錨桿邊墻在重陽水庫溢洪道中的應(yīng)用

任澤垠 陳維康

(南陽市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院 河南南陽 473003)

1 重陽水庫項(xiàng)目概況

西峽縣重陽水庫位于丹江水系老灌河支流丁河上游奎嶺河上,壩址在西峽縣城西 30km的重陽鄉(xiāng)黃楝樹崗,是一座以防洪、灌溉為主,兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚的中型水庫。水庫控制流域面積 80.5km2,主河道長 21km。該水庫于 1958年冬動(dòng)工興建,1979年 12月基本建成,1980年 9月竣工驗(yàn)收。該水庫2000年一遇校核洪水位 379.20m,總庫容 3300萬m3,100年一遇設(shè)計(jì)洪水位 377.12m,相應(yīng)庫容2828萬 m3,興利水位 373.60m,興利庫容 1980萬m3,死水位 354m,死庫容 160萬 m3。

水庫大壩壩型為黏土心墻砂殼壩,壩頂設(shè)計(jì)高程為 380.70m(吳淞口高程系,下同),頂寬6.0m,壩頂長 573m,最大壩高 37.7m。截水槽長550m,底寬 6m,邊坡 1∶0.5,心墻頂高程380.00m,頂寬 2m,最大底寬73m,心墻長 570m,心墻與岸坡巖石接觸處開挖有結(jié)合槽,在黏土心墻之外,上游有一部分代料,在代料上填筑砂殼。

溢洪道工程位于水庫大壩右側(cè),原設(shè)計(jì)底寬50m,底高程 373.6m,寬頂堰,現(xiàn)狀底寬最窄處為 46m,底高程 374.1m。溢洪道工程處于砂巖、礫巖、頁巖強(qiáng)風(fēng)化地層,未砌護(hù),無消能工,無尾水渠;左岸山體不穩(wěn)出現(xiàn)滑坡,一旦泄洪,溢洪道很容易被沖刷拉切,同時(shí)滑坡體可能堵塞溢洪道,危及大壩安全。

輸泄水洞位于大壩左端樁號(hào) 0+060處,由泄洪、輸水 (發(fā)電灌溉)聯(lián)合涵閘建筑物組成。

水庫存在許多安全隱患,如水庫抗洪安全性低,左壩肩繞滲,溢洪道地質(zhì)條件差,無護(hù)砌,無消能工,無尾水渠,溢洪道承泄河道蘆溝河過流能力嚴(yán)重不足,一旦泄洪將危及兩岸村莊、學(xué)校等。根據(jù)重陽水庫洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,如遇 500年一遇洪水主壩潰決后,淹沒面積 60km2,其中耕地面積 2.6萬畝,影響到老灌河沿線的西峽縣城及四個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、淅川縣城及三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)共 40多個(gè)村莊 12萬人,危及312國道、寧西鐵路、歐亞光纜、滬新光纜等重要交通及通訊干線的安全。

2 工程存在的主要問題

2.1 溢洪道存在的主要問題

溢洪道頂部高程及底寬均達(dá)不到設(shè)計(jì)尺寸,地質(zhì)現(xiàn)狀為白堊系中統(tǒng)砂巖、礫巖、頁巖,抗沖性能差,尤其左岸山體存在多層軟弱夾層,局部已出現(xiàn)崩塌滑坡。同時(shí)溢洪道未砌護(hù),出口無消能工,無尾水渠,出口與下游河道高差 23m多,而且下游尾水渠利用丁河另一支流蘆溝河,未做任何防護(hù)工程。

