錨桿邊墻在重陽水庫溢洪道中的應用

任澤垠 陳維康

(南陽市水利建筑勘測設計院 河南南陽 473003)

1 重陽水庫項目概況

西峽縣重陽水庫位于丹江水系老灌河支流丁河上游奎嶺河上,壩址在西峽縣城西 30km的重陽鄉黃楝樹崗,是一座以防洪、灌溉為主,兼顧發電、養魚的中型水庫。水庫控制流域面積 80.5km2,主河道長 21km。該水庫于 1958年冬動工興建,1979年 12月基本建成,1980年 9月竣工驗收。該水庫2000年一遇校核洪水位 379.20m,總庫容 3300萬m3,100年一遇設計洪水位 377.12m,相應庫容2828萬 m3,興利水位 373.60m,興利庫容 1980萬m3,死水位 354m,死庫容 160萬 m3。

水庫大壩壩型為黏土心墻砂殼壩,壩頂設計高程為 380.70m(吳淞口高程系,下同),頂寬6.0m,壩頂長 573m,最大壩高 37.7m。截水槽長550m,底寬 6m,邊坡 1∶0.5,心墻頂高程380.00m,頂寬 2m,最大底寬73m,心墻長 570m,心墻與岸坡巖石接觸處開挖有結合槽,在黏土心墻之外,上游有一部分代料,在代料上填筑砂殼。

溢洪道工程位于水庫大壩右側,原設計底寬50m,底高程 373.6m,寬頂堰,現狀底寬最窄處為 46m,底高程 374.1m。溢洪道工程處于砂巖、礫巖、頁巖強風化地層,未砌護,無消能工,無尾水渠;左岸山體不穩出現滑坡,一旦泄洪,溢洪道很容易被沖刷拉切,同時滑坡體可能堵塞溢洪道,危及大壩安全。

輸泄水洞位于大壩左端樁號 0+060處,由泄洪、輸水 (發電灌溉)聯合涵閘建筑物組成。

水庫存在許多安全隱患,如水庫抗洪安全性低,左壩肩繞滲,溢洪道地質條件差,無護砌,無消能工,無尾水渠,溢洪道承泄河道蘆溝河過流能力嚴重不足,一旦泄洪將危及兩岸村莊、學校等。根據重陽水庫洪水風險圖,如遇 500年一遇洪水主壩潰決后,淹沒面積 60km2,其中耕地面積 2.6萬畝,影響到老灌河沿線的西峽縣城及四個鄉鎮、淅川縣城及三個鄉鎮共 40多個村莊 12萬人,危及312國道、寧西鐵路、歐亞光纜、滬新光纜等重要交通及通訊干線的安全。

2 工程存在的主要問題

2.1 溢洪道存在的主要問題

溢洪道頂部高程及底寬均達不到設計尺寸,地質現狀為白堊系中統砂巖、礫巖、頁巖,抗沖性能差,尤其左岸山體存在多層軟弱夾層,局部已出現崩塌滑坡。同時溢洪道未砌護,出口無消能工,無尾水渠,出口與下游河道高差 23m多,而且下游尾水渠利用丁河另一支流蘆溝河,未做任何防護工程。

2.2 施工開挖存在的主要問題

溢洪道位于大壩右側,為兩山夾一凹,現狀底部高程 374.1m,寬度 46m,兩岸山體陡峭,山頂高程均在 426.00m以上,蘆溝河河底高程 350.1m,山頂距現狀溢洪道底 50m,距蘆溝河河底 70m,溢洪道水平方向長 110m,若根據上述條件設計溢洪道邊墻寬度,施工時還要考慮立?？臻g和作業空間,以及穩定的山體邊坡 1∶1.25,這樣估算山體石方開挖量約 1.5萬 m3,石方開挖運輸按 35元/m3計,該部分投資 52.5萬元。工程量較大,投資較高,而且在水庫除險加固中國家投資已經確定,追加投資已可能性很小。因此,如何優化溢洪道邊墻設計,節省溢洪道邊墻工程量,同時更重要的是節省山體石方開挖量,具有十分重要的意義。

3 溢洪道工程設計

溢洪道位于水庫大壩右側,開挖于強風化砂礫巖、砂質頁巖上,抗沖能力很差,根據工程地形情況及溢洪道短、落差大等特點,新建溢洪道采用開敞式 WES型實用堰,寬 45m,堰頂高程與興利水位相同為 373.60m,堰前為進水渠,堰后為泄槽、挑流鼻坎和護坦。溢洪道泄洪采用挑流消能,洪水泄入蘆溝河,蘆溝河相應段做防護工程,溢洪道上部山體滑坡做開挖削坡、卸荷處理。

