旺盛江水庫第二溢洪道滑坡體的穩(wěn)定性分析及其加固方案比選

賴成聯(lián)

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 工程概況

旺盛江水庫位于廣西博白縣、浦北縣、合浦縣交界處的浦北縣石埇鎮(zhèn)旺盛江村，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電、供水等綜合利用的大（2）型水利工程，控制集雨面積133 km2，總庫容13 396 萬m3。距水庫主壩南面約2 km 的第二溢洪道建于1960 年，全長700 m，由進口段、閘室段、泄洪渠組成。閘室段為有閘門控制的寬頂堰，總長度為11.0 m；段區(qū)設(shè)置有1個凈寬為12.0 m的閘室，閘室底板高程為42.73 m，兩邊邊墻高程為48.83 m，且安裝了1 扇尺寸為12.0 m×5.0 m 的弧形鋼筋混凝土閘門，但未設(shè)置檢修閘門。

旺盛江水庫第二溢洪道現(xiàn)存在的1#、2#滑坡體（樁號0+278～0+473、0+505～0+700處右岸滑坡分別稱1#、2#滑坡，）最初形成于1978年，且均發(fā)育在抗剪強度低的弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖上，經(jīng)勘查：1#滑坡軸（主滑線）長為37 m，滑坡周界最寬處約為195 m，產(chǎn)生了寬度為5～15 cm 拉張裂縫；2#滑坡軸（主滑線）長為115 m，滑坡周界最寬處約為195 m，產(chǎn)生了寬度約為2～5 cm拉張裂縫。雖然該滑坡目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但是在暴雨等外界因素的影響下會進一步產(chǎn)生滑動，且由于第二溢洪道存在嚴重的混凝土老化碳化，鋼筋外露、多裂縫變形等各類損壞現(xiàn)象。綜上可知，有必要對第二溢洪道進行拆除重建，并對泄洪渠段進行砼襯砌加固，并新建消力池段，對泄洪渠段右岸山體滑坡體進行加固。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

由于1#、2#滑坡體的滑面在枯水期高于地下水位，且上下游均有沖溝發(fā)育，地下水排泄條件較好，坡外補給少；而南流江流域暴雨強度較大，最大日降水量達273 mm/d，滑坡周邊設(shè)置有截水溝，故滑坡體地下水位主要受降水補給。基于以上條件，可假定滑坡土體暴雨季節(jié)空隙占10%，強降水致使水面抬升至滑面以上3 m。

1#滑坡體計算采用典型剖面3-3 剖面，2#滑坡體計算采用典型剖面6-6 剖面，計算簡圖分別見圖1和圖2。采用北京理正軟件《理正邊坡滑塌設(shè)計軟件》進行邊坡滑塌計算，計算結(jié)果見表1～表3。計算結(jié)果表明：在各種工況下，第二溢洪道的1#和2#滑坡體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL386-2007）要求，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有必要對滑坡體進行加固處理。

圖1 1#滑坡體穩(wěn)定計算簡圖（3-3剖面）

圖2 2#滑坡體穩(wěn)定計算簡圖（6-6剖面）

表1 滑坡體穩(wěn)定計算結(jié)果

表2 1#滑坡體3-3剖面滑坡推力計算結(jié)果

表3 2#滑坡體6-6剖面滑坡推力結(jié)果

3 滑坡加固方案比選

為了保證旺盛江水庫第二溢洪道的1#、2#滑坡體及其周邊影響范圍的安全穩(wěn)定，需對其進行加固分析及治理設(shè)計。擬可采用的滑坡加固方案有削方減載方案、抗滑樁方案和格構(gòu)錨固方案3種，分別結(jié)合1#和2#滑坡體的地形地質(zhì)情況進行比選。

3.1 削方減載方案

1#、2#滑坡體已在暴雨時期處于不穩(wěn)定的蠕動狀態(tài)和移動狀態(tài)，滑坡體前均為第二溢洪道泄洪渠，由于受地形限制的影響，削方后會造成新邊坡臨空，需進一步對新出現(xiàn)的不穩(wěn)定邊坡進行加固，難度加大，因此不考慮削方減載方案。

