鋼筋樁在軟地基重力壩深層抗滑穩定分析中的應用

陳 波

(中國電建集團 貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

1 工程概況

某重力壩為常態混凝土重力壩，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，壩基巖體主要為強風化、弱風化黏土巖夾粉砂巖，巖質軟弱，層面發育，且下游側具備臨空條件，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；深層滑動模式分析中，存在上游近橫河向裂隙為后側滑移控制面，以煤層為底滑面，剪斷下游巖體后滑出的危險模式。

為了滿足該壩段的承載力和穩定要求，以7#壩段為典型壩段，按照基于等安全系數法的剛體極限平衡法對比分析下挖齒槽和鋼筋樁等工程措施，提出上游擴挖齒槽方案、上游擴挖齒槽+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 重力壩深層抗滑穩定分析方法

在混凝土重力壩設計中，當壩基巖體內存在軟弱結構面、緩傾角裂隙時，重力壩深層抗滑穩定的分析方法按《重力壩設計規范》(SL 319-2018)采用基于等安全系數法的剛體極限平衡法進行計算。

工程地基內往往存在多條互相切割交錯的斷層、軟弱夾層或者臨空面，構成復雜的滑動面。在作深層抗滑穩定分析時，應驗算可能的滑動通道，找到最不利的滑動組合，進而計算其抗滑穩定安全系數。根據滑動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 單滑面深層抗滑穩定分析

見圖2。

圖2 單滑面深層抗滑穩定計算示意圖

考慮ABC塊的穩定，AB為滑動面，則有:

式中：K′為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；W為作用于壩體上全部荷載(不包括揚壓力，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滑動面的抗剪斷摩擦系數；c′為AB滑動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面上的揚壓力，kN。

2.2 雙滑面深層抗滑穩定分析

根據《混凝土重力壩設計規范》(SL 319-2018)附錄E，采用抗剪斷強度公式進行計算。見圖3。

圖3 雙滑面深層抗滑穩定計算示意圖

考慮ABD塊的穩定，則有:

考慮BCD塊的穩定，則有:

3 7#壩段深層抗滑穩定分析

3.1 滑動模式及參數分析

根據右岸深層抗滑穩定裂隙組合面示意圖(圖4)及相關地質資料，經分析得到存在兩種滑動模式：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模式)。

圖4 7#壩段深層抗滑穩定裂隙組合面示意圖

滑面綜合參數取值如下：

計算模式Ⅱ中滑動面參數為：f′=0.35，c′=0.07 MPa。

3.2 計算結果及分析

各工況下，7#壩段深層抗滑穩定最小安全系數見表1。

表1 7#壩段深層抗滑穩定計算成果表

根據表1計算結果分析可知，7#岸坡壩段高程1 291 m(黏土巖)深層抗滑穩定安全系數不滿足規范要求，需采取工程措施保證壩基深層抗滑穩定。

4 7#壩段基礎處理方案

4.1 壩基處理方案擬定

根據滑動分析計算結果，7#岸坡壩段(黏土巖)建基面、沿層面及深層抗滑穩定均不滿足要求，且最危險的工況為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。

對于重力壩抗滑穩定問題，處理地基的工程措施主要有設置壩基齒槽、抗剪洞塞、抗滑樁處理等[2]?？够瑯妒抢娩摻罨蜾摻罨炷恋目辜糇饔锰峁┛辜袅Γ饕褪接袖摻罨炷翗?、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，其結構斷面大，人工或機械開挖成孔，再安裝鋼筋并澆筑混凝土，待混凝土齡期足夠，強度滿足要求后方可繼續澆筑壩體混凝土。由于處理時間長，且占用直線工期，對大壩防洪度汛安全和工程施工總工期影響較大[4]，故優先考慮選用鋼筋樁和鋼管樁方案。

經分析論證，本地區地下水呈弱腐蝕性，對于鋼管樁的外側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合部分的施工質量控制較困難，最終可能導致整體失穩破壞[5]。經過技術經濟和施工條件比選，最終采用鋼筋樁，長為10～15 m，以深入黏土巖計算層面以下不小于4 m進行控制，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

首先考慮單獨設置齒槽處理方案，即在壩基上游設置深度為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號混凝土。具體滑動模式見圖5。

圖5 齒槽處理方案深層滑動模式簡圖

根據相關地質資料，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；具體取值參數見表1，計算結果見表2。