進水渠:采用 0.4m厚的 C20鋼筋混凝土護底,進口兩側采用規則的扭曲面與兩岸山坡連接,平順水流。

控制段:為 WES型實用堰,堰面曲線采用標準剖面曲線方程,上游曲線采用三圓弧連接,下游設反弧與泄槽底板相連,堰體為實體堰,堰體內用漿砌石,外側用 C20鋼筋混凝土。

泄槽、挑流鼻坎和護坦:泄槽底板為 40cm厚的 C20鋼筋混凝土,板下設 C10混凝土墊層和縱橫排水溝;挑流鼻坎采用差動式 C30鋼筋混凝土結構;護坦采用鉛絲籠拋石。

邊墻:進水渠和泄槽邊墻均采用 C15混凝土重力式擋土墻,擋土墻背坡 1∶0.5,墻頂寬 0.5m,墻高 5.1～9.5m,擋土墻基底寬 3.35～5.01m。通過結構計算,其抗滑穩定、抗傾穩定和基底應力滿足設計要求。

4 溢洪道邊墻設計方案比較

針對溢洪道的地質構造和地層巖性,結合溢洪道本次施工開挖后的實際地形,本次泄槽和挑流鼻坎段邊墻設計考慮增加巖石錨桿擋土墻設計方案,與原設計的 “混凝土重力式擋土墻”方案進行方案比選。

第一方案 C15混凝土重力式擋土墻:采用 C15混凝土重力式擋土墻,墻頂寬 0.5m,墻背坡度1∶0.5,墻底寬 5.01～1.80m,墻高 9.41～3.0m。該方案主要工程量與建筑工程投資見表 1。

表 1 重力式混凝土擋土墻方案建筑工程投資

第二方案巖石錨桿擋土墻:采用 80cm厚 C20鋼筋混凝土直立壁板式錨桿擋墻。墻面板為整塊鋼筋混凝土板,采用就地澆筑,采用等厚截面,厚80cm。錨桿采用普通灌漿錨桿,巖石錨桿鉆孔直徑為 55mm,桿體為直徑 25mm精軋螺紋鋼筋,錨固區設置在主動區壓力楔形破裂面以外,有效錨固長度三排布置時至少保證 5m、兩排布置時至少保證 4m,且盡量避開軟質頁巖。錨桿水平間距為1.5m,垂直間距為 2.0～2.5m。當錨桿三排布置時,錨桿向下傾斜與水平面夾角自上而下分別為20°、18°、15°;當錨桿兩排布置時,錨桿向下傾斜與水平面夾角自上而下分別為 20°、15°。該方案主要工程量與建筑工程投資見表 2。

表2 錨桿擋土墻方案建筑工程投資

針對這兩個方案,從施工技術方面比較,第一方案采用C15混凝土重力式擋土墻,施工方法簡單,便于施工。擋土墻穩定性好,實踐經驗豐富,安全可靠度高;但混凝土用量較大,石方開挖和回填量也較大。第二方案錨桿施工機械及設備的作業空間不大,可以節省混凝土用量,可以減少石方開挖和回填量;施工方法簡單,便于施工。但鋼材用量較大,而且錨桿擋土墻是新技術。從投資上比較,第二方案投資較少。

5 錨桿直立邊墻研究和設計

5.1 錨桿邊墻設計布置

采用 80cm厚 C20鋼筋混凝土直立壁板式錨桿擋墻,錨桿端頭直接插入混凝土面板中,與壁面板一起澆筑,插入長度保證在 75cm以上并與壁面板外層鋼筋焊接在一起。墻面板為整塊鋼筋混凝土板,采用就地澆筑,采用等厚度 80cm。錨桿采用普通灌漿錨桿,巖石錨桿鉆孔直徑為 55mm,桿體為直徑 25mm精軋螺紋鋼筋,錨固區設置在主動區壓力楔形破裂面以外,有效錨固長度三排布置時至少保證 5m、兩排布置時至少保證 4m,且盡量避開軟質頁巖。錨桿水平間距為 1.5m,垂直間距為 2.0～2.5m。當錨桿三排布置時,錨桿向下傾斜與水平面夾角自上而下分別為 20°、18°、15°;當錨桿兩排布置時,錨桿向下傾斜與水平面夾角自上而下分別為 20°、15°。錨桿有效錨固段在鉆孔內采用直徑32mm×250mm水泥基錨固劑保護,非錨固段在涂防銹漆后用被熱瀝青浸透的玻璃纖維布兩層包扎。

