鋼纖維混凝土框格梁在庫岸邊坡防護(hù)工程中的應(yīng)用

令疆宇丹

(貴州省水利科學(xué)研究院，貴陽 550001)

進(jìn)入新時(shí)期以來，我國水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，應(yīng)合理調(diào)配有限的水資源，來保證我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的水資源供應(yīng)發(fā)揮出應(yīng)有的作用和價(jià)值。在小型水利工程建設(shè)領(lǐng)域，受到施工技術(shù)和成本等諸多因素的制約，土石壩仍是主要壩型。另一方面，由于許多小型水利工程的土石壩建成于上世紀(jì)六七十年代，亟待進(jìn)行除險(xiǎn)加固。對于這些工程，采用傳統(tǒng)的放緩邊坡、開挖換填以及壓重固腳等技術(shù)措施，雖然也可以起到加固效果，但是在工程的經(jīng)濟(jì)性和工期方面往往不具有優(yōu)勢。在邊坡加固工程領(lǐng)域，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框格梁具有強(qiáng)度高、整體性好、耐久性好以及施工技術(shù)成熟等諸多優(yōu)勢，目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[1]。但是，由于水利工程往往地處偏遠(yuǎn)、交通不便，在利用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框格梁技術(shù)進(jìn)行大壩背水邊坡加固中存在很多實(shí)際困難[2]。基于此，本文提出利用鋼纖維混凝土代替現(xiàn)澆鋼筋混凝土，結(jié)合噴射機(jī)濕噴作業(yè)制作邊坡框格梁的材料和技術(shù)思路，可以在保證施工質(zhì)量的前提下，有效降低施工技術(shù)難度和工期。

1 鋼纖維混凝土框格梁技術(shù)原理與優(yōu)勢

1.1 技術(shù)原理

本文提出的鋼纖維混凝土框格梁邊坡加固技術(shù)采用的是鋼纖維混凝土框格梁和錨桿復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中，框格梁主要由橫梁和縱梁構(gòu)成，而錨桿的內(nèi)端嵌入巖土體中，錨頭則連接在橫梁和縱梁的交叉部位[3]。由于錨桿可以充分發(fā)揮深層加固效果，而框格梁與邊坡表面之間的接觸面積較大，兩者相互配合，即可充分發(fā)揮邊坡本身的自穩(wěn)能力，實(shí)現(xiàn)邊坡的長度穩(wěn)定性和加固效果[1]。該加固技術(shù)的內(nèi)在機(jī)理，主要包括以下兩個(gè)方面：

1) 鋼纖維框格梁加固技術(shù)可以通過主動(dòng)支護(hù)方式，有效改變邊坡的受力狀態(tài)。具體而言，在橫、縱梁的交叉部位設(shè)置錨桿，可以將錨固力向邊坡深層傳遞，限制在外力作用下表層松弛區(qū)的產(chǎn)生和發(fā)展，同時(shí)還可以拉緊框格梁，增加邊坡表層和內(nèi)部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)之間的摩擦力。

2) 鋼纖維混凝土內(nèi)部的鋼纖維分布屬于雜亂狀態(tài)，可以有效提升框格梁抵抗各向應(yīng)力和變形的能力，而鋼纖維混凝土和錨桿、坡體之間也可以產(chǎn)生良好的黏結(jié)力，進(jìn)而充分發(fā)揮巖質(zhì)邊坡的自穩(wěn)定性能力，避免某根錨桿失效引發(fā)整體性失穩(wěn)破壞。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

