鋼筋樁在軟地基重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析中的應(yīng)用

陳 波

(中國(guó)電建集團(tuán) 貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550081)

1 工程概況

某重力壩為常態(tài)混凝土重力壩，最大壩高32 m，壩頂寬5 m，最大壩底寬度24.14 m；上游壩坡坡比1∶0.1，下游壩坡坡比1∶0.75。壩軸線全長(zhǎng)140.75 m，樞紐布置為擋水大壩+右岸溢洪道+壩身取水兼放空管。

右岸為“凸”向河床的山脊地形，壩基巖體主要為強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化黏土巖夾粉砂巖，巖質(zhì)軟弱，層面發(fā)育，且下游側(cè)具備臨空條件，大壩抗滑條件較差。右岸非溢流7#壩段建基面為黏土巖軟地基，且下游為沖溝地形，形成剪出臨空面；深層滑動(dòng)模式分析中，存在上游近橫河向裂隙為后側(cè)滑移控制面，以煤層為底滑面，剪斷下游巖體后滑出的危險(xiǎn)模式。

為了滿足該壩段的承載力和穩(wěn)定要求，以7#壩段為典型壩段，按照基于等安全系數(shù)法的剛體極限平衡法對(duì)比分析下挖齒槽和鋼筋樁等工程措施，提出上游擴(kuò)挖齒槽方案、上游擴(kuò)挖齒槽+鋼筋樁處理方案和鋼筋樁方案。該重力壩右岸上游立視圖見圖1。

圖1 重力壩右岸上游立視圖

2 重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析方法

在混凝土重力壩設(shè)計(jì)中，當(dāng)壩基巖體內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面、緩傾角裂隙時(shí)，重力壩深層抗滑穩(wěn)定的分析方法按《重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319-2018)采用基于等安全系數(shù)法的剛體極限平衡法進(jìn)行計(jì)算。

工程地基內(nèi)往往存在多條互相切割交錯(cuò)的斷層、軟弱夾層或者臨空面，構(gòu)成復(fù)雜的滑動(dòng)面。在作深層抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算可能的滑動(dòng)通道，找到最不利的滑動(dòng)組合，進(jìn)而計(jì)算其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)滑動(dòng)面的分布情況綜合分析后，可分為單滑面、雙滑面和多滑面的計(jì)算模式，一般單滑面和雙滑面最為常見[1]。

2.1 單滑面深層抗滑穩(wěn)定分析

見圖2。

圖2 單滑面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算示意圖

考慮ABC塊的穩(wěn)定，AB為滑動(dòng)面，則有:

式中：K′為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；W為作用于壩體上全部荷載(不包括揚(yáng)壓力，下同)的垂直分值；H為作用于壩體上全部荷載的水平分值，kN；G為巖體ABC重量的垂直作用力，kN，巖體容重取26 kN/m3；f′為AB滑動(dòng)面的抗剪斷摩擦系數(shù)；c′為AB滑動(dòng)面上的抗剪斷凝聚力，kPa；A為AB面的面積，m2；α為AB面與水平面的夾角；U為AB面上的揚(yáng)壓力，kN。

2.2 雙滑面深層抗滑穩(wěn)定分析

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319-2018)附錄E，采用抗剪斷強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算。見圖3。

圖3 雙滑面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算示意圖

考慮ABD塊的穩(wěn)定，則有:

考慮BCD塊的穩(wěn)定，則有:

3 7#壩段深層抗滑穩(wěn)定分析

3.1 滑動(dòng)模式及參數(shù)分析

根據(jù)右岸深層抗滑穩(wěn)定裂隙組合面示意圖(圖4)及相關(guān)地質(zhì)資料，經(jīng)分析得到存在兩種滑動(dòng)模式：模式Ⅰ(上游巖體剪斷后，以黏土巖層面為底滑面，剪斷下游巖體后滑出的雙滑面滑動(dòng)模式)、模式Ⅱ(上游巖體剪斷后，以黏土巖層面為底滑面，向下游臨空面滑出的單滑面滑動(dòng)模式)。

圖4 7#壩段深層抗滑穩(wěn)定裂隙組合面示意圖

滑面綜合參數(shù)取值如下：

計(jì)算模式Ⅱ中滑動(dòng)面參數(shù)為：f′=0.35，c′=0.07 MPa。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

各工況下，7#壩段深層抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)見表1。

表1 7#壩段深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果分析可知，7#岸坡壩段高程1 291 m(黏土巖)深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，需采取工程措施保證壩基深層抗滑穩(wěn)定。

4 7#壩段基礎(chǔ)處理方案

4.1 壩基處理方案擬定

根據(jù)滑動(dòng)分析計(jì)算結(jié)果，7#岸坡壩段(黏土巖)建基面、沿層面及深層抗滑穩(wěn)定均不滿足要求，且最危險(xiǎn)的工況為7#壩段沿著上游巖體剪斷后，以黏土巖層面為底滑面，向下游臨空面滑出的模式。