3.2 抗滑樁方案

1#滑坡為巖層滑坡，滑面基本沿層間破碎帶滑動，滑帶及邊界條件清晰，下盤巖石為弱風(fēng)化砂巖；2#滑坡體的滑動面主要分布在弱風(fēng)化巖體破碎帶接觸面（滑動帶），厚度變化較小，滑動面下部為弱化風(fēng)巖體。故采用剛度較大的抗滑樁對滑坡進行加固，抗滑樁一般布置于滑坡體厚度較薄、推力較小且嵌巖段地基強度較高地段，且在滑坡堆力作用下屬于壓彎構(gòu)件。

3.2.1 抗滑樁的布置與構(gòu)造

由于1#滑坡屬于整體結(jié)構(gòu)，根據(jù)表2 的滑塊剩余下滑力情況，在邊坡中下部于一條直線上共布置40 根的抗滑樁；而2#滑坡由于存在滑動面較厚、邊坡剩余下滑力較大的情況，在邊坡中下部呈梅花形布置兩排共62 根的抗滑樁。抗滑樁均采用強度等級為C30 的鋼筋砼人工挖孔樁。1#滑坡體的樁徑、樁長分別為2.0、10.0 m，樁間距為5.0 m，孔樁底嵌入滑床深度為5.0 m；2#滑坡體的樁徑、樁長分別為2.5、12.5 m，樁間距為5.0 m，孔樁底嵌入滑床深度為4.5 m。樁與樁之間頂部設(shè)置80.0 cm×250.0 cm（厚×寬）的鋼筋砼作為聯(lián)系板。

3.2.2 抗滑樁推力與穩(wěn)定分析

依照平面剛體極限平衡法計算滑坡達到設(shè)計穩(wěn)定系數(shù)時所需的支護力，1#滑坡體在短暫工況下滑坡剩余下滑力達342.6 kN/m，由于滑坡推力基本平行于底滑面，按底滑面傾角5.7°計，其水平力分量為340.9 kN/m；2#滑坡體在短暫工況下滑坡剩余下滑力達1 225.6 kN/m，由于滑坡推力基本平行于底滑面，按底滑面傾角為32°計其水平力分量為1 039.4 kN/m。由于樁體截面巨大，且滑坡體為較完整巖石，對樁體受力有利的豎向力分量一般可以忽略不計，而滑坡推力均可按矩形分布計算。抗滑樁受荷段樁身內(nèi)力應(yīng)根據(jù)滑坡推力和阻力計算，嵌固段樁身內(nèi)力應(yīng)根據(jù)滑面處的彎矩和剪力按文克爾地基計算，抗滑樁嵌固段地基水平抗力系數(shù)按式（1）計算：

式中：m為地基系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)；n為與巖土特性有關(guān)的參數(shù)；y為抗滑樁樁前滑體厚度，m；y0為嵌固段底端距滑面深度，m；K為嵌固段地基水平抗力系數(shù)（K與滑床巖體性質(zhì)相關(guān)，可概括為“k”法、“m”法和“c”法）。由于1#滑坡體下盤巖體為強風(fēng)化或弱風(fēng)化基巖，故地基系數(shù)可按“k”法進行計算。由于底滑面沿層間破碎帶，前緣未能夠提供抗力巖體，按懸臂樁計算。依據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL386-2007）及《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（DZ/T 0219-2006），K取值為0.25×106kPa/m。

抗滑樁嵌固段的極限承載能力與樁的彈性模量、截面慣性矩和抗滑地基系數(shù)K相關(guān)。在進行內(nèi)力計算時，須判定抗滑樁屬剛性樁還是彈性樁，以選取適當(dāng)?shù)膬?nèi)力計算公式。按“k”法計算，樁的變形系數(shù)β按式（2）計算：

式中：BP為樁正面計算寬度，圓形樁BP=0.9（d+1），取值為2.7 m；E為樁的彈性模量，按強度等級為C30的混凝土計算，取30 GPa；I為樁的截面慣性矩，取值為1.33 m4。綜上計算可得β為0.658，由于工程所設(shè)計抗滑樁嵌固段長度h2一般為4～5 m，即βh2＞1.0，故可按彈性樁根據(jù)式（3）進行內(nèi)力計算：

式中：[KZ]為抗滑樁的彈性剛度矩陣；[KT]為滑坡面以下土體的彈性剛度矩陣；[KT0]為滑坡面以下土體的初始彈性剛度矩陣；{δ}為抗滑樁的位移矩陣；{p}為抗滑樁的荷載矩陣。

