河岸深厚覆蓋層邊坡綜合治理實例分析與設計

譚 晨

(中國水利水電第五工程局有限公司 科研設計咨詢公司,四川 成都 610066)

1 概 述

洪水危害河岸邊坡的問題是水毀工程中經常面臨的問題,尤其是在水電站管轄內的邊坡。在邊坡支護設計過程中,對于深厚覆蓋層的處理方式以及施工工期、河道行洪期間經常會出現一些技術問題,若不能及時采取有效的解決措施,將會嚴重影響到整個工程的施工安全和主體水工建筑物的安全。筆者以青居水電站為例,論述了其在邊坡治理過程中應對深厚覆蓋層采用“鋼筋掛網噴射混凝土+鋼筋石籠網”相結合的支護方案的制定與實際應用過程,旨在為相關設計案例提供參考。

青居水電站系《嘉陵江蒼溪至合川段水電開發規劃報告》中的第十個梯級,位于四川省南充市高坪區青居鎮,距離南充市17 km。為航電綜合利用的低水頭徑流式電站。青居水電站由攔河閘壩、廠房、船閘等樞紐建筑物組成,總裝機容量為136 MW,單機容量為34 MW,共安裝4臺貫流式水輪發電機組,年發電量為6.625億kW·h,水庫正常蓄水位高程為262.5 m。電站控制集水面積為76 753 km2。

2021年10月6日,嘉陵江發生了近40年來最大的洪水,洪峰流量達22 000 m3/s。洪水導致青居水電站管轄范圍內岸坡及交通道路臨江側的邊坡發生破損、垮塌現象。該邊坡現狀見圖1。不僅對道路安全通行的能力造成嚴重影響,而且岸坡的損毀給閘壩安全泄洪帶來了一定的影響。為確保青居水電站交通道路的安全通行,以及水工建筑物及附屬設施的正常功能,需要對青居水電站管轄區域范圍內水毀的公路岸坡進行綜合治理,該項目由中國水利水電第五工程局有限公司承擔設計工作,并于2022年1月29日完成了對項目現場的勘查工作,于2月中旬完成項目的設計任務,旨在為施工預留出寶貴的時間,以確保閘壩下游人民群眾的生命財產安全以及華能嘉陵江公司2022年防洪度汛工作和安全生產工作的順利進行。

圖1 邊坡現狀圖

該電站轄區內交通道路臨江側的邊坡工程區位于嘉陵江干流青居鎮下游2 km的安樂壩平直河段、已建青居電站閘壩下游。該處河流呈N30°W流向,與巖層走向基本一致,為順向不對稱“U”型河谷。河床寬度為230 m,左岸為侵蝕岸,岸坡多為基巖陡坡,其高度大于30 m,坡度約為50°;右岸為開闊的河漫灘及I級階地。河漫灘寬160 m,地面高程為254～264 m,Ⅰ級階地的寬度大于1 000 m,地面高程為269～270 m。工程區出露的地層為侏羅系遂寧組(J2sn)紫褐色砂質黏士巖,巖性不均一,為泥鈣質膠結。

工程區覆蓋層主要為沖積堆積,可分為兩層:

(1)Q42al分布于現代河床及右漫灘,厚約5～16 m。其上部為灰、灰褐色細砂層,厚約3～l0 m;下部為灰色砂卵礫石層,厚約2～6 m,粒徑為4～6 cm,其中較大粒徑為10～15 cm,呈中密～密實。

(2)Q41al分布于右岸I級階地及前緣,厚約10.8～12.9 m。其表層為褐黃色亞砂土,厚約5.5 m;下部為礫卵石,呈中密～密實,粒徑以4～8 cm為主。

現場勘測到的土體、巖體物理力學參數見表1、2。

表1 土體物理力學參數表

表2 巖體物理力學參數表

表3 抗滑穩定安全系數標準表

2 邊坡治理工程設計

2.1 設計方案制定的思路

經過地質勘察及對邊坡斷面進行的分析得知:該邊坡為下緩上陡,其下部坡度為20°～25°,上部坡度為30°～35°,下部巖性為砂卵礫石,上部為亞砂土,且因砂卵礫石和亞砂土抗沖刷能力較差,受嘉陵江洪水沖刷常發生垮塌、牽引而造成上方公路路基坍塌;對此,考慮到采用水泥砂漿錨桿會產生塌孔現象,故在治理方案制定時優先選用自進式中空注漿錨桿與掛網噴混凝土結合的方式護坡。