5.2 錨桿的極限抗拔能力計算

溢洪道泄槽邊墻處巖性為砂礫巖和頁巖,錨桿的極限抗拔能力取決于錨固段地層對于錨固段砂漿所能產生的最大摩阻力。

(1)錨桿的極限抗拔能力:

式中:Tu為錨桿的極限抗拔能力,kN;D為錨桿鉆孔的直徑,m;Le為錨桿的有效錨固長度,m;τ為錨固段周邊的抗剪強度,kPa。

(2)錨桿承載力計算應符合下式規定:

式中:Td為錨桿水平拉力設計值,kN;Nu為錨桿軸向受拉承載力設計值,kN;θ為錨桿與水平面的傾角,(°)。

5.3 錨桿的截面和長度計算

(1)錨桿桿體的截面面積:

式中:As為鋼筋桿截面面積;fy為鋼筋抗拉強度設計值。

錨桿鋼筋直徑除滿足強度需要外,尚需增加2mm防銹安全儲備。經計算,采用直徑 25mm精軋螺紋鋼作為錨桿鋼筋。

(2)巖石錨桿錨固段長度應按錨桿抗拉拔試驗確定,初步設計時可按下列兩式估算,取其中較大值:

式中:k為抗力分項系數,取 2.0;Nu為錨桿軸向受拉承載力設計值,kN;q為鋼筋與漿體之間的黏結強度標準值,取 2800kPa;D為錨桿鉆孔的直徑,m;Le為錨桿的有效錨固長度,m;τ為錨固段周邊的抗剪強度,kPa。

錨桿有效錨固長度除滿足抗拔穩定性要求外,還應控制錨桿最小長度,即巖層Le≥4m。經計算,錨桿有效錨固長度三排布置時為5m,兩排布置時為 4m。

5.4 錨桿的穩定性分析

當采用兩層或兩層以上錨桿時,應做各種組合的穩定性驗算,即不但應分別驗算各單層錨桿的穩定性,而且還應分別驗算兩層、三層錨桿組合情況下的穩定性。錨桿的穩定性用錨桿拉力的穩定系數K來反映,采用克蘭茨代替法進行計算:

式中:Td為錨桿水平拉力設計值,kN;Th為根據破裂體上力的平衡得到巖體滑動時的極限水平抗拔力,kN;K為錨桿拉力的穩定系數。

經計算,Kmin=1.62＞1.5,錨桿穩定。

5.5 錨桿擋墻的穩定性

經過驗算,擋土墻的抗滑穩定、抗傾穩定和地基承載力,均滿足要求。

6 施工及應用情況

溢洪道邊墻原設計為重力式混凝土擋土墻,通過試驗研究、設計優化后改為錨桿直立面板邊墻,節約了混凝土的工程量,減少了兩側山體大量的石方開挖,施工便利,縮短了工期,節約了資金,特別是能夠在全強風化的砂礫巖和頁巖遇水軟化、強度降低、失去巖石性質這種條件下成功運用,不但解決了重陽水庫的病險問題,而且也給工程帶來了顯著的經濟效益、社會效益和環境效益。

重陽水庫溢洪道錨桿邊墻工程自 2003年 7月初開始施工至7月底完工,經過 2004年以來 5個汛期的運行,未發現任何異常。通過觀測和檢查,溢洪道錨桿邊墻未發現有傾斜、裂縫、位移等問題,運行情況良好,達到了試驗研究和設計的要求。

7 結語

白堊系中統砂巖、礫巖、頁巖,強風化,并存在多層軟弱夾層,遇水極易軟化,強度降低,干后自行崩解呈碎片,容易出現滑坡、坍塌,鉆孔灌漿后的單根錨桿抗拔力達到 147.0～193.1kN,在此較差的巖石中做錨桿抗拉拔實驗研究應用是成功的。

重陽水庫溢洪道采用灌漿錨桿直立面板擋墻,錨固區設置在主動區壓力楔形破裂面以外是科學的,在同類工程中具有廣泛的推廣應用性。