微型樁固結灌漿地基處理技術在三峽庫區回填土庫岸護坡工程中的應用

黃 棟, 黃 磊, 劉 孟

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院,湖北 武漢 430074;2.中冶集團 武漢勘察研究院有限公司 工程咨詢公司，湖北 武漢 430014; 3.中國地質大學(武漢) 教育部長江三峽庫區地質災害研究中心,湖北 武漢 430074)

微型樁固結灌漿地基處理技術在三峽庫區回填土庫岸護坡工程中的應用

黃 棟1, 黃 磊2, 劉 孟3

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院,湖北 武漢 430074;2.中冶集團 武漢勘察研究院有限公司 工程咨詢公司，湖北 武漢 430014; 3.中國地質大學(武漢) 教育部長江三峽庫區地質災害研究中心,湖北 武漢 430074)

三峽庫區庫岸失穩現象頻發,由于庫水位在145～175 m之間頻繁變化,且回填砂土滲透性大的特點,護坡工程基礎快速施工技術成為迫切需要的關鍵技術。以秭歸縣茅坪鎮濱湖路庫岸邊坡為例,進行了穩定性分析和災害治理,工程中運用微型樁固結灌漿地基處理技術作為防治措施,有效地解決了施工技術問題。

微型樁；固結灌漿；護坡工程；穩定性分析

1 工程概況

三峽庫區存在大量全風化花崗巖回填土庫岸,庫區內地質條件十分復雜,由于庫岸回填砂土滲透性大,在三峽工程庫區正常蓄水后,庫水位在145～175 m范圍內反復變化,水位升高、水庫水位的大幅度變化、水流沖刷引起坡腳掏空等因素必將引起庫區內邊坡穩定和環境問題。因而回填土庫岸防護一直是涉及新建城鎮安全性以及庫區下游人民生命財產安全的首要問題。

秭歸縣茅坪鎮濱湖路居民點庫岸地處長江南岸、三峽大壩近壩段,主要為第四系含塊石回填礫砂岸坡。三峽水庫蓄水后,在2012年10月—2013年1月,該段庫岸出現較嚴重變形,主要為在岸坡平臺出現與岸坡走向大致平行的裂縫,且變形有加劇趨勢。庫岸變形直接危及濱湖路居民點安全。

該岸坡原地形為山脊斜坡地形,地形起伏,呈雞爪型,后經開挖回填,在岸坡高程181 m以上形成寬大平臺。臨三峽水庫岸坡原始地形為寬緩沖溝,經回填后,沖溝變淺,高程150 m,地形坡度約25°～35°,高程150 m以下山脊斜坡地形坡度多>30°,沖溝底部地形坡度多<20°。物質組成主要為含塊石回填砂礫及全風化花崗巖,未進行碾壓,結構松散,鉆孔揭露回填物最大厚度18 m,為含塊石礫砂。在局部原始沖溝地帶分布坡洪積土體,為礫質輕壤土、礫質中壤土,分布范圍及厚度不均。下伏閃云斜長花崗巖,全風化厚度2～11.8 m。岸坡地下水缺乏,未見地下水露頭。長江為區內地表、地下水的最低排泄基準面。地質平面圖見圖1所示。

圖1 濱湖路庫岸邊坡工程地質平面圖Fig.1 Geological plane of Binhu Road bank slope protection engineering1.第四系人工堆積層;2.前震旦系花崗巖;3.第四系與基巖界線;4.含塊石礫砂;5.閃云斜長花崗巖;6.175 m水位線;7.地質剖面及編號;8.庫岸再造邊界線;9.鉆孔編號覆蓋層厚度/m。

2 岸坡變形特征及成因機理

2.1 變形特征

岸坡目前變形破壞主要表現為在暴(久)雨時平臺前緣陡坡坡面產生小規模滲透變形及在三峽正常蓄水位175 m附近形成浪坎,在臨岸坡平臺分布與岸坡頂邊線近平行的地坪伸縮縫開裂(編號:Lf1、Lf2、Lf3),裂縫寬度2～4 cm。

2.2 成因分析

由于庫岸坡體由砂土天然堆積而成,物質結構較為松散,坡面未加以防護,僅能滿足自然工況下的穩定性。因此在持續降雨或暴雨情況下,降水入滲量大,下滲后向水平方向滲流,由內向外的滲流會造成管涌或流砂,邊坡即會發生變形破壞,破壞模式以淺層滑動、流砂為主。在坡腳有擋墻的地段,擋墻出現鼓脹現象。而在庫水淹沒與沖蝕作用下,一方面土體抗剪強度降低,另一方面受地下水抬升由于孔隙壓力作用,具有整體失穩的可能[1]。

