華光潭一級水電站廠房后邊坡錨筋樁軸力監(jiān)測研究

何超亮

(福建省建筑科學(xué)研究院，福建福州 350025)

錨筋樁支護(hù)技術(shù)由于其施工工藝簡單、造價(jià)低廉、見效快、錨固深度適中等優(yōu)點(diǎn)，在邊坡加固防護(hù)中已得到廣泛的應(yīng)用［1-2］。然而，錨筋樁作為深入地層的受拉構(gòu)件，受溫度、降雨、降雪、施工爆破、巖土體性質(zhì)、軟弱結(jié)構(gòu)面等外部因素以及錨筋樁本身施工條件和施工質(zhì)量等內(nèi)部因素的多重影響，使得錨筋樁受力機(jī)制復(fù)雜，并非呈現(xiàn)出單一的受拉或受壓狀態(tài)。本文對華光潭一級水電站廠房后邊坡崩坡積層及強(qiáng)卸荷帶巖體錨筋樁軸力進(jìn)行監(jiān)測，將錨筋樁軸力分為3種類型，并對每種類型軸力的影響因素進(jìn)行評價(jià)，探求錨筋樁軸力在坡體空間上的分布特點(diǎn)，以期對類似邊坡工程的防護(hù)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

華光潭一級水電站位于浙江省臨安市分水江干流昌化江上游的巨溪河段，一級水電站廠房位于龍崗鎮(zhèn)蕎麥嶺村對岸［3］。在2007—2008年，先后發(fā)現(xiàn)華光潭一級水電站廠房后邊坡存在嚴(yán)重的變形破壞跡象［3］，如高程250 m馬道發(fā)生局部坍塌、擋墻嚴(yán)重錯(cuò)位以及坡面出現(xiàn)多條裂縫。一系列的宏觀變形特征表明，華光潭一級水電站廠房后邊坡是具有多級后緣滑裂面的古變形體，已存在突出的穩(wěn)定問題，尤其是位于廠房正后方，高程230～314 m的崩坡積層及強(qiáng)卸荷帶巖體，在暴雨和地下水作用下，變形呈現(xiàn)加劇趨勢，穩(wěn)定性不斷惡化，再次演變?yōu)榈刭|(zhì)災(zāi)害的可能性逐漸加大，嚴(yán)重威脅一級水電站廠房安全。因此，對華光潭一級水電站廠房后邊坡高程約230～314 m的崩坡積層及強(qiáng)卸荷帶巖體采用錨筋樁+框架梁應(yīng)急支護(hù)措施。錨筋樁間距2.5 m，長度20 m或25 m，與水平面夾角20°，呈梅花形布置，采用2B25鋼筋，鉆孔直徑70 mm，設(shè)計(jì)抗拔力250 kN。

為進(jìn)一步查清崩坡積層及強(qiáng)卸荷帶巖體的控穩(wěn)因素，監(jiān)控邊坡穩(wěn)定狀況和變形發(fā)展趨勢，在坡體中選取13根錨筋樁累計(jì)安裝19個(gè)應(yīng)變計(jì)，用以監(jiān)測錨筋樁軸力變化。

2 監(jiān)測點(diǎn)的布置及監(jiān)測方法

錨筋樁軸力監(jiān)測點(diǎn)的布置遵循代表性原則、最不利原則、一點(diǎn)多用原則和效益—成本原則［4］，對13根錨筋樁軸力分別采用單測點(diǎn)及雙測點(diǎn)監(jiān)測。其中，單測點(diǎn)埋深16.5 m;雙測點(diǎn)埋深分別為8 m和17 m。軸力監(jiān)測點(diǎn)分布如表1所示。

表1 錨筋樁軸力監(jiān)測點(diǎn)匯總

傳感器選用美國基康公司生產(chǎn)的VK4150型點(diǎn)焊式應(yīng)變計(jì)，通過點(diǎn)焊方式，將傳感器焊接于事先在鋼筋上銑出的安裝平面上，再通過MICRO40自動(dòng)采集儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線監(jiān)測。將觀測數(shù)據(jù)換算成錨筋樁應(yīng)變，再根據(jù)錨筋樁的彈性模量和面積，最終得到錨筋樁的軸力。

3 錨筋樁軸力分布特征

錨筋樁軸力的變化客觀反映了崩坡積層及強(qiáng)卸荷帶巖體的穩(wěn)定性。各錨筋樁所處的環(huán)境、施工條件及施工質(zhì)量的差異均會使錨筋樁軸力呈現(xiàn)出不同的特征。