對(duì)于重力壩抗滑穩(wěn)定問題，處理地基的工程措施主要有設(shè)置壩基齒槽、抗剪洞塞、抗滑樁處理等[2]。抗滑樁是利用鋼筋或鋼筋混凝土的抗剪作用提供抗剪力，主要型式有鋼筋混凝土樁、鋼管樁、鋼筋樁等[3]。由于小孔徑的鋼筋混凝土樁在巖體中樁孔機(jī)械鉆孔不易施工，一般水利水電工程中常采用大孔徑的鋼筋混凝土樁，其結(jié)構(gòu)斷面大，人工或機(jī)械開挖成孔，再安裝鋼筋并澆筑混凝土，待混凝土齡期足夠，強(qiáng)度滿足要求后方可繼續(xù)澆筑壩體混凝土。由于處理時(shí)間長(zhǎng)，且占用直線工期，對(duì)大壩防洪度汛安全和工程施工總工期影響較大[4]，故優(yōu)先考慮選用鋼筋樁和鋼管樁方案。

經(jīng)分析論證，本地區(qū)地下水呈弱腐蝕性，對(duì)于鋼管樁的外側(cè)鋼管易造成銹蝕從而衰減鋼管樁的抗滑力，鋼管樁管壁與巖石間結(jié)合部分的施工質(zhì)量控制較困難，最終可能導(dǎo)致整體失穩(wěn)破壞[5]。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)和施工條件比選，最終采用鋼筋樁，長(zhǎng)為10～15 m，以深入黏土巖計(jì)算層面以下不小于4 m進(jìn)行控制，鋼筋樁孔徑150 mm，鋼管外徑50 mm，鋼管壁厚為9 mm，并在鋼管外固定5Φ32的鋼筋。

綜上分析，提出以下處理方案：①上游齒槽+鋼筋樁方案；②鋼筋樁方案。

4.2 上游齒槽+鋼筋樁方案

4.2.1 上游齒槽方案

首先考慮單獨(dú)設(shè)置齒槽處理方案，即在壩基上游設(shè)置深度為2 m、底寬2 m、坡比為1∶0.5的混凝土齒槽，采用與壩體墊層同標(biāo)號(hào)混凝土。具體滑動(dòng)模式見圖5。

圖5 齒槽處理方案深層滑動(dòng)模式簡(jiǎn)圖

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，模式Ⅰ齒槽上游巖體剪斷，以黏土巖層面為底滑面，剪斷下游巖體后滑出；模式Ⅱ齒槽上游巖體剪斷后，以黏土巖層面為底滑面，向下游臨空面滑出；具體取值參數(shù)見表1，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 齒槽處理后7#擋水壩段深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以看出，增加齒槽后，深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)增加不明顯，不滿足規(guī)范要求。經(jīng)過試算，下挖5 m齒槽深度后，模式Ⅰ和模式Ⅱ的穩(wěn)定安全系數(shù)仍然較低，無(wú)法滿足規(guī)范要求，且進(jìn)一步增大齒槽斷面的必要性不大，但由此帶來(lái)齒槽開挖工程量較大，降低了措施的經(jīng)濟(jì)性。因此提出在齒槽的基礎(chǔ)上，增加鋼筋樁這種更經(jīng)濟(jì)、更有效的措施來(lái)增強(qiáng)大壩的穩(wěn)定性。

4.2.2 上游齒槽+鋼筋樁處理方案

齒槽+鋼筋樁處理方案，即在壩基上游設(shè)置深度為2 m、坡比為1∶0.5的混凝土齒槽，另外再增加必要的鋼筋樁。齒槽+鋼筋樁處理后深層滑動(dòng)模式見圖6。

圖6 齒槽+鋼筋樁處理深層滑動(dòng)模式簡(jiǎn)圖

滑動(dòng)模式和計(jì)算參數(shù)同前。鋼筋樁單根提供的抗剪力為約1 600 kN，單寬壩段布置5根，間距3.0 m。鋼筋樁長(zhǎng)為10～15 m，以深入黏土巖計(jì)算層面以下不小于4 m進(jìn)行控制，鋼筋樁孔徑150 mm，鋼管外徑50 mm，鋼管壁厚為9 mm，并在鋼管外固定5Φ32的鋼筋。計(jì)算結(jié)果見表3。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，齒槽+鋼筋樁處理方案對(duì)于穩(wěn)定系數(shù)的提高較明顯，能夠滿足穩(wěn)定要求。

表3 齒槽+鋼筋樁處理后7#擋水壩段深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

齒槽+鋼筋樁處理方案主要工程量見表4。

表4 齒槽+鋼筋樁處理主要工程量表

4.3 鋼筋樁處理方案

深層滑動(dòng)模式見圖7。

圖7 鋼筋樁處理方案深層滑動(dòng)模式簡(jiǎn)圖

計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 鋼筋樁處理后7#擋水壩段深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

