河岸深厚覆蓋層邊坡綜合治理實例分析與設(shè)計

譚 晨

(中國水利水電第五工程局有限公司 科研設(shè)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(jīng)常面臨的問題,尤其是在水電站管轄內(nèi)的邊坡。在邊坡支護(hù)設(shè)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(jīng)常會出現(xiàn)一些技術(shù)問題,若不能及時采取有效的解決措施,將會嚴(yán)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(yīng)對深厚覆蓋層采用“鋼筋掛網(wǎng)噴射混凝土+鋼筋石籠網(wǎng)”相結(jié)合的支護(hù)方案的制定與實際應(yīng)用過程,旨在為相關(guān)設(shè)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(fā)規(guī)劃報告》中的第十個梯級,位于四川省南充市高坪區(qū)青居鎮(zhèn),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(jī)容量為136 MW,單機(jī)容量為34 MW,共安裝4臺貫流式水輪發(fā)電機(jī)組,年發(fā)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(fā)生了近40年來最大的洪水,洪峰流量達(dá)22 000 m3/s。洪水導(dǎo)致青居水電站管轄范圍內(nèi)岸坡及交通道路臨江側(cè)的邊坡發(fā)生破損、垮塌現(xiàn)象。該邊坡現(xiàn)狀見圖1。不僅對道路安全通行的能力造成嚴(yán)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(shè)施的正常功能,需要對青居水電站管轄區(qū)域范圍內(nèi)水毀的公路岸坡進(jìn)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(dān)設(shè)計工作,并于2022年1月29日完成了對項目現(xiàn)場的勘查工作,于2月中旬完成項目的設(shè)計任務(wù),旨在為施工預(yù)留出寶貴的時間,以確保閘壩下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全以及華能嘉陵江公司2022年防洪度汛工作和安全生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。

圖1 邊坡現(xiàn)狀圖

該電站轄區(qū)內(nèi)交通道路臨江側(cè)的邊坡工程區(qū)位于嘉陵江干流青居鎮(zhèn)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(qū)出露的地層為侏羅系遂寧組(J2sn)紫褐色砂質(zhì)黏士巖,巖性不均一,為泥鈣質(zhì)膠結(jié)。

工程區(qū)覆蓋層主要為沖積堆積,可分為兩層:

(1)Q42al分布于現(xiàn)代河床及右漫灘,厚約5～16 m。其上部為灰、灰褐色細(xì)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(xiàn)場勘測到的土體、巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1、2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

表3 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

2 邊坡治理工程設(shè)計

2.1 設(shè)計方案制定的思路

經(jīng)過地質(zhì)勘察及對邊坡斷面進(jìn)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(fā)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(chǎn)生塌孔現(xiàn)象,故在治理方案制定時優(yōu)先選用自進(jìn)式中空注漿錨桿與掛網(wǎng)噴混凝土結(jié)合的方式護(hù)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(wǎng)擋墻進(jìn)行分析對比后最終確定了設(shè)計方案,修復(fù)工程需按照《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL 252-2017[1]達(dá)到20 a一遇的防洪設(shè)計要求。

(1)采用混凝土擋土墻方案。按照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB 50201-2014[2]和《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL 252-2017確定其等級為4級后按照《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》SL 379-2007[3]中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行擋墻抗滑及抗傾覆穩(wěn)定計算后得知:需將混凝土擋墻基礎(chǔ)埋至基巖內(nèi)才能夠滿足抗滑穩(wěn)定驗算要求。若按照混凝土擋墻施工則需要考慮在基礎(chǔ)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(jìn)而增加了基坑排水工程量;而且采用混凝土擋墻開挖基礎(chǔ)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(dǎo)致混凝土用量大,且其擋墻支護(hù)模板以及混凝土的養(yǎng)護(hù)時間亦導(dǎo)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(jìn)行修繕,臨江交通道路將封停一年,而且汛期江水將會導(dǎo)致該邊坡破壞更加嚴(yán)重,待第二年嘉陵江枯期到來再進(jìn)行修繕其費(fèi)用會大大增加。

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

由于鋼筋籠內(nèi)的石塊具有空隙,且因塊石表面粗糙,具有較強(qiáng)的透水性,將其作為公路邊坡的護(hù)腳措施仍存缺限,當(dāng)洪水沖刷以及水流浸泡時間較長時,進(jìn)而背水面將會出現(xiàn)流沙現(xiàn)象,導(dǎo)致因流沙引起的邊坡局部失穩(wěn)。因此,對于這種情況,項目部采用將籠內(nèi)的塊石采用土工布包裹以及將石籠主筋和自進(jìn)式錨桿進(jìn)行焊接、根據(jù)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(xiàn)的流砂現(xiàn)象,而且提高了石籠網(wǎng)的抗沖刷能力和應(yīng)對洪水水流沖刷的能力;該措施加強(qiáng)了邊坡坡腳防沖結(jié)構(gòu)的整體性,確保了整個護(hù)岸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。

2.2 設(shè)計方案

(1)邊坡支護(hù)。將邊坡上部原有邊坡進(jìn)行削坡處理后將松散的浮石和泥渣清除后對坡面縫隙進(jìn)行了封閉處理。根據(jù)地質(zhì)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(jìn)式中空注漿錨桿進(jìn)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(wǎng)噴射混凝土,首先噴5 cm厚的混凝土,然后掛Φ8鋼筋網(wǎng),復(fù)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(shè)置豎向伸縮縫,伸縮縫寬20 mm,縫內(nèi)填硬質(zhì)泡沫板。 邊坡典型斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計情況見圖2。

圖2 邊坡典型斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

(2)鋼筋石籠。對于坡腳的支護(hù)方式采用將新建的鋼筋石籠網(wǎng)相互堆疊在邊坡坡腳處用焊接的方式相連,內(nèi)裹土工布以消除水流對背水面砂石的沖刷,將鋼筋石籠網(wǎng)下部設(shè)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