表2 齒槽處理后7#擋水壩段深層抗滑穩定計算結果

由計算結果可以看出，增加齒槽后，深層抗滑穩定安全系數增加不明顯，不滿足規范要求。經過試算，下挖5 m齒槽深度后，模式Ⅰ和模式Ⅱ的穩定安全系數仍然較低，無法滿足規范要求，且進一步增大齒槽斷面的必要性不大，但由此帶來齒槽開挖工程量較大，降低了措施的經濟性。因此提出在齒槽的基礎上，增加鋼筋樁這種更經濟、更有效的措施來增強大壩的穩定性。

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模式見圖6。

圖6 齒槽+鋼筋樁處理深層滑動模式簡圖

滑動模式和計算參數同前。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。鋼筋樁長為10～15 m，以深入黏土巖計算層面以下不小于4 m進行控制，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。計算結果見表3。

由計算結果可以看出，齒槽+鋼筋樁處理方案對于穩定系數的提高較明顯，能夠滿足穩定要求。

表3 齒槽+鋼筋樁處理后7#擋水壩段深層抗滑穩定計算結果

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

深層滑動模式見圖7。

圖7 鋼筋樁處理方案深層滑動模式簡圖

計算結果見表5。

表5 鋼筋樁處理后7#擋水壩段深層抗滑穩定計算結果

單寬壩段布置6根，間距2.0 m，鋼筋樁長為10～15 m，以深入黏土巖計算層面以下不小于4 m進行控制，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 基礎處理方案選擇

綜上分析計算，本工程基礎處理共考慮了上游擴挖齒槽方案、上游擴挖齒槽+鋼筋樁處理方案和鋼筋樁方案，各方案適應性分析如下：

1) 從處理效果來看，增加齒槽后，深層抗滑穩定安全系數增加不明顯，不滿足規范要求。經過試算，下挖5 m齒槽深度后模式Ⅰ和模式Ⅱ的穩定安全系數仍然較低，無法滿足規范要求，且進一步增大齒槽斷面的必要性不大，但由此帶來齒槽開挖工程量較大，降低了措施的經濟性。經計算，鋼筋樁單根提供的抗剪力為約1 600 kN。由計算結果可以看出，齒槽+鋼筋樁處理方案和鋼筋樁方案對于穩定系數的提高較明顯，能夠滿足穩定要求。就處理效果來看，齒槽+鋼筋樁處理方案和鋼筋樁方案較優。

2) 從處理工藝來看，上游擴挖齒槽方案最為簡單，且工程實例運用較多，技術成熟；鋼筋樁處理施工工藝相對簡單，采用機械鉆機成孔-下放安裝好的鋼筋束(鋼筋焊接固定于鋼管外側)-回灌水泥砂漿。但是二者結合施工，就難免造成工藝流程、工種人力和物力上的繁雜。就處理工藝來看，鋼筋樁方案較優。

3) 從適應性來看，齒槽處理是一般水利水電工程處理地基常用的，也較為簡單直接。但鋼筋樁方案作為處理壩基穩定的措施在水利工程中運用的不太多，成功運用的工程主要有：①貴州烏江沙沱水電站11#壩段抗滑穩定加固處理措施。②引子渡水電站大壩與溢洪道之間的預留巖錨墻。由于其底部巖體中存在軟弱夾層，遇水極易軟化，抗剪指標低，且施工時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定狀態。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，保證了施工期和運行期的邊坡穩定。③貴州三板溪水電站泄洪洞出口的開挖由于受地質條件的影響，邊坡失穩塌方，在馬道增設鋼筋樁，實施后效果良好。④廣西龍灘水電站左岸坡支護采用鋼筋樁，對于保證高邊坡的穩定性起到了重要的作用[4]。從適應性來看，鋼筋樁處理措施作為成功的措施，但運用的較少，齒槽方案較為優。

綜上分析，兩種方案均能夠滿足穩定要求。從處理效果、施工工藝、經濟性和處理耗時等方面綜合比較，鋼筋樁處理方案施工工藝簡單，技術成熟可靠，工期短，處理效果好，處理費用相對較低，最終根據設計方案、工程投資等方面綜合選定鋼筋樁處理方案。

6 結 語

1) 弱風化黏土巖，承載力和抗滑穩定參數較低，另外結合巖體裂隙層面的發育情況，分析計算該壩段抗滑穩定性不滿足規范要求；

2) 通過分析，針對軟土地基上重力壩抗滑穩定性差的情況，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定性有明顯的改善。

3) 從處理效果、施工工藝、經濟性和處理耗時等方面綜合比較，鋼筋樁處理方案施工工藝簡單，技術成熟可靠，工期短，處理效果好，處理費用相對較低，是一種較優的處理軟地基重力壩抗滑穩定性的措施。