對抗滑樁的穩(wěn)定性及地基承載力進行分析。由于穩(wěn)定性與嵌固段長度、樁間距、樁截面寬度以及滑床巖土體強度等因素有關(guān)，且?guī)r體為三向受力狀態(tài)，故其抗壓強度較雙向受壓有所提高，可參考《抗滑樁設(shè)計與計算》（鐵道部第二勘測設(shè)計研究院編，中國鐵道出版社出版，1983 年），樁身作用于圍巖的側(cè)向應(yīng)力容許值σmax計算式為：

式中：σmax為嵌固段圍巖最大側(cè)向壓力值，MPa；K為根據(jù)巖層構(gòu)造在水平方向的巖石容許承載力換算系數(shù)，取值為0.5～1.0；C為折減系數(shù)，根據(jù)巖石的裂隙、風(fēng)化及軟化程度，取值為0.3～0.5；R為巖石單軸抗壓強度極限強度，MPa。

1#、2#滑坡體的抗滑樁內(nèi)力、穩(wěn)定性及地基承載力計算結(jié)果見表4。

表4 滑坡體抗滑樁方案計算結(jié)果

3.3 格構(gòu)錨固方案

預(yù)應(yīng)力錨索是一種滑坡體主動抗滑技術(shù)，通過施加預(yù)應(yīng)力以增強滑帶的法向應(yīng)力并減少滑體下滑力，有效地提高了滑坡體的穩(wěn)定性；格構(gòu)錨固技術(shù)是利用漿砌塊石、現(xiàn)澆鋼筋混凝土或預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土進行坡面防護，并利用錨桿或錨索固定的一種滑坡綜合防護措施。當(dāng)滑坡體存在體型較厚、坡度較陡和下滑力較大等對穩(wěn)定性具有不利影響條件時，可采用穿過滑帶對滑坡阻滑的格構(gòu)錨固方案（混凝土格構(gòu)＋預(yù)應(yīng)力錨索）進行防護，并根據(jù)實際的滑坡推力或所需支護力，計算分析所需錨索的數(shù)量、布置形式與格構(gòu)樣式。

3.3.1 錨索的布置

根據(jù)地形地質(zhì)和潛在滑面的埋藏情況，在保證提供等效總錨固力的前提下，應(yīng)盡量將錨索均勻布置在滑面埋藏較淺或下盤巖體完整的地段。由于1#、2#滑坡體均為破碎結(jié)構(gòu)且錨索噸位不宜過大，故可根據(jù)工程經(jīng)驗進行取值，錨索采用1000 kN級、俯傾角10°，錨索間距與長度分別為4.0 m 和15.0～19.0 m。依據(jù)上述條件分別對錨桿提供的抗滑力、錨固范圍和內(nèi)錨固段長度進行計算。

錨索所提供的抗滑力可分為兩部分，平行滑面分量，直接提供抗滑力，滑面法向分力，增加滑面的正應(yīng)力，增大摩擦力來提供抗滑力。單根錨索可提供的抗滑力P抗可按式（5）計算，內(nèi)錨固段按膠結(jié)材料與孔壁的黏結(jié)力確定長度可按式（6）計算。

式中：P為預(yù)應(yīng)力錨索錨固力，kN；α為錨索同滑動面的傾角；φ為滑動面上的摩擦角；L1為實際內(nèi)錨固段長度，m；L0為計算內(nèi)錨固段長度，m；γ0為邊坡工程重要性系數(shù)，II級錨固工程，采用1.0；φ為設(shè)計狀況系數(shù)，采用1.0；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，俯孔取1.0；γc為黏結(jié)強度分項系數(shù)，考慮膠結(jié)材料與孔壁黏結(jié)強度變異較大，取1.2；γp為單根預(yù)應(yīng)力錨索張拉力分項系數(shù)，考慮到施工時錨索的超張拉力變異較大，取1.15；pm為單根預(yù)應(yīng)力錨索張拉力，kN；d為錨索孔直徑，mm；c為膠結(jié)材料與孔壁黏結(jié)強度，取1.3 MPa。

