華光潭一級水電站廠房后邊坡錨筋樁軸力監測研究

何超亮

(福建省建筑科學研究院，福建福州 350025)

錨筋樁支護技術由于其施工工藝簡單、造價低廉、見效快、錨固深度適中等優點，在邊坡加固防護中已得到廣泛的應用［1-2］。然而，錨筋樁作為深入地層的受拉構件，受溫度、降雨、降雪、施工爆破、巖土體性質、軟弱結構面等外部因素以及錨筋樁本身施工條件和施工質量等內部因素的多重影響，使得錨筋樁受力機制復雜，并非呈現出單一的受拉或受壓狀態。本文對華光潭一級水電站廠房后邊坡崩坡積層及強卸荷帶巖體錨筋樁軸力進行監測，將錨筋樁軸力分為3種類型，并對每種類型軸力的影響因素進行評價，探求錨筋樁軸力在坡體空間上的分布特點，以期對類似邊坡工程的防護提供指導。

1 工程概況

華光潭一級水電站位于浙江省臨安市分水江干流昌化江上游的巨溪河段，一級水電站廠房位于龍崗鎮蕎麥嶺村對岸［3］。在2007—2008年，先后發現華光潭一級水電站廠房后邊坡存在嚴重的變形破壞跡象［3］，如高程250 m馬道發生局部坍塌、擋墻嚴重錯位以及坡面出現多條裂縫。一系列的宏觀變形特征表明，華光潭一級水電站廠房后邊坡是具有多級后緣滑裂面的古變形體，已存在突出的穩定問題，尤其是位于廠房正后方，高程230～314 m的崩坡積層及強卸荷帶巖體，在暴雨和地下水作用下，變形呈現加劇趨勢，穩定性不斷惡化，再次演變為地質災害的可能性逐漸加大，嚴重威脅一級水電站廠房安全。因此，對華光潭一級水電站廠房后邊坡高程約230～314 m的崩坡積層及強卸荷帶巖體采用錨筋樁+框架梁應急支護措施。錨筋樁間距2.5 m，長度20 m或25 m，與水平面夾角20°，呈梅花形布置，采用2B25鋼筋，鉆孔直徑70 mm，設計抗拔力250 kN。

為進一步查清崩坡積層及強卸荷帶巖體的控穩因素，監控邊坡穩定狀況和變形發展趨勢，在坡體中選取13根錨筋樁累計安裝19個應變計，用以監測錨筋樁軸力變化。

2 監測點的布置及監測方法

錨筋樁軸力監測點的布置遵循代表性原則、最不利原則、一點多用原則和效益—成本原則［4］，對13根錨筋樁軸力分別采用單測點及雙測點監測。其中，單測點埋深16.5 m;雙測點埋深分別為8 m和17 m。軸力監測點分布如表1所示。

表1 錨筋樁軸力監測點匯總

傳感器選用美國基康公司生產的VK4150型點焊式應變計，通過點焊方式，將傳感器焊接于事先在鋼筋上銑出的安裝平面上，再通過MICRO40自動采集儀實現自動在線監測。將觀測數據換算成錨筋樁應變，再根據錨筋樁的彈性模量和面積，最終得到錨筋樁的軸力。

3 錨筋樁軸力分布特征

錨筋樁軸力的變化客觀反映了崩坡積層及強卸荷帶巖體的穩定性。各錨筋樁所處的環境、施工條件及施工質量的差異均會使錨筋樁軸力呈現出不同的特征。

3.1 拉壓—季節波動型

錨筋樁軸力隨季節溫度的變化起伏波動。這類測點有8個，占44%，代表性測點有孔深8 m的8Z2，12Z2，13Z2 和孔深 17 m 的8Z1，2Z1，13Z1 等。

水電站廠房后邊坡主軸傾向NE，日照時間充裕，受日照輻射影響，坡面溫度及錨筋樁內部溫度均呈季節變化，見圖1。與邊坡表面溫度變化不同，錨筋樁內部日溫度未呈現出明顯的晝夜變化，但季節性溫差隨孔深增加而降低，坡面季節性溫差最大達26.9℃，孔深8 m處溫差達到6.5℃，而孔深17 m處溫差僅為2.1℃。顯然，當巖體完整性較好，且錨筋樁安裝質量良好的情況下，坡面溫度將影響坡體內部及錨筋樁內部溫度的變化，并對相應部位錨筋樁軸力產生一定影響［5］。拉壓—季節波動型軸力隨時間變化曲線見圖2。

圖1 坡面及錨筋樁內部溫度變化

由圖2(a)可以發現，孔深8 m處測點軸力與溫度呈現明顯的負相關性。當溫度升高(降低)時，邊坡淺部巖體和錨筋樁均發生膨脹(收縮)，由于巖石線膨脹系數比錨筋樁鋼筋線膨脹系數要小，巖體未能與錨筋樁同步協調變形，則對錨筋樁的溫度變形產生約束作用，導致錨筋樁軸力與溫度呈現負相關性，錨筋樁軸力表現為拉壓—季節波動型。

圖2 拉壓—季節波動型軸力隨時間變化曲線

孔深17 m處測點由于季節性溫差較小，溫度變化對深部測點軸力的影響并不顯著。但當巖體完整性較好，且錨筋樁安裝質量良好時，錨筋樁淺部的“熱脹冷縮”將帶動深部變形［5］，亦會導致深部錨筋樁軸力的季節性波動，見圖2(b)。可見，拉壓—季節波動型軸力時程曲線主要受季節性溫度控制，但在其他外界因素如暴雨、爆破施工等的誘發下，邊坡變形加劇，錨筋樁軸力仍有可能發生突變或增長，呈現波動起伏。