單寬壩段布置6根，間距2.0 m，鋼筋樁長(zhǎng)為10～15 m，以深入黏土巖計(jì)算層面以下不小于4 m進(jìn)行控制，鋼筋樁孔徑150 mm，鋼管外徑50 mm，鋼管壁厚為9 mm，并在鋼管外固定5Φ32的鋼筋。

鋼筋樁處理方案主要工程量見表6。

表6 鋼筋樁處理主要工程量表

5 基礎(chǔ)處理方案選擇

綜上分析計(jì)算，本工程基礎(chǔ)處理共考慮了上游擴(kuò)挖齒槽方案、上游擴(kuò)挖齒槽+鋼筋樁處理方案和鋼筋樁方案，各方案適應(yīng)性分析如下：

1) 從處理效果來(lái)看，增加齒槽后，深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)增加不明顯，不滿足規(guī)范要求。經(jīng)過試算，下挖5 m齒槽深度后模式Ⅰ和模式Ⅱ的穩(wěn)定安全系數(shù)仍然較低，無(wú)法滿足規(guī)范要求，且進(jìn)一步增大齒槽斷面的必要性不大，但由此帶來(lái)齒槽開挖工程量較大，降低了措施的經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)計(jì)算，鋼筋樁單根提供的抗剪力為約1 600 kN。由計(jì)算結(jié)果可以看出，齒槽+鋼筋樁處理方案和鋼筋樁方案對(duì)于穩(wěn)定系數(shù)的提高較明顯，能夠滿足穩(wěn)定要求。就處理效果來(lái)看，齒槽+鋼筋樁處理方案和鋼筋樁方案較優(yōu)。

2) 從處理工藝來(lái)看，上游擴(kuò)挖齒槽方案最為簡(jiǎn)單，且工程實(shí)例運(yùn)用較多，技術(shù)成熟；鋼筋樁處理施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，采用機(jī)械鉆機(jī)成孔-下放安裝好的鋼筋束(鋼筋焊接固定于鋼管外側(cè))-回灌水泥砂漿。但是二者結(jié)合施工，就難免造成工藝流程、工種人力和物力上的繁雜。就處理工藝來(lái)看，鋼筋樁方案較優(yōu)。

3) 從適應(yīng)性來(lái)看，齒槽處理是一般水利水電工程處理地基常用的，也較為簡(jiǎn)單直接。但鋼筋樁方案作為處理壩基穩(wěn)定的措施在水利工程中運(yùn)用的不太多，成功運(yùn)用的工程主要有：①貴州烏江沙沱水電站11#壩段抗滑穩(wěn)定加固處理措施。②引子渡水電站大壩與溢洪道之間的預(yù)留巖錨墻。由于其底部巖體中存在軟弱夾層，遇水極易軟化，抗剪指標(biāo)低，且施工時(shí)又為順向坡切腳開挖，致使開挖過程中該部位巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為解決這一問題，采取了開挖減載、鋼筋樁與錨索錨固等綜合處理措施，保證了施工期和運(yùn)行期的邊坡穩(wěn)定。③貴州三板溪水電站泄洪洞出口的開挖由于受地質(zhì)條件的影響，邊坡失穩(wěn)塌方，在馬道增設(shè)鋼筋樁，實(shí)施后效果良好。④廣西龍灘水電站左岸坡支護(hù)采用鋼筋樁，對(duì)于保證高邊坡的穩(wěn)定性起到了重要的作用[4]。從適應(yīng)性來(lái)看，鋼筋樁處理措施作為成功的措施，但運(yùn)用的較少，齒槽方案較為優(yōu)。

綜上分析，兩種方案均能夠滿足穩(wěn)定要求。從處理效果、施工工藝、經(jīng)濟(jì)性和處理耗時(shí)等方面綜合比較，鋼筋樁處理方案施工工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟可靠，工期短，處理效果好，處理費(fèi)用相對(duì)較低，最終根據(jù)設(shè)計(jì)方案、工程投資等方面綜合選定鋼筋樁處理方案。

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 弱風(fēng)化黏土巖，承載力和抗滑穩(wěn)定參數(shù)較低，另外結(jié)合巖體裂隙層面的發(fā)育情況，分析計(jì)算該壩段抗滑穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求；

2) 通過分析，針對(duì)軟土地基上重力壩抗滑穩(wěn)定性差的情況，提出了齒槽和鋼筋樁等處理措施，分析表明加固措施后抗滑穩(wěn)定性有明顯的改善。

3) 從處理效果、施工工藝、經(jīng)濟(jì)性和處理耗時(shí)等方面綜合比較，鋼筋樁處理方案施工工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟可靠，工期短，處理效果好，處理費(fèi)用相對(duì)較低，是一種較優(yōu)的處理軟地基重力壩抗滑穩(wěn)定性的措施。