(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司水工工程院，杭州，311122)

楊房溝水電站旦波崩坡積體位于壩址上游約500m處，開挖減載施工過程中，開口線附近土質(zhì)邊坡發(fā)生變形，前緣部分框格梁底部脫空，后緣出現(xiàn)裂縫，需進(jìn)行加固治理。本文采用摩根斯坦(Morgenstern-Price)法對旦波崩坡積體變形區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算不同工況下的穩(wěn)定性安全系數(shù)，并提出變形區(qū)治理的分析方法和工程措施。

1 崩坡積體基本特征

崩坡積體沿江近南北展布，東西長約560m，南北寬約330m，整體上呈倒置“茶杯”形分布，上小下大，分布面積約16萬m2，總體積約310萬m3，如圖1。崩坡積體分布在高程2050.00m～2465.00m之間，2050.00m高程以下為臨江陡壁，地形前陡后緩，坡度變化范圍10°左右，總體坡度約38°。高程2435m～2465m段開挖邊坡支護(hù)基本完成，高程2420m～2435m段邊坡基本開挖完成。已開挖邊坡下游側(cè)出露強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖，上游側(cè)淺部多分布碎石土層，較松散，厚度約4m～8m，開挖邊坡整體穩(wěn)定。設(shè)計(jì)對高程2435m～2465m段下游側(cè)巖質(zhì)邊坡和上游側(cè)土質(zhì)邊坡分別采取系統(tǒng)噴錨和框格梁支護(hù)措施；對高程2420m～2435m段下游側(cè)巖質(zhì)邊坡采取系統(tǒng)噴錨支護(hù)措施。

汛期雨后，高程2435m～2450m段上游側(cè)土質(zhì)邊坡出現(xiàn)局部蠕滑及塌滑變形，導(dǎo)致框格梁變形破碎。局部塌滑主要原因?yàn)樵摱芜吰聹\部多分布松散碎石土層；邊坡上游側(cè)山體也有6m～8m的覆蓋層分布；其下部高程2420m～2435m邊坡開挖較陡；再加上持續(xù)的降雨導(dǎo)致土體軟化而在高程2340m～2420m邊坡出現(xiàn)蠕滑變形。變形區(qū)地質(zhì)剖面如圖2、圖3所示。

圖2 旦波崩坡積體B-B′工程地質(zhì)剖面

圖3 旦波崩坡積體Ⅶ-Ⅶ′工程地質(zhì)剖面

2 穩(wěn)定性研究

2.1 計(jì)算條件

高程2335m～2420m變形區(qū)均位于開挖減載區(qū)，基巖面以上的覆蓋層挖除后即從根本上解決了變形區(qū)穩(wěn)定問題。計(jì)算分析及加固處理主要針對高程2435m～2450m段框格梁變形區(qū)進(jìn)行，共取2個(gè)代表性剖面B-B′、Ⅶ-Ⅶ′，剖面沿邊坡走向正交的方向選取。

共分3種工況：天然工況、暴雨工況、地震工況。

地下水位狀況：地下水位低于基覆界線，計(jì)算中不考慮水位。

地震計(jì)算采用規(guī)范推薦的擬靜力法，其抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)采用50a超越概率10%設(shè)計(jì)，相應(yīng)基巖地震動(dòng)峰值加速度為144.5gal。擬靜力計(jì)算時(shí)，地震效應(yīng)折減系數(shù)取0.25。

根據(jù)DL/T 5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)、工程地質(zhì)類比和反演分析強(qiáng)度參數(shù)等方法，經(jīng)綜合考慮，采用的崩坡積體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 旦波崩坡積體巖土體參數(shù)綜合取值

2.3 計(jì)算結(jié)果

分別對各剖面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，最危險(xiǎn)滑面安全系數(shù)見表3。計(jì)算表明，兩剖面均不滿足穩(wěn)定要求，需采取有效的治理措施。控制工況最危險(xiǎn)滑面示意如圖4、圖5。