3.1 拉壓—季節(jié)波動(dòng)型

錨筋樁軸力隨季節(jié)溫度的變化起伏波動(dòng)。這類測點(diǎn)有8個(gè)，占44%，代表性測點(diǎn)有孔深8 m的8Z2，12Z2，13Z2 和孔深 17 m 的8Z1，2Z1，13Z1 等。

水電站廠房后邊坡主軸傾向NE，日照時(shí)間充裕，受日照輻射影響，坡面溫度及錨筋樁內(nèi)部溫度均呈季節(jié)變化，見圖1。與邊坡表面溫度變化不同，錨筋樁內(nèi)部日溫度未呈現(xiàn)出明顯的晝夜變化，但季節(jié)性溫差隨孔深增加而降低，坡面季節(jié)性溫差最大達(dá)26.9℃，孔深8 m處溫差達(dá)到6.5℃，而孔深17 m處溫差僅為2.1℃。顯然，當(dāng)巖體完整性較好，且錨筋樁安裝質(zhì)量良好的情況下，坡面溫度將影響坡體內(nèi)部及錨筋樁內(nèi)部溫度的變化，并對相應(yīng)部位錨筋樁軸力產(chǎn)生一定影響［5］。拉壓—季節(jié)波動(dòng)型軸力隨時(shí)間變化曲線見圖2。

圖1 坡面及錨筋樁內(nèi)部溫度變化

由圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)，孔深8 m處測點(diǎn)軸力與溫度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)性。當(dāng)溫度升高(降低)時(shí)，邊坡淺部巖體和錨筋樁均發(fā)生膨脹(收縮)，由于巖石線膨脹系數(shù)比錨筋樁鋼筋線膨脹系數(shù)要小，巖體未能與錨筋樁同步協(xié)調(diào)變形，則對錨筋樁的溫度變形產(chǎn)生約束作用，導(dǎo)致錨筋樁軸力與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，錨筋樁軸力表現(xiàn)為拉壓—季節(jié)波動(dòng)型。

圖2 拉壓—季節(jié)波動(dòng)型軸力隨時(shí)間變化曲線

孔深17 m處測點(diǎn)由于季節(jié)性溫差較小，溫度變化對深部測點(diǎn)軸力的影響并不顯著。但當(dāng)巖體完整性較好，且錨筋樁安裝質(zhì)量良好時(shí)，錨筋樁淺部的“熱脹冷縮”將帶動(dòng)深部變形［5］，亦會導(dǎo)致深部錨筋樁軸力的季節(jié)性波動(dòng)，見圖2(b)?？梢姡瓑骸竟?jié)波動(dòng)型軸力時(shí)程曲線主要受季節(jié)性溫度控制，但在其他外界因素如暴雨、爆破施工等的誘發(fā)下，邊坡變形加劇，錨筋樁軸力仍有可能發(fā)生突變或增長，呈現(xiàn)波動(dòng)起伏。

3.2 受拉—增長型

邊坡巖土體在降雨、降雪及爆破施工等影響下，發(fā)生向臨空方向的變形，使得錨筋樁被動(dòng)持續(xù)受拉，軸力總體上處于持續(xù)增長狀態(tài)。此類測點(diǎn)7個(gè)，占39%，代表性測點(diǎn)有7Z1，11Z1，11Z2等。其軸力隨時(shí)間變化曲線見圖3。由于測點(diǎn)埋深較大或者巖體破碎，熱傳導(dǎo)系數(shù)很小，溫度影響范圍有限，該類測點(diǎn)并未呈現(xiàn)出受溫度影響的季節(jié)性波動(dòng)。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在外界因素如暴雨、爆破施工等的誘發(fā)下，此類測點(diǎn)軸力總體上處于持續(xù)增長狀態(tài)。在2010年4月以前，由于邊坡表面截排水溝及平洞內(nèi)部排水孔施工尚未完成，受降雨(降雪)及排水平洞爆破施工的雙重影響，軸力以一定速率持續(xù)增長。此后，隨著邊坡表面截排水溝及平洞內(nèi)部排水孔施工的逐步完成，夏季廠區(qū)雖有較大的降雨，但軸力受降雨影響僅產(chǎn)生小幅波動(dòng)。在2010年12月以后，受大規(guī)模降雪影響，錨筋樁軸力發(fā)生突變或持續(xù)增長，但增速明顯小于2010年4月以前。由此可見，降雨(降雪)及爆破施工是影響該類錨筋樁軸力增長的主要因素，且排水設(shè)施施工完成后，與降雨相比，往往大規(guī)模降雪對錨筋樁軸力的增長影響更大，對邊坡穩(wěn)定性危害更嚴(yán)重。這主要是由于大規(guī)模降雪后，短期內(nèi)大部分降雪在邊坡表面堆積，增加了坡體荷載。同時(shí)，一部分積雪融化成水滲入坡體對巖土體和軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生浸泡作用，進(jìn)一步惡化了邊坡的穩(wěn)定狀況。錨筋樁軸力的增長一方面表明降雨及降雪對錨固區(qū)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，錨筋樁所處坡體存在向邊坡臨空方向的變形，使得錨筋樁被動(dòng)受拉;另一方面表明邊坡支護(hù)后，一直處于應(yīng)力調(diào)整階段，錨筋樁支護(hù)措施對錨固區(qū)的穩(wěn)定有良好的效果。