鋼纖維框格梁加固技術(shù)可以利用錨桿的錨固作用，有效控制邊坡的內(nèi)部變形，特別是滑移變形，而邊坡表面的框格梁側(cè)可以對表層巖土體起到一定的框箍作用，防止表現(xiàn)層巖土體在降雨或其他外力作用下產(chǎn)生剝落和變形，因此十分適合高邊坡支護(hù)且支護(hù)效果良好。另一方面，由于鋼纖維混凝土采用噴射施工方式，不僅不需要綁扎鋼筋籠，且僅僅需要利用輕質(zhì)模板支護(hù)兩個(gè)面，因此可以快速、連續(xù)施工，有利于縮短施工周期[2]。此外，框格梁形成的網(wǎng)格內(nèi)可以進(jìn)行生態(tài)防護(hù)，體現(xiàn)工程技術(shù)的生態(tài)屬性，實(shí)現(xiàn)工程和自然環(huán)境的有機(jī)結(jié)合。

2 鋼纖維混凝土框格梁的總體結(jié)構(gòu)和施工流程

2.1 鋼纖維混凝土框格梁的總體結(jié)構(gòu)

鋼纖維混凝土框格梁加固系統(tǒng)主要由錨桿結(jié)構(gòu)和框格梁結(jié)構(gòu)兩大部分組成，其加固后的邊坡剖面圖見圖1。其中，框格梁部分主要由橫梁和縱梁組成，錨桿的內(nèi)端嵌入巖土體中，錨頭則連接在橫梁和縱梁的交叉部位。在框格梁的網(wǎng)格內(nèi)鋪設(shè)營養(yǎng)土層，為植物生長提供必要的營養(yǎng)支持，不僅可以有效加固大壩背水邊坡，還可以有效恢復(fù)生態(tài)，起到美化作用。

圖1 鋼纖維混凝土框格梁加固邊坡示意圖

2.2 工藝流程

在鋼纖維混凝土框格梁加固施工過程中，一般按照邊坡自上而下的順序進(jìn)行施工作業(yè)，在框格梁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成之后，在框格內(nèi)部填充營養(yǎng)土，再栽植植物或播種草籽[4]。具體的施工工藝流程見圖2。

圖2 施工工藝流程圖

3 具體施工方法

此次研究以某水庫大壩除險(xiǎn)加固工程的土石壩背水壩坡工程加固為例，其背水壩坡的坡度為1∶1.8，大壩的壩軸線長度為230 m，最大壩高為35 m。大壩的坡腳長度約為240 m。

3.1 錨桿施工

錨桿施工的順序?yàn)椋捍_定鉆孔孔位-鉆機(jī)就位-角度調(diào)整-鉆孔作業(yè)-清孔-安裝錨桿-注漿。由于此次研究的主要對象是鋼纖維噴射混凝土框格梁支護(hù)施工，其錨桿的施工工藝方法相對比較成熟，因此僅需要對其進(jìn)行簡單概括：

第一步是確定孔位。也就是根據(jù)設(shè)計(jì)施工的土質(zhì)，結(jié)合測量儀器的測量結(jié)果設(shè)置固定樁，然后以固定樁為基準(zhǔn)通過鋼尺測量確定鉆孔的孔位，并在每個(gè)孔位設(shè)置永久性的標(biāo)志，嚴(yán)禁一邊放樣一邊施工。

第二步是鉆機(jī)鉆孔。根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，選擇ZN2300F型鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，在作業(yè)前首先搭建好腳手架平臺(tái)并放置好鉆機(jī)。在鉆孔中采用干鉆的方式進(jìn)行鉆進(jìn)，確保鉆孔施工不會(huì)對邊坡造成較大的影響[5]，鉆機(jī)在工作過程中必須要保證一定的角度，最大限度降低成孔的孔徑誤差。

第三步是錨桿的安裝。首先需要對錨桿的順直度進(jìn)行檢查，同時(shí)做好錨桿的除銹和除污工作，在安裝前進(jìn)一步確認(rèn)其對應(yīng)的孔位、孔徑和孔深，確保不出現(xiàn)任何差錯(cuò)。