2.2 施工開挖存在的主要問題

溢洪道位于大壩右側(cè),為兩山夾一凹,現(xiàn)狀底部高程 374.1m,寬度 46m,兩岸山體陡峭,山頂高程均在 426.00m以上,蘆溝河河底高程 350.1m,山頂距現(xiàn)狀溢洪道底 50m,距蘆溝河河底 70m,溢洪道水平方向長 110m,若根據(jù)上述條件設(shè)計(jì)溢洪道邊墻寬度,施工時(shí)還要考慮立?？臻g和作業(yè)空間,以及穩(wěn)定的山體邊坡 1∶1.25,這樣估算山體石方開挖量約 1.5萬 m3,石方開挖運(yùn)輸按 35元/m3計(jì),該部分投資 52.5萬元。工程量較大,投資較高,而且在水庫除險(xiǎn)加固中國家投資已經(jīng)確定,追加投資已可能性很小。因此,如何優(yōu)化溢洪道邊墻設(shè)計(jì),節(jié)省溢洪道邊墻工程量,同時(shí)更重要的是節(jié)省山體石方開挖量,具有十分重要的意義。

3 溢洪道工程設(shè)計(jì)

溢洪道位于水庫大壩右側(cè),開挖于強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、砂質(zhì)頁巖上,抗沖能力很差,根據(jù)工程地形情況及溢洪道短、落差大等特點(diǎn),新建溢洪道采用開敞式 WES型實(shí)用堰,寬 45m,堰頂高程與興利水位相同為 373.60m,堰前為進(jìn)水渠,堰后為泄槽、挑流鼻坎和護(hù)坦。溢洪道泄洪采用挑流消能,洪水泄入蘆溝河,蘆溝河相應(yīng)段做防護(hù)工程,溢洪道上部山體滑坡做開挖削坡、卸荷處理。

進(jìn)水渠:采用 0.4m厚的 C20鋼筋混凝土護(hù)底,進(jìn)口兩側(cè)采用規(guī)則的扭曲面與兩岸山坡連接,平順?biāo)鳌?/p>

控制段:為 WES型實(shí)用堰,堰面曲線采用標(biāo)準(zhǔn)剖面曲線方程,上游曲線采用三圓弧連接,下游設(shè)反弧與泄槽底板相連,堰體為實(shí)體堰,堰體內(nèi)用漿砌石,外側(cè)用 C20鋼筋混凝土。

泄槽、挑流鼻坎和護(hù)坦:泄槽底板為 40cm厚的 C20鋼筋混凝土,板下設(shè) C10混凝土墊層和縱橫排水溝;挑流鼻坎采用差動(dòng)式 C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);護(hù)坦采用鉛絲籠拋石。

邊墻:進(jìn)水渠和泄槽邊墻均采用 C15混凝土重力式擋土墻,擋土墻背坡 1∶0.5,墻頂寬 0.5m,墻高 5.1～9.5m,擋土墻基底寬 3.35～5.01m。通過結(jié)構(gòu)計(jì)算,其抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定和基底應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 溢洪道邊墻設(shè)計(jì)方案比較

針對(duì)溢洪道的地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性,結(jié)合溢洪道本次施工開挖后的實(shí)際地形,本次泄槽和挑流鼻坎段邊墻設(shè)計(jì)考慮增加巖石錨桿擋土墻設(shè)計(jì)方案,與原設(shè)計(jì)的 “混凝土重力式擋土墻”方案進(jìn)行方案比選。

第一方案 C15混凝土重力式擋土墻:采用 C15混凝土重力式擋土墻,墻頂寬 0.5m,墻背坡度1∶0.5,墻底寬 5.01～1.80m,墻高 9.41～3.0m。該方案主要工程量與建筑工程投資見表 1。

