旺盛江水庫第二溢洪道滑坡體的穩定性分析及其加固方案比選

賴成聯

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，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旺盛江村，是一座以灌溉為主，結合防洪、發電、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；段區設置有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，但未設置檢修閘門。

旺盛江水庫第二溢洪道現存在的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，且均發育在抗剪強度低的弱風化泥質粉砂巖上，經勘查：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定狀態，但是在暴雨等外界因素的影響下會進一步產生滑動，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《理正邊坡滑塌設計軟件》進行邊坡滑塌計算，計算結果見表1～表3。計算結果表明：在各種工況下，第二溢洪道的1#和2#滑坡體抗滑穩定安全系數均不滿足規范《水利水電工程邊坡設計規范》（SL386-2007）要求，均處于不穩定狀態，有必要對滑坡體進行加固處理。

圖1 1#滑坡體穩定計算簡圖（3-3剖面）

圖2 2#滑坡體穩定計算簡圖（6-6剖面）

表1 滑坡體穩定計算結果

表2 1#滑坡體3-3剖面滑坡推力計算結果

表3 2#滑坡體6-6剖面滑坡推力結果

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定，需對其進行加固分析及治理設計。擬可采用的滑坡加固方案有削方減載方案、抗滑樁方案和格構錨固方案3種，分別結合1#和2#滑坡體的地形地質情況進行比選。

3.1 削方減載方案

1#、2#滑坡體已在暴雨時期處于不穩定的蠕動狀態和移動狀態，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，需進一步對新出現的不穩定邊坡進行加固，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，下盤巖石為弱風化砂巖；2#滑坡體的滑動面主要分布在弱風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件。

3.2.1 抗滑樁的布置與構造

由于1#滑坡屬于整體結構，根據表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。樁與樁之間頂部設置80.0 cm×250.0 cm（厚×寬）的鋼筋砼作為聯系板。

3.2.2 抗滑樁推力與穩定分析

依照平面剛體極限平衡法計算滑坡達到設計穩定系數時所需的支護力，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力應根據滑坡推力和阻力計算，嵌固段樁身內力應根據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按式（1）計算：

式中：m為地基系數隨深度變化的比例系數；n為與巖土特性有關的參數；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（K與滑床巖體性質相關，可概括為“k”法、“m”法和“c”法）。由于1#滑坡體下盤巖體為強風化或弱風化基巖，故地基系數可按“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《水利水電工程邊坡設計規范》（SL386-2007）及《滑坡防治工程設計與施工技術規范》（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K相關。在進行內力計算時，須判定抗滑樁屬剛性樁還是彈性樁，以選取適當的內力計算公式。按“k”法計算，樁的變形系數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，故可按彈性樁根據式（3）進行內力計算：

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。

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

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

1#、2#滑坡體的抗滑樁內力、穩定性及地基承載力計算結果見表4。

表4 滑坡體抗滑樁方案計算結果

3.3 格構錨固方案

預應力錨索是一種滑坡體主動抗滑技術，通過施加預應力以增強滑帶的法向應力并減少滑體下滑力，有效地提高了滑坡體的穩定性；格構錨固技術是利用漿砌塊石、現澆鋼筋混凝土或預制預應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。當滑坡體存在體型較厚、坡度較陡和下滑力較大等對穩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錨固方案（混凝土格構＋預應力錨索）進行防護，并根據實際的滑坡推力或所需支護力，計算分析所需錨索的數量、布置形式與格構樣式。

3.3.1 錨索的布置

根據地形地質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#滑坡體均為破碎結構且錨索噸位不宜過大，故可根據工程經驗進行取值，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。依據上述條件分別對錨桿提供的抗滑力、錨固范圍和內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，內錨固段按膠結材料與孔壁的黏結力確定長度可按式（6）計算。

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

由于內錨固段長度還與內錨固段膠結材料的性能、圍巖條件、荷載施加條件等有關，類比國內外的工程經驗，當錨索噸位小于1000 kN時，內錨固段長度可取4.0～5.0 m，故實際內錨固段長度設計可采用L1=5.0 m。錨索布置計算結果見表5。

表5 滑坡體錨索布置計算結果

3.3.2 格構設計

根據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計錨固力，然后計算格構的內力，可將兩個錨固點之間的格構梁類比為一個簡支梁以簡化其內力計算（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根據相應格構所在邊坡位置上的巖土壓力和設計錨固力進行確定，某些邊坡的巖土壓力分布極其復雜，因此通常可按最不利原則，用錨索的最大設計荷載T按式（7）和式（8）近似計算分布荷載P：

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

計算得到格構梁的荷載后，便可對格構梁的內力進行計算分析，并按受彎構件考慮來驗算格構梁的強度和配筋。如果T1=T2=T，則格構梁上的荷載為均勻分布，有P1=P2=P=T/t。根據邊坡實際情況，采用強度等級為C25 的鋼筋砼4.0 m×4.0 m 方型格構，格構兩端噸位為100 t，兩錨索之間格構梁的長度為4.0 m，格構梁截面尺寸0.6 m×0.6 m。則格構梁的最大計算彎矩Mmax按式（9）計算：

式中：Mmax為格構承受的彎矩設計值，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為受拉區砼塑性影響系數，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受壓鋼筋進行設計，1#和2#滑坡體的格構強度能夠滿足設計要求。

3.4 滑坡加固方案比選

主要對抗滑樁方案與格構錨固方案進行比選（見表6）。由表6 可知，抗滑樁方案相對于格構錨固方案在安全與技術上有很大優勢。滑坡體為堆積物與基巖界面滑坡，滑帶厚度不大，下盤巖體穩定性較好，適宜布置抗滑樁。抗滑樁為大截面壓彎構件，其受力合理，能充分發揮材料的強度，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。通過計算現狀1#、2#滑坡體的滑坡推力，分析存在的邊坡穩定性問題，提出削方減載方案、抗滑樁方案和格構錨固方案3種滑坡體加固方案進行比選，比選結果表明：削方減載方案由于地形限制因素，無法使邊坡達到穩定狀態；抗滑樁方案相對于格構錨固方案在工程安全、施工技術和質量保證等方面有較大優勢。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。