3.2 受拉—增長型

邊坡巖土體在降雨、降雪及爆破施工等影響下，發生向臨空方向的變形，使得錨筋樁被動持續受拉，軸力總體上處于持續增長狀態。此類測點7個，占39%，代表性測點有7Z1，11Z1，11Z2等。其軸力隨時間變化曲線見圖3。由于測點埋深較大或者巖體破碎，熱傳導系數很小，溫度影響范圍有限，該類測點并未呈現出受溫度影響的季節性波動。監測數據表明，在外界因素如暴雨、爆破施工等的誘發下，此類測點軸力總體上處于持續增長狀態。在2010年4月以前，由于邊坡表面截排水溝及平洞內部排水孔施工尚未完成，受降雨(降雪)及排水平洞爆破施工的雙重影響，軸力以一定速率持續增長。此后，隨著邊坡表面截排水溝及平洞內部排水孔施工的逐步完成，夏季廠區雖有較大的降雨，但軸力受降雨影響僅產生小幅波動。在2010年12月以后，受大規模降雪影響，錨筋樁軸力發生突變或持續增長，但增速明顯小于2010年4月以前。由此可見，降雨(降雪)及爆破施工是影響該類錨筋樁軸力增長的主要因素，且排水設施施工完成后，與降雨相比，往往大規模降雪對錨筋樁軸力的增長影響更大，對邊坡穩定性危害更嚴重。這主要是由于大規模降雪后，短期內大部分降雪在邊坡表面堆積，增加了坡體荷載。同時，一部分積雪融化成水滲入坡體對巖土體和軟弱結構面產生浸泡作用，進一步惡化了邊坡的穩定狀況。錨筋樁軸力的增長一方面表明降雨及降雪對錨固區的整體穩定性產生一定影響，錨筋樁所處坡體存在向邊坡臨空方向的變形，使得錨筋樁被動受拉;另一方面表明邊坡支護后，一直處于應力調整階段，錨筋樁支護措施對錨固區的穩定有良好的效果。

圖3 受拉—增長型軸力隨時間變化曲線

3.3 受壓—下降型

與前兩者不同，該類測點受季節性溫度及降雨(雪)外界因素影響很小，錨筋樁軸力總體上呈下降趨勢，表現出受壓—下降型特點。這類測點3個，占17%，測點為3Z1，6Z1，10Z1。該類測點軸力隨時間變化曲線見圖4。其主要是由于該類測點所處坡體局部范圍內巖體風化嚴重、破碎強烈，邊坡表面溫度無法有效傳遞到邊坡深部。同時，受錨固區域陡傾、反傾軟弱結構面的影響，邊坡后緣坡體發生向臨空方向的位移，導致相應區域軟弱結構面壓縮閉合，邊坡深部巖體向坡外的變形比淺部的大，使得巖體內的錨筋樁也處于受壓狀態。隨著時間的推移，坡體傾倒變形仍有可能加劇。當錨筋樁軸力曲線發生突變或急劇下降時，該類錨筋樁所處坡體的穩定性也應引起足夠重視。

圖4 受壓—下降型軸力隨時間變化曲線

監測結果表明，崩坡積層及強卸荷帶巖體錨筋樁軸力主要呈現拉壓—季節波動型及受拉—增長型兩類。錨筋樁軸力在坡體空間上呈現出一定特點:不同測點距臨空面水平距離相同時，高程越低，軸力越大，如高程較低的11Z1，11Z2點軸力分別比高程較高的8Z1，8Z2點大;不同測點高程大致相等時，距臨空面水平距離越小，軸力越大，如距臨空面水平距離較小的8Z2，13Z2點的軸力分別比距臨空面水平距離較大的8Z1，13Z1 點大。

4 錨固效果

為進一步監控崩坡積層及強卸荷帶巖體的穩定性，同時驗證錨固效果，在高程250 m坡體安裝了水平多點位移計，用以監測坡體向臨空方向的水平位移。監測結果表明，坡體變形主要產生于距臨空面水平距離26～51 m范圍，而距臨空面水平距離0～26 m范圍的水平位移最大不足0.6 mm。顯然，錨筋樁支護有效抑制了邊坡淺層巖體(包括崩坡積層)的變形，邊坡淺層巖體基本處于穩定狀態。但距臨空面水平距離超過26 m巖體的變形仍有待進一步觀測。

5 結論

1)錨筋樁軸力主要受季節性溫度、降雨、降雪、施工爆破、軟弱結構面等多重因素影響。在不同的誘發因素作用下，錨筋樁軸力時程曲線分別呈現出拉壓—季節波動型、受拉—增長型和受壓—下降型三類，且以前兩類為主。

2)錨筋樁軸力在坡體空間上呈現出一定特點:不同測點距臨空面水平距離相同時，高程越低，軸力越大;不同測點高程大致相等時，距臨空面水平距離越小，軸力越大。

3)錨筋樁支護技術有效抑制了邊坡淺層巖體(包括崩坡積層)變形，但距臨空面水平距離超過26 m巖體的變形仍有待進一步觀測。

［1］郗舉科，伍夕國，胡文麟.紫坪鋪工程2#導流洞出口邊坡綜合治理［J］.水利水電技術，2002，33(12):33-35.

［2］楊軍，任志農.烏魯瓦提水利樞紐工程高邊坡加固處理施工技術［J］.水利水電技術，2003，34(12):51-53.

［3］林咸志，薛濤，余鵬，等.基于 GA-ANFIS的邊坡穩定性評價［J］.中國工程科學，2011，13(3):77-81.

［4］陳志堅.層狀巖質邊坡工程安全監控建模理論及關鍵技術研究［D］.南京:河海大學，2001.

［5］閆振.碎裂巖質高邊坡現場監測與穩定性評價［D］.成都:西南交通大學，2007.