長久來看,在庫水、波浪的浪蝕擾動及軟化作用下,坡腳附近的土、砂及砂礫、碎石等細顆粒最終被波浪回流帶走,上部物質失去支撐發生坍塌,形成浪坎這一塌岸現象。

3 岸坡穩定性分析及防護工程設計

3.1 穩定性分析

根據上文的分析,分別對1-1′、2-2′、3-3′剖面回填部位前緣可能存在的圓弧型滑動破壞與下伏相對軟弱夾層(坡洪積土)可能產生的整體滑移破壞進行穩定性計算。

3.1.1 計算參數

回填砂天然重度、飽和重度經過室內試驗及結合工程類比法綜合確定。

表1 計算參數取值一覽表Table 1 Calculation parameters determination

圖2 濱湖路庫岸邊坡2-2′剖面圖Fig.2 Profile map of 2-2′ in Binhu Road bank slope1.人工堆積層;2.洪坡積層;3.前震旦系結晶巖;4.塌岸后緣范圍線;5.第四系與基巖界線(虛線為推測);6.全風化帶下限(虛線為推測);7.強風化帶下限(虛線為推測);8.前震旦系結晶巖(全風化);9.前震旦系結晶巖(強風化);10.前震旦系結晶巖(中風化)。

3.1.2 計算方法與工況選擇

局部穩定性計算采用瑞典圓弧法,整體穩定性計算采用剩余推力法[2]。荷載組合主要考慮自然條件、建筑荷載、暴雨、三峽不同庫水位及水庫水位變化等情況。其中不同庫水位主要考慮三峽水庫運行初期和正常蓄水期的最不利水位,考慮到覆蓋層具強透水性,選取兩種方法進行穩定性計算。

工況一:145 m最高水位+土體自重+地表荷載+20年一遇暴雨。

工況二:175 m最低水位+土體自重+地表荷載+20年一遇暴雨。

3.1.3 計算結果

表2 岸坡穩定性計算一覽表Table 2 Calculation of slope stability

根據《三峽庫區三期地質災害防治工程地質勘察技術要求》[3](2004),本次庫岸防治工程等級屬Ⅱ級,安全系數為1.15。經穩定性計算分析,庫岸在暴雨工況下可能產生局部滑移變形(圖2所示2-2′剖面),不會產生整體型滑移。

3.2 防護工程設計

庫岸防護工程設計的目標是確保岸坡不產生滑移破壞,確保庫岸周邊居民的房屋、生命財產及各類公眾建設設施的安全,盡量保護并改善庫岸周邊的自然環境。

3.2.1 削坡工程

高程151.5 m～177 m之間按1∶1.8、1∶2的坡率進行削坡,在高程166 m和高程177 m處分別設置寬2 m的馬道,高程177 m以上按1∶1.5的坡率進行削坡,在進行土石方工程時,坡面殘留的松動巖塊、浮土都應清除,便于格賓和三維植被網的施工。

經削坡治理后,坡體處于穩定狀態,計算結果見表3。

表3 治理后2-2′支擋結構前未塌岸時穩定性Table 3 Stability of retaining structure of 2-2′ before collapsing after treatment

3.2.2 微型樁固結灌漿結合支擋墻工程

高程150 m處設置三排微型樁+4道固結灌漿孔+混凝土蓋板,混凝土蓋板采用C25混凝土,頂面高程150 m,寬5 m,厚0.4 m,蓋板每隔15 m設置伸縮縫,縫寬2～3 cm,縫內充填瀝青麻筋；蓋板做好后再施工微型樁和固結灌漿孔。此方案微型樁加擋墻起支擋作用,灌漿提高滑面的抗剪強度,主要是為了確保在庫岸再造作用下前緣塌岸后庫岸處于穩定狀態。

(1) 微型樁。在K0-15～K0-100庫岸段高程150 m處設置三排微型樁,微型樁排距1 m,間距1.5 m,孔深依次為15.5 m、16 m、16.5 m,需進入全風化線以下5 m,孔徑150 mm,孔內放入10#工字鋼,澆筑水泥漿；微型樁工字鋼伸長至C30混凝土重力式擋墻中1.3 m。

(2) 固結灌漿。第一排微型樁前設置4道固結灌漿孔,排距1 m,孔徑130 mm,孔深依次為11 m、11.5 m、12 m、12.5 m,需進入全風化線,第1、2道固結灌漿孔設置在第二、三排微型樁之間,間距1.5 m；第3、4道固結灌漿孔間距1 m,呈梅花型布置,如圖3所示。擬采用灌漿壓力0.8～1 MPa,水灰比0.8∶1～1∶1,具體根據現場情況調試。頂部澆筑一層寬5 m、厚40 cm的C25混凝土蓋板。

圖3 濱湖路庫岸邊坡防護工程平面布置圖Fig.3 Layout plan of bank slope protection engineering in Binhu Road1.第四系人工堆積層;2.第四系與基巖界線(虛線為推測);3.格賓護坡;4.擋土墻;5.植草護坡;6.固結灌漿孔;7.鉆孔樁;8.地質剖面及編號;9.庫岸再造邊界線;10.混凝土蓋板。

在固結灌漿孔區域內每隔15 m布置寬2 m的過水通道；在三、四排相鄰的三個灌漿孔中心鉆孔取六組樣品做室內試驗,得到C、φ值和單軸抗壓強度,以便及時優化灌漿方案。

(3) 重力式擋墻。擋土墻采用混凝土澆筑,混凝土強度等級為C30。墻頂高程151.5 m,頂寬2.16 m,高1.5 m,擋墻每隔10～15 m設置伸縮縫,縫寬2～3 cm,縫內充填瀝青麻筋；擋土墻基礎必須座于堅實基礎上,埋入塌岸影響線以下1 m。K0+15～K0+100庫岸段的重力式擋墻為I型擋土墻,基礎座于混凝土底板上；K0+0～K0+15與K0+100～K0+110庫岸段的重力式擋墻為II型擋土墻,基礎座于天然地基上。

