性能進行了系統研究，提出護坡支護結構受水動力荷載設計值及錨桿支護結構設計建議。本研究的成果對于航道邊坡錨桿支護結構領域的進一步發展和實際工程應用具有重要意義，同時也為平陸運河欽州城區段航道工程邊坡的設計與優化提供了有價值的思路和方法。

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收稿日期：2023-09-10