圖3 受拉—增長型軸力隨時(shí)間變化曲線

3.3 受壓—下降型

與前兩者不同，該類測點(diǎn)受季節(jié)性溫度及降雨(雪)外界因素影響很小，錨筋樁軸力總體上呈下降趨勢，表現(xiàn)出受壓—下降型特點(diǎn)。這類測點(diǎn)3個(gè)，占17%，測點(diǎn)為3Z1，6Z1，10Z1。該類測點(diǎn)軸力隨時(shí)間變化曲線見圖4。其主要是由于該類測點(diǎn)所處坡體局部范圍內(nèi)巖體風(fēng)化嚴(yán)重、破碎強(qiáng)烈，邊坡表面溫度無法有效傳遞到邊坡深部。同時(shí)，受錨固區(qū)域陡傾、反傾軟弱結(jié)構(gòu)面的影響，邊坡后緣坡體發(fā)生向臨空方向的位移，導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域軟弱結(jié)構(gòu)面壓縮閉合，邊坡深部巖體向坡外的變形比淺部的大，使得巖體內(nèi)的錨筋樁也處于受壓狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移，坡體傾倒變形仍有可能加劇。當(dāng)錨筋樁軸力曲線發(fā)生突變或急劇下降時(shí)，該類錨筋樁所處坡體的穩(wěn)定性也應(yīng)引起足夠重視。

圖4 受壓—下降型軸力隨時(shí)間變化曲線

監(jiān)測結(jié)果表明，崩坡積層及強(qiáng)卸荷帶巖體錨筋樁軸力主要呈現(xiàn)拉壓—季節(jié)波動(dòng)型及受拉—增長型兩類。錨筋樁軸力在坡體空間上呈現(xiàn)出一定特點(diǎn):不同測點(diǎn)距臨空面水平距離相同時(shí)，高程越低，軸力越大，如高程較低的11Z1，11Z2點(diǎn)軸力分別比高程較高的8Z1，8Z2點(diǎn)大;不同測點(diǎn)高程大致相等時(shí)，距臨空面水平距離越小，軸力越大，如距臨空面水平距離較小的8Z2，13Z2點(diǎn)的軸力分別比距臨空面水平距離較大的8Z1，13Z1 點(diǎn)大。

4 錨固效果

為進(jìn)一步監(jiān)控崩坡積層及強(qiáng)卸荷帶巖體的穩(wěn)定性，同時(shí)驗(yàn)證錨固效果，在高程250 m坡體安裝了水平多點(diǎn)位移計(jì)，用以監(jiān)測坡體向臨空方向的水平位移。監(jiān)測結(jié)果表明，坡體變形主要產(chǎn)生于距臨空面水平距離26～51 m范圍，而距臨空面水平距離0～26 m范圍的水平位移最大不足0.6 mm。顯然，錨筋樁支護(hù)有效抑制了邊坡淺層巖體(包括崩坡積層)的變形，邊坡淺層巖體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。但距臨空面水平距離超過26 m巖體的變形仍有待進(jìn)一步觀測。

5 結(jié)論

1)錨筋樁軸力主要受季節(jié)性溫度、降雨、降雪、施工爆破、軟弱結(jié)構(gòu)面等多重因素影響。在不同的誘發(fā)因素作用下，錨筋樁軸力時(shí)程曲線分別呈現(xiàn)出拉壓—季節(jié)波動(dòng)型、受拉—增長型和受壓—下降型三類，且以前兩類為主。

2)錨筋樁軸力在坡體空間上呈現(xiàn)出一定特點(diǎn):不同測點(diǎn)距臨空面水平距離相同時(shí)，高程越低，軸力越大;不同測點(diǎn)高程大致相等時(shí)，距臨空面水平距離越小，軸力越大。

3)錨筋樁支護(hù)技術(shù)有效抑制了邊坡淺層巖體(包括崩坡積層)變形，但距臨空面水平距離超過26 m巖體的變形仍有待進(jìn)一步觀測。

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