高边坡锚索体系性能退化模型及时变可靠度研究

Pre-stressed cable system is one of the important reinforced measures for high rock slopes in hydropower engineering. Thus, performance degradation of the pre-stressed cable system due to corrosion effect may result in slope failure. To prevent and mitigate slope failures, the effects of the performance degradation of pre-stressed cable system on the slope reliability need to be quantified. This project aims to develop a corrosion rate model for pre-stressed cable under specific environmental conditions and bonding strength degradation models at the cable-grout interface and grout-rock interface by employing a strategy combining theoretical modeling, numerical simulation and experimental verification. Experimental data will be collected to validate the validity and capability of the proposed models. Thereafter, the performance degradation model of pre-stressed cable system will be obtained and the remaining in-service life of pre-stressed cables will also be estimated. Finally, the slope at the left bank of Jinping I Hydropower Station is taken as a typical case to evaluate the time-dependent reliability of the slope during its operating period subject to performance degraded pre-stressed cable system using a non-intrusive stochastic finite element method, in which the uncertainties of corrosion rate model parameters and rock mass properties are incorporated. The research outcomes produced by this project will lay the groundwork for understanding the performance degradation mechanism of anchorage systems, formulating rational maintenance strategies for anchorage structures and developing a risk-based warning system to reduce casualties and economic losses caused by slope failures.

预应力锚索是水利水电工程高边坡加固的重要措施之一，故锚索体系因材料腐蚀引起性能退化可能会造成高边坡失稳。定量地评价锚索体系性能退化对高边坡可靠度的影响是防治滑坡灾害的重要前提。本项目拟采用理论建模、数值模拟和试验验证相结合的研究方法，建立高边坡特定运行环境条件下预应力锚索腐蚀率模型，锚索与注浆体界面、注浆体与岩体界面黏结强度衰减模型，并通过相关试验资料验证所提模型的有效性和适用性。在此基础上，建立腐蚀条件下锚索体系性能退化模型和预估在役预应力锚索的剩余使用寿命。最后，依托锦屏一级水电站左岸高边坡开展应用研究，基于非侵入式随机有限元法评估考虑参数不确定性和锚索体系性能退化的高边坡运行期时变可靠度。本项目研究成果将为深入认识锚固体系性能退化机理，指导制定合理的锚固结构维护策略和建立完善的滑坡风险预警与调控体系提供重要的理论与技术支持。

预应力锚索是水利水电工程高边坡加固的重要措施之一，故锚索体系因材料腐蚀引起性能退化可能会造成高边坡失稳。定量地评价锚索体系性能退化对高边坡可靠度的影响是防治滑坡灾害的重要前提。本项目采用理论建模、数值模拟和试验验证相结合的研究方法，建立了高边坡特定运行环境条件下预应力锚索腐蚀率模型以及考虑腐蚀条件下锚索两种典型破坏模式的锚固力时变模型，提出了基于子集模拟的岩质边坡系统可靠度分析方法和基于模型修正的边坡可靠度高效协同式分析方法。在此基础上，总结比较了常用的高边坡预应力锚索服役寿命预测模型的优缺点及适用条件。最后，依托锦屏一级水电站左岸高边坡开展应用研究，探讨了参数不确定和锚索体系性能退化对高边坡时变系统可靠度的影响规律。研究表明：锚索服役前期（120年）边坡安全系数和失效概率变化相对较小，后期安全系数和失效概率变化幅度急剧增大，边坡稳定性条件迅速恶化。锚索钢绞线直径和密度、注浆体厚度、环境温度以及水灰比对预应力锚索服役寿命具有显著的影响。提出的基于子集模拟的边坡系统可靠度方法计算效率明显高于蒙特卡罗模拟方法，计算精度优于一阶等效近似方法、N维等效方法和Ditlevsen上下限方法，可为解决低失效概率水平复杂岩质边坡系统可靠度问题提供一个重要的工具。围绕本项目研究，出版了学术专著1部，发表了相关学术论文28篇，其中SCI论文6篇（均第1作者）、EI论文10篇（均第1作者）、CSCD论文6篇（第1作者4篇）、国际会议论文3篇（第1作者2篇），有2篇SCI论文被一区Top期刊收录，取得了计算机软件著作权登记1项，申请了国家发明专利3项。研究成果可为深入认识锚固体系性能退化机理，推动可靠度和风险分析方法在边坡工程设计及滑坡灾害防治实践中的应用，指导制定合理的锚固结构维护策略和建立完善的滑坡风险预警与调控体系提供重要的理论与技术支持。