經支擋工程支護后,在庫岸再造作用下前緣塌岸后庫岸處于穩定狀態,回填砂經固結灌漿處理后C=100 kPa,φ=30°,穩定性計算結果見表4。

表4 岸坡穩定性計算一覽表Table 4 Calculation of slope stability

4 固結灌漿加固效果試驗分析

工程區大多為全風化花崗巖回填土庫岸,為驗證固結灌漿對此類型基礎防滲抗滲性和抗剪強度的提高效果,同時得到加固后的土體參數,在工程區附近選取合適場地采用同樣的條件進行了現場固結灌漿試驗。

對灌漿后全風化花崗巖回填土取樣,進行室內直剪試驗,所用儀器為ZJ應變控制式直剪儀(圖4),該儀器可以一次進行4組不同壓力的剪切試驗。按照規范要求試驗垂直壓力選擇50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa。

圖4 直剪試驗儀器Fig.4 Direct shear apparatus

本次直剪試驗共進行三組,其中一組直剪試驗數據見表5,三次直剪試驗抗剪強度參數結果見表6。圖5為其中一組直剪試驗抗剪強度線。

表5 直剪試驗01Table 5 Direct shear test 01

由試驗結果可知,通過固結灌漿回填土抗剪強度參數顯著提高;摩擦角φ提高明顯,水灰比為1∶1的情況下提高近4°,0.5∶1的情況下提高了8.8°。

灌漿處理能夠有效地提高回填土抗剪強度參數,固結灌漿法可以用于秭歸縣回填土庫岸的防治工程,并能夠有效地提高庫岸整體抗剪強度[5]。

表6 抗剪強度參數結果Table 6 Results of shear strength parameters

圖5 直剪試驗01抗剪強度線Fig.5 Shear strength line of direct shear test 01

5 結論

(1) 微型樁固結灌漿工藝相較于傳統的抗滑樁擋墻的治理措施,其施工進度快,施工安全有保障,施工簡單。該工藝可以充分利用回填土中的粗粒料并與之充分膠結固化,能夠有效提高回填土地基的承載力、抗剪強度和防滲抗滲性,減少變形和不均勻沉降。

(2) 經穩定性計算及室內試驗結果分析,邊坡防護工程實施后將有效改善坡體的局部穩定性,固結灌漿地基處理能夠有效地提高回填土抗剪強度參數,顯著提高岸坡的整體穩定性,保證秭歸縣濱湖路居民點的安全。

[1] 黃磊,王保平.秭歸縣茅坪鎮濱湖路庫岸再造穩定性分析與防治措施[J].資源環境與工程,2016,30(5):761-765.

[2] 蹇佳洲,陳國金.三峽庫區滑坡穩定性計算中的常用方法[J].西部探礦工程,2005(2):198-200.

[3] 三峽庫區地質災害防治工作指揮部.三峽庫區三期地質災害防治工程地質勘察技術要求[M].武漢:中國地質大學出版社,2014.

[4] 張悼元,王士天,王蘭生.工程地質分析原理[M].北京:地質出版社,1997.

[5] 趙森.三峽庫區花崗巖全風化回填土固結灌漿效果研究[D].武漢:中國地質大學,2016.

(責任編輯：陳姣霞)

Application of Consolidation Grouting of Micro Pile Foundation Treatment Techniquein Backfill Slope Protection Engineering of Three Gorges Reservoir Region

HUANG Dong1, HUANG Lei2, LIU Meng3
(1.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeoscience,Wuhan,Hubei430074; 2.EngineeringConsultingCorporation,WuhanSurvey-geotechnicalResearchInstituteCo.,Ltd.ofMCC,Wuhan,Hubei430014; 3.ThreeGorgesResearchCenterofGeohazards,MinistryofEducation,ChinaUniversityofGeoscience(Wuhan),Wuhan,Hubei430074)

There are many geological disasters result from reservoir bank instability happened in the Three Gorges Reservoir Region.Due to frequent changes of the reservoir water level from 145 m to 175 m,and the large permeability of backfill sand,the rapid construction technology of slope protection engineering has become the urgent need and key point.The authors take Binhu Road bank slope,located in Maoping Town of Zigui County,as an example for stability analysis and disaster prevention.In this project,the micro pile consolidation grouting foundation treatment technology has been proposed as a preventive measure which can effectively solve the problem.

micro pile; consolidation grouting; slope protection engineering; stability analysis

2016-11-24;改回日期:2017-02-20

黃棟(1992-),男,在讀碩士,工程地質專業,從事地質災害防治設計研究。E-mail:huang20100916@163.com

P642.2

A

1671-1211(2017)02-0208-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.018

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170401.1601.006.html 數字出版日期:2017-04-01 16:01