由于內(nèi)錨固段長度還與內(nèi)錨固段膠結(jié)材料的性能、圍巖條件、荷載施加條件等有關(guān)，類比國內(nèi)外的工程經(jīng)驗，當(dāng)錨索噸位小于1000 kN時，內(nèi)錨固段長度可取4.0～5.0 m，故實際內(nèi)錨固段長度設(shè)計可采用L1=5.0 m。錨索布置計算結(jié)果見表5。

表5 滑坡體錨索布置計算結(jié)果

3.3.2 格構(gòu)設(shè)計

根據(jù)計算求得的錨固荷載和邊坡實際情況，確定錨索分布及不同高度的錨索設(shè)計錨固力，然后計算格構(gòu)的內(nèi)力，可將兩個錨固點之間的格構(gòu)梁類比為一個簡支梁以簡化其內(nèi)力計算（見圖3）。

圖3 簡化模型梁受力分析示意圖

簡化模型梁上的分布荷載應(yīng)根據(jù)相應(yīng)格構(gòu)所在邊坡位置上的巖土壓力和設(shè)計錨固力進行確定，某些邊坡的巖土壓力分布極其復(fù)雜，因此通常可按最不利原則，用錨索的最大設(shè)計荷載T按式（7）和式（8）近似計算分布荷載P：

式中：t為兩錨索之間格構(gòu)梁的長度；T1，T2為格構(gòu)梁兩端錨索的設(shè)計荷載（T1≥T2）。

計算得到格構(gòu)梁的荷載后，便可對格構(gòu)梁的內(nèi)力進行計算分析，并按受彎構(gòu)件考慮來驗算格構(gòu)梁的強度和配筋。如果T1=T2=T，則格構(gòu)梁上的荷載為均勻分布，有P1=P2=P=T/t。根據(jù)邊坡實際情況，采用強度等級為C25 的鋼筋砼4.0 m×4.0 m 方型格構(gòu)，格構(gòu)兩端噸位為100 t，兩錨索之間格構(gòu)梁的長度為4.0 m，格構(gòu)梁截面尺寸0.6 m×0.6 m。則格構(gòu)梁的最大計算彎矩Mmax按式（9）計算：

式中：Mmax為格構(gòu)承受的彎矩設(shè)計值，kN·m；fy、f/y分別為鋼筋抗拉、抗壓強度，II級鋼筋抗拉強度取值310 N/mm2；As1、A/S1分別為受拉鋼筋、受壓鋼筋截面面積，mm2；γs為受拉區(qū)砼塑性影響系數(shù)，采用1.25；h0為截面有效高度，mm；a/為縱向受壓鋼筋合力砂漿保護層厚度，取50 mm。

計算得如采用C25砼、6Φ28受拉鋼筋、5Φ14受壓鋼筋進行設(shè)計，1#和2#滑坡體的格構(gòu)強度能夠滿足設(shè)計要求。

3.4 滑坡加固方案比選

主要對抗滑樁方案與格構(gòu)錨固方案進行比選（見表6）。由表6 可知，抗滑樁方案相對于格構(gòu)錨固方案在安全與技術(shù)上有很大優(yōu)勢。滑坡體為堆積物與基巖界面滑坡，滑帶厚度不大，下盤巖體穩(wěn)定性較好，適宜布置抗滑樁。抗滑樁為大截面壓彎構(gòu)件，其受力合理，能充分發(fā)揮材料的強度，能很好控制邊坡變形。施工安全主要通過施工人員的安全教育與嚴格按照規(guī)程施工進行落實。雖然井下施工條件差，出渣、排煙、排水均有一定困難，但處理工程量不大，總體施工難度不大。綜上對比，1#和2#滑坡體加固方案均推薦采用抗滑樁方案。

表6 加固方案對比表

4 結(jié)語

以旺盛江水庫第二溢洪道滑坡體加固工程為例。通過計算現(xiàn)狀1#、2#滑坡體的滑坡推力，分析存在的邊坡穩(wěn)定性問題，提出削方減載方案、抗滑樁方案和格構(gòu)錨固方案3種滑坡體加固方案進行比選，比選結(jié)果表明：削方減載方案由于地形限制因素，無法使邊坡達到穩(wěn)定狀態(tài)；抗滑樁方案相對于格構(gòu)錨固方案在工程安全、施工技術(shù)和質(zhì)量保證等方面有較大優(yōu)勢。因此，旺盛江水庫第二溢洪道1#和2#滑坡體加固方案均推薦采用抗滑樁方案。