由于工程所在地基巖埋藏較深且邊坡坡腳位于嘉陵江岸邊,需要考慮邊坡坡腳處的抗沖刷措施。在對混凝土擋墻和鋼筋石籠網擋墻進行分析對比后最終確定了設計方案,修復工程需按照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》SL 252-2017[1]達到20 a一遇的防洪設計要求。

(1)采用混凝土擋土墻方案。按照《防洪標準》GB 50201-2014[2]和《水利水電工程等級劃分及洪水標準》SL 252-2017確定其等級為4級后按照《水工擋土墻設計規范》SL 379-2007[3]中的有關規定進行擋墻抗滑及抗傾覆穩定計算后得知:需將混凝土擋墻基礎埋至基巖內才能夠滿足抗滑穩定驗算要求。若按照混凝土擋墻施工則需要考慮在基礎放坡開挖施工時采用的臨時措施,如選用土石圍堰開挖線會大面積侵占河道,不利于河道行洪,而且坡腳處為砂卵石層,透水率較高,進而增加了基坑排水工程量;而且采用混凝土擋墻開挖基礎工程量較大、混凝土擋墻截面較大,其邊坡垮塌長度近180 m,導致混凝土用量大,且其擋墻支護模板以及混凝土的養護時間亦導致施工周期較長。若選用鋼板樁圍堰施工,因其臨時措施資金占比額度較大不利于工程的開展。

綜上所述,如果按照該方案修繕則該邊坡在嘉陵江汛期來臨之際施工期存在極大的安全隱患;若不進行修繕,臨江交通道路將封停一年,而且汛期江水將會導致該邊坡破壞更加嚴重,待第二年嘉陵江枯期到來再進行修繕其費用會大大增加。

(2)采用鋼筋石籠網方案。該結構系采用鋼筋框架矩形箱體,在箱內裝填塊石用于各類擋水工程和防沖建筑物。鋼筋石籠結構整體性好,具有緩沖作用,能夠有效降低水流的沖刷能力。籠內填筑的塊石能夠減小浪壓沖擊力和破壞力度。鋼筋石籠網的建造速度較快,待基礎修理平整后將鋼筋加工成設計尺寸大小后將粒徑符合規范要求的塊石填入[4]。施工時還能夠避免在河道進行圍堰施工,進而減少了基坑排水費用以及基礎大開挖費用。

由于鋼筋籠內的石塊具有空隙,且因塊石表面粗糙,具有較強的透水性,將其作為公路邊坡的護腳措施仍存缺限,當洪水沖刷以及水流浸泡時間較長時,進而背水面將會出現流沙現象,導致因流沙引起的邊坡局部失穩。因此,對于這種情況,項目部采用將籠內的塊石采用土工布包裹以及將石籠主筋和自進式錨桿進行焊接、根據水流沖刷的方向垂直布置插入基巖中的措施予以解決。該措施的實施不僅消除了水流對背水面砂石沖刷出現的流砂現象,而且提高了石籠網的抗沖刷能力和應對洪水水流沖刷的能力;該措施加強了邊坡坡腳防沖結構的整體性,確保了整個護岸的結構穩固。

2.2 設計方案

(1)邊坡支護。將邊坡上部原有邊坡進行削坡處理后將松散的浮石和泥渣清除后對坡面縫隙進行了封閉處理。根據地質人員推薦的坡比將邊坡分為兩段:馬道以下坡比為1∶3,馬道以上坡比為1∶1.25。將處理后的坡面采用6 m長、Φ28自進式中空注漿錨桿進行錨固,其間距采用3 m×3 m,與DN50 PVC排水管(間距1 m×1 m)呈梅花型布置。錨固后的邊坡坡面采用掛網噴射混凝土,首先噴5 cm厚的混凝土,然后掛Φ8鋼筋網,復噴10 mm厚的混凝土。噴射混凝土面層宜沿邊坡縱向20 m的長度設置豎向伸縮縫,伸縮縫寬20 mm,縫內填硬質泡沫板。 邊坡典型斷面結構設計情況見圖2。

圖2 邊坡典型斷面結構設計圖

(2)鋼筋石籠。對于坡腳的支護方式采用將新建的鋼筋石籠網相互堆疊在邊坡坡腳處用焊接的方式相連,內裹土工布以消除水流對背水面砂石的沖刷,將鋼筋石籠網下部設錨桿焊接并插入基巖。鋼筋石籠的主筋采用C20鋼筋,次筋采用C12鋼筋在現場制作焊接成長2 m×1 m×1 m(長×寬×高)的鋼筋籠。其底部與石籠主筋焊接的錨桿采用C25中空注漿錨桿。 石籠網結構設計情況見圖3。