表3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖4 B-B′剖面暴雨工況最不利滑面示意

圖5 Ⅶ-Ⅶ′剖面暴雨工況最不利滑面示意

3 加固方案設(shè)計(jì)

3.1 治理措施

根據(jù)旦波崩坡積體的地形、地質(zhì)條件及穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果及分析，擬定微型鋼管樁與錨拉板聯(lián)合加固處理方案如下：

(1)拆除變形區(qū)高程2435m～2450m土體已脫空部位框格梁，并將高程2420m陡緩交界處坡面修整平順；

(2)在高程2450m、2435m、2420m分別布置2排微型鋼管樁，間排距0.6m，鋼管樁長度12m，具體根據(jù)現(xiàn)場鉆孔揭露覆蓋層厚度確定，錨固段長度(入巖深度)不小于1/3樁長(且不小于3m)，鋼管樁總長不小于9m；鋼管樁上部沿馬道方向布置壓頂梁(C30混凝土)，梁寬1m，高0.8m；

(3)鋼管樁壓頂梁上部(開挖邊坡高程2420m～2424m、2435m～2439m)布置錨拉板，高度4m、厚度40cm，每隔12m設(shè)一道結(jié)構(gòu)縫，縫寬2cm，縫內(nèi)填充瀝青杉木板，錨拉板與微型鋼管樁壓頂梁澆筑形成整體；錨拉板預(yù)留排水孔；錨拉板中心線高程2422m、2437m分別布置一排1000kN，L=20m～30m無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，錨索錨固段長度8m，間距5m，錨索按設(shè)計(jì)張拉力的75%鎖定，其中錨索長度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際覆蓋層厚度調(diào)整；

(4)錨拉板背面布置系統(tǒng)排水孔，排水孔φ100，L=10m@5m×5m，上仰10°，內(nèi)插φ75排水花管，設(shè)反濾；

(5)錨拉板以上開挖邊坡(高程2424m～2435m、2439m～2450m)布置C25混凝土系統(tǒng)框格梁，斷面30cm×40cm，間距4m×4m(水平距離×坡面距離)，高程2424m、2439m框格梁底梁與錨拉板澆筑形成整體，框格梁每隔12m設(shè)一道結(jié)構(gòu)縫；

(6)框格梁節(jié)點(diǎn)處系統(tǒng)布置砂漿錨桿，砂漿錨桿為φ28(L=9m/6m/4.5m)；

(7)坡面系統(tǒng)布置排水孔：排水孔φ100，L=10m@4m×4m，上仰10°，內(nèi)插φ75排水花管，設(shè)反濾。

圖6 微型鋼管樁與錨拉板聯(lián)合加固處理方案

3.2 微型鋼管樁設(shè)計(jì)

微型鋼管樁設(shè)計(jì)采用的基本原理是將微型樁群與土考慮為一個(gè)復(fù)合加筋土體，將樁與土圍起來的部分視作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，根據(jù)材料力學(xué)法對其進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。同時(shí)，對微型樁滑面處的抗剪力及微型樁的抗拔力進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。

微型樁承受的推力為滑坡達(dá)到穩(wěn)定安全系數(shù)所施加的抗滑力，經(jīng)計(jì)算為350kN/m，樁間距為0.6m，則單根樁承擔(dān)推力為210kN。