表 1 重力式混凝土擋土墻方案建筑工程投資

第二方案巖石錨桿擋土墻:采用 80cm厚 C20鋼筋混凝土直立壁板式錨桿擋墻。墻面板為整塊鋼筋混凝土板,采用就地澆筑,采用等厚截面,厚80cm。錨桿采用普通灌漿錨桿,巖石錨桿鉆孔直徑為 55mm,桿體為直徑 25mm精軋螺紋鋼筋,錨固區(qū)設(shè)置在主動(dòng)區(qū)壓力楔形破裂面以外,有效錨固長度三排布置時(shí)至少保證 5m、兩排布置時(shí)至少保證 4m,且盡量避開軟質(zhì)頁巖。錨桿水平間距為1.5m,垂直間距為 2.0～2.5m。當(dāng)錨桿三排布置時(shí),錨桿向下傾斜與水平面夾角自上而下分別為20°、18°、15°;當(dāng)錨桿兩排布置時(shí),錨桿向下傾斜與水平面夾角自上而下分別為 20°、15°。該方案主要工程量與建筑工程投資見表 2。

表2 錨桿擋土墻方案建筑工程投資

針對(duì)這兩個(gè)方案,從施工技術(shù)方面比較,第一方案采用C15混凝土重力式擋土墻,施工方法簡(jiǎn)單,便于施工。擋土墻穩(wěn)定性好,實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富,安全可靠度高;但混凝土用量較大,石方開挖和回填量也較大。第二方案錨桿施工機(jī)械及設(shè)備的作業(yè)空間不大,可以節(jié)省混凝土用量,可以減少石方開挖和回填量;施工方法簡(jiǎn)單,便于施工。但鋼材用量較大,而且錨桿擋土墻是新技術(shù)。從投資上比較,第二方案投資較少。

5 錨桿直立邊墻研究和設(shè)計(jì)

5.1 錨桿邊墻設(shè)計(jì)布置

采用 80cm厚 C20鋼筋混凝土直立壁板式錨桿擋墻,錨桿端頭直接插入混凝土面板中,與壁面板一起澆筑,插入長度保證在 75cm以上并與壁面板外層鋼筋焊接在一起。墻面板為整塊鋼筋混凝土板,采用就地澆筑,采用等厚度 80cm。錨桿采用普通灌漿錨桿,巖石錨桿鉆孔直徑為 55mm,桿體為直徑 25mm精軋螺紋鋼筋,錨固區(qū)設(shè)置在主動(dòng)區(qū)壓力楔形破裂面以外,有效錨固長度三排布置時(shí)至少保證 5m、兩排布置時(shí)至少保證 4m,且盡量避開軟質(zhì)頁巖。錨桿水平間距為 1.5m,垂直間距為 2.0～2.5m。當(dāng)錨桿三排布置時(shí),錨桿向下傾斜與水平面夾角自上而下分別為 20°、18°、15°;當(dāng)錨桿兩排布置時(shí),錨桿向下傾斜與水平面夾角自上而下分別為 20°、15°。錨桿有效錨固段在鉆孔內(nèi)采用直徑32mm×250mm水泥基錨固劑保護(hù),非錨固段在涂防銹漆后用被熱瀝青浸透的玻璃纖維布兩層包扎。

5.2 錨桿的極限抗拔能力計(jì)算

溢洪道泄槽邊墻處巖性為砂礫巖和頁巖,錨桿的極限抗拔能力取決于錨固段地層對(duì)于錨固段砂漿所能產(chǎn)生的最大摩阻力。

(1)錨桿的極限抗拔能力:

式中:Tu為錨桿的極限抗拔能力,kN;D為錨桿鉆孔的直徑,m;Le為錨桿的有效錨固長度,m;τ為錨固段周邊的抗剪強(qiáng)度,kPa。

(2)錨桿承載力計(jì)算應(yīng)符合下式規(guī)定:

式中:Td為錨桿水平拉力設(shè)計(jì)值,kN;Nu為錨桿軸向受拉承載力設(shè)計(jì)值,kN;θ為錨桿與水平面的傾角,(°)。

5.3 錨桿的截面和長度計(jì)算

(1)錨桿桿體的截面面積:

式中:As為鋼筋桿截面面積;fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

錨桿鋼筋直徑除滿足強(qiáng)度需要外,尚需增加2mm防銹安全儲(chǔ)備。經(jīng)計(jì)算,采用直徑 25mm精軋螺紋鋼作為錨桿鋼筋。

(2)巖石錨桿錨固段長度應(yīng)按錨桿抗拉拔試驗(yàn)確定,初步設(shè)計(jì)時(shí)可按下列兩式估算,取其中較大值:

式中:k為抗力分項(xiàng)系數(shù),取 2.0;Nu為錨桿軸向受拉承載力設(shè)計(jì)值,kN;q為鋼筋與漿體之間的黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,取 2800kPa;D為錨桿鉆孔的直徑,m;Le為錨桿的有效錨固長度,m;τ為錨固段周邊的抗剪強(qiáng)度,kPa。

錨桿有效錨固長度除滿足抗拔穩(wěn)定性要求外,還應(yīng)控制錨桿最小長度,即巖層Le≥4m。經(jīng)計(jì)算,錨桿有效錨固長度三排布置時(shí)為5m,兩排布置時(shí)為 4m。

5.4 錨桿的穩(wěn)定性分析

當(dāng)采用兩層或兩層以上錨桿時(shí),應(yīng)做各種組合的穩(wěn)定性驗(yàn)算,即不但應(yīng)分別驗(yàn)算各單層錨桿的穩(wěn)定性,而且還應(yīng)分別驗(yàn)算兩層、三層錨桿組合情況下的穩(wěn)定性。錨桿的穩(wěn)定性用錨桿拉力的穩(wěn)定系數(shù)K來反映,采用克蘭茨代替法進(jìn)行計(jì)算:

式中:Td為錨桿水平拉力設(shè)計(jì)值,kN;Th為根據(jù)破裂體上力的平衡得到巖體滑動(dòng)時(shí)的極限水平抗拔力,kN;K為錨桿拉力的穩(wěn)定系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算,Kmin=1.62＞1.5,錨桿穩(wěn)定。

5.5 錨桿擋墻的穩(wěn)定性

經(jīng)過驗(yàn)算,擋土墻的抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定和地基承載力,均滿足要求。

6 施工及應(yīng)用情況

溢洪道邊墻原設(shè)計(jì)為重力式混凝土擋土墻,通過試驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)優(yōu)化后改為錨桿直立面板邊墻,節(jié)約了混凝土的工程量,減少了兩側(cè)山體大量的石方開挖,施工便利,縮短了工期,節(jié)約了資金,特別是能夠在全強(qiáng)風(fēng)化的砂礫巖和頁巖遇水軟化、強(qiáng)度降低、失去巖石性質(zhì)這種條件下成功運(yùn)用,不但解決了重陽水庫的病險(xiǎn)問題,而且也給工程帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

重陽水庫溢洪道錨桿邊墻工程自 2003年 7月初開始施工至7月底完工,經(jīng)過 2004年以來 5個(gè)汛期的運(yùn)行,未發(fā)現(xiàn)任何異常。通過觀測(cè)和檢查,溢洪道錨桿邊墻未發(fā)現(xiàn)有傾斜、裂縫、位移等問題,運(yùn)行情況良好,達(dá)到了試驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)的要求。

7 結(jié)語

白堊系中統(tǒng)砂巖、礫巖、頁巖,強(qiáng)風(fēng)化,并存在多層軟弱夾層,遇水極易軟化,強(qiáng)度降低,干后自行崩解呈碎片,容易出現(xiàn)滑坡、坍塌,鉆孔灌漿后的單根錨桿抗拔力達(dá)到 147.0～193.1kN,在此較差的巖石中做錨桿抗拉拔實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)用是成功的。

重陽水庫溢洪道采用灌漿錨桿直立面板擋墻,錨固區(qū)設(shè)置在主動(dòng)區(qū)壓力楔形破裂面以外是科學(xué)的,在同類工程中具有廣泛的推廣應(yīng)用性。