2.3 邊坡穩定性計算

按照《防洪標準》GB 50201-2014和《堤防工程設計規范》GB 50286-2013確定該邊坡的等級為4級[5]。

根據《水電工程水工建筑物抗震設計規范》NB 35047-2015[6]和《中國地震動參數區劃圖》中的有關規定,該工程場地的地震烈度小于Ⅵ級,故不需要進行抗震設計。經對計算得出的結果進行分析得知:邊坡在正常使用狀態下能夠滿足相關抗滑穩定要求。采用Midas GTS NX有限元分析邊坡典型斷面穩定系數的情況見圖4;根據強度折減法計算出的邊坡穩定系數見表4。

表4 邊坡穩定性計算分析結果表

圖4 Midas GTS NX有限元分析邊坡典型斷面穩定系數示意圖

3 施工工藝與技術要求

3.1 施工工藝流程

坡面削坡清理→測量放樣→布置孔洞→第一次檢查驗收→自進式錨桿安裝→自進式錨桿錨固入基巖→錨桿焊接鋼筋石籠網底部→制作鋼筋石籠網→初次噴射混凝土→鋼筋掛網→第二次檢查驗收→復噴混凝土→噴射混凝土養護→厚度檢查。

3.2 施工注意事項

(1)噴射混凝土應按下列規定進行:

①鋼筋網的鋼筋規格和質量、網格尺寸必須滿足相關規范要求。鋼筋使用前應進行除銹、除污處理。鋼筋網應沿開挖面平行鋪設,并應與錨桿(或鋼筋)連接牢固。

②噴射混凝土應采用分段分片依次作業的方式,噴射順序為自下而上。當噴射混凝土采用分層噴射時,其后一層混凝土需要在前一層混凝土終凝后進行。若終凝1 h后再進行噴射,應先用風、水清洗噴層面。

③噴射混凝土必須填滿鋼筋與面層之間的空隙并與鋼筋粘結良好,鋼筋網混凝土保護層的厚度應符合相關規范及設計要求。

(2)自進式中空錨桿的注漿應按下列規定進行:

①自進式錨桿安裝前需要保持錨桿中孔以及鉆頭的暢通性,若有孔內異物堵塞時,應及時進行清理。

②錨桿鉆至設計深度后,需要及時用水和高壓風清洗鉆孔、直至鉆孔口返水或返氣時方能將鉆機和連接套卸下。

③桿體注漿宜采用純水泥漿或1∶1的水泥砂漿,砂漿中砂子的粒徑不應大于1.0 mm。

(3)鋼筋石籠的安裝應按下列規定進行:

①鋼筋籠與自進式錨桿焊接時,其交叉點采用焊接連接,鋼筋的彎折一定要滿足相關規范要求,搭接焊必須保證單面為10d,雙面為5d的搭接要求(d為鋼筋直徑),每處交叉點都應焊接到位,嚴禁出現漏焊現象。

②對鋼筋籠內拋填的塊石要求為:塊石應精心擺放,塊石的大小應搭配合理,施工時石料應有選擇性的分層填筑,籠內的填石塊粒徑應不小于鋼筋間距,直徑為25～40 cm,中間可用較小的石塊填塞且必須分層填筑密實,避免出現同粒徑塊石過分集中或石料架空等施工缺陷,嚴禁強力拋擲沖擊鋼筋網。

(4)土工布應按下列標準選擇:300 g/m2防滲土工布的技術指標為:單位面積質量偏差為300 g;斷裂強度為≥15 kN/m;CBR頂破強力為≥2.9 kN;撕破強力為≥0.42 kN, 厚度偏差為≥2.2 mm。

4 結 語

青居水電站“10·6”洪災水毀治理工程交通道路邊坡段由浙江第一水電建設集團股份有限公司承建。根據設計方案并結合施工單位的部署,該項目方案于2022年4月1日開工,6月1日完工,總工期共計61個日歷天。該項目的實施明顯減少了邊坡護腳的土方開挖,在很大程度上節約了工程量,使得其工期較短,投資較少(該段投資僅為127.87萬元)。實踐證明:該方案與傳統網噴混凝土擋土墻相比對河岸邊深厚覆蓋層邊坡的治理具有明顯的優勢,運用該方案可以彌補傳統“網噴+混凝土擋墻”護坡工程量大、工程造價高且工期長等方面存在的不足。筆者通過對掛鋼筋網噴射混凝土加鋼筋石籠網綜合護坡方式的設計特點及其在河岸邊深厚覆蓋層邊坡治理中的應用,對該方案的優點進行了介紹與分析,希望能對相關設計人員提供幫助。