3.2.1 內(nèi)力計(jì)算

滑面處的微型樁加固體的等值換算截面積和等值換算截面積慣性矩

ARRP=mAps2+bh

Ap=(n-1)As+Ac

式中：ARRP——計(jì)算滑面處，微型樁加固體的等值換算截面積(cm2)；

IRRP——計(jì)算滑面處，微型樁加固體的等值截面慣性矩(cm4)；

Ap——一根微型樁的等值換算截面積(cm2)；

m——微型樁與周圍土的彈性模量比(一般為200)；

n——鋼筋與砂漿的彈性模量比(一般取15)；

s2——計(jì)算基準(zhǔn)面內(nèi)包括的微型樁根數(shù)；

b、h——微型樁布置的單位寬度及長度(cm)；

x——計(jì)算基準(zhǔn)面中和軸至各個(gè)微型樁的距離(cm)；

y——計(jì)算基準(zhǔn)面中和軸至計(jì)算基準(zhǔn)面邊緣的距離(cm)；

Ac——微型樁的截面積(cm2)；

As——鋼筋的截面積(cm2)。

由此求得計(jì)算基準(zhǔn)面處，微型樁加固體上作用的最大壓應(yīng)力為：

式中：σRRP——計(jì)算基準(zhǔn)面處，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)微型樁加固體上作用的最大壓應(yīng)力(N/cm2)；

N——計(jì)算基準(zhǔn)面處，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)微型樁加固體上作用的垂直力(kN)；

M——計(jì)算基準(zhǔn)面處，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)微型樁加固體上作用的彎矩(kN·m)。

3.2.2 微型樁加固體中土的壓應(yīng)力計(jì)算

σRRP

式中：f——計(jì)算基準(zhǔn)面處，經(jīng)修正后地基承載力設(shè)計(jì)值(N/cm2)，此處取200kPa。

3.2.3 砂漿與鋼筋上的壓應(yīng)力計(jì)算

σR=mσRRP<σca

σSC=nσR<σsa

式中：σR——作用于砂漿上的壓應(yīng)力(N/cm2)；

σca——砂漿壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值(N/cm2)，此處取14.3MPa；

σsc——作用于鋼筋上的壓應(yīng)力(N/cm2)；

σsa——鋼筋壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值(N/cm2)，此處取360MPa。

3.2.4 微型樁設(shè)計(jì)長度的確定

微型樁設(shè)計(jì)長度等于計(jì)算基準(zhǔn)面以下必要固著長度Lr0與計(jì)算基準(zhǔn)面以上長度L0之和。

式中：τr0——微型樁與計(jì)算基準(zhǔn)面以下土間黏結(jié)力設(shè)計(jì)值(N/cm2)；

D——微型樁直徑(cm)。

3.2.5 鋼筋與壓頂梁間的黏著長度(Lm0)計(jì)算

式中：As——鋼筋的截面積(cm2)；

d——鋼筋直徑(cm)；

τca——鋼筋與壓頂梁間黏著力設(shè)計(jì)值(N/cm2)。

3.2.6 滑面處的抗剪力復(fù)核

組合樁單寬抗剪承載力767.4kN/m，大于350kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

對變形區(qū)進(jìn)行處理后，穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果詳見表4，邊坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)按不利情況，錨索支護(hù)力主要作為增加鋼管樁剛度、錨固錨拉板及框格梁的作用。計(jì)算表明，處理后各工況均滿足穩(wěn)定要求。

表4 變形區(qū)加固后穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過運(yùn)用摩根斯坦法對旦波崩坡積體變形區(qū)的穩(wěn)定性及治理措施進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

(1)旦波崩坡積體變形區(qū)穩(wěn)定性不滿足要求，需采取有效的治理措施，以保證其安全穩(wěn)定；

(2)提出了微型鋼管樁與錨拉板聯(lián)合加固處理方案，特別是對于坡比較陡、厚度約6m～8m較松散的土質(zhì)邊坡，除在坡腳布置微型鋼管樁外，在樁頂再增設(shè)錨拉板，即微型鋼管樁+錨拉板聯(lián)合加固；

(3)同時(shí)也得出崩坡積體穩(wěn)定分析及治理的設(shè)計(jì)思路，即：分析地形地質(zhì)特點(diǎn)，確定失穩(wěn)模式——全面搜索最不利滑面，確定潛在滑體——綜合地質(zhì)地形特點(diǎn)，選擇經(jīng)濟(jì)合理治理措施——計(jì)算分析進(jìn)行驗(yàn)證。