第四步是錨固注漿。錨桿的錨固注漿采用壓力為0.4～0.8 MPa的常壓注漿，注漿量要達(dá)到設(shè)計(jì)值方可停止注漿[6]。

3.2 框格梁施工

在框格梁施工開始之前，首先應(yīng)該根據(jù)工程的實(shí)際要求，制定出科學(xué)合理的施工計(jì)劃，準(zhǔn)備好相應(yīng)的施工機(jī)械設(shè)備和材料。同時(shí)做好人員的調(diào)配工作，施工的場地應(yīng)該保證“三通一平”，保證施工能夠順利進(jìn)行。

要對加固邊坡進(jìn)行測量，對起伏較大的部位進(jìn)行必要的修正，保證達(dá)到設(shè)計(jì)施工要求。然后對框格梁的橫向和縱向位置以及框格施工的起止范圍進(jìn)行測量和確定，按照框格梁的尺寸和模板厚度確定開挖輪廓線并進(jìn)行開挖。根據(jù)工程的實(shí)際情況，采用木模板進(jìn)行支護(hù)，在模板安裝過程中一定要保證模板線型的順直度。

在濕噴鋼纖維混凝土的過程中，首先要保證合理的工作風(fēng)壓，結(jié)合背景工程的實(shí)際情況，工作風(fēng)壓應(yīng)該設(shè)定在0.4～0.55 MPa之間，同時(shí)根據(jù)噴射的部位以及管道的長短對風(fēng)壓大小進(jìn)行必要的調(diào)整。噴射作業(yè)過程中，應(yīng)該根據(jù)具體情況確定合理的噴射距離，一般應(yīng)保證在0.8～2.2 m的范圍內(nèi)。在作業(yè)中，應(yīng)該保證噴頭和作業(yè)面的垂直，以提高噴射作業(yè)質(zhì)量。在噴射施工過程中，應(yīng)該采用分層作業(yè)的方式進(jìn)行，初噴厚度應(yīng)該設(shè)置在4～5 cm，第二次噴射應(yīng)該設(shè)定在5～10 cm，最后噴射至設(shè)計(jì)厚度。在作業(yè)完工之后，要對其表面利用砂漿修整和磨平。

在完成框格梁的施工之后，應(yīng)該灑水養(yǎng)護(hù)7 d。在養(yǎng)護(hù)完成之后，在框格內(nèi)填充營養(yǎng)土，然后TBS噴播草籽，實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的生態(tài)化。

4 工程效果評價(jià)

研究中利用上節(jié)有限元數(shù)值模擬的方法對無加固措施、鋼纖維混凝土框格梁和鋼筋混凝土框格梁加固條件下的大壩背水坡完全穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見表1。其中，工況1為一般工況，該工況僅考慮大壩自重應(yīng)力；工況2為飽和工況，主要考慮大壩自重+地下水+暴雨。由表1中的結(jié)果可以看出，在工況1無加固措施條件下，壩坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.122，處于穩(wěn)定狀態(tài)；在工況2無加固措施條件下，壩坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)為0.992，存在一定的失穩(wěn)危險(xiǎn)。因此，需要對壩坡采取加固措施，保證極端不利工況下的壩坡安全穩(wěn)定。在采取加固措施之后，壩坡的安全穩(wěn)定系數(shù)大幅提升，且兩種加固方式的安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果比較接近，說明采取鋼纖維混凝土框格梁可以獲得與鋼筋混凝土框格梁基本相同的加固效果。

表1 安全穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 語

本文結(jié)合土石壩背水壩坡傳統(tǒng)加固技術(shù)的缺陷和不足，提出了鋼纖維框格梁加固技術(shù)，并對其技術(shù)原理和工藝流程進(jìn)行分析和探討，可為今后的鋼纖維混凝土框格梁技術(shù)在加固工程層面的運(yùn)用提供有益的施工方法參考。由于時(shí)間限制，此次研究沒有對工程實(shí)際現(xiàn)場進(jìn)行檢測。在施工結(jié)束之后，需要對混凝土框格梁的內(nèi)力、變形等進(jìn)行監(jiān)測，并與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)本身的科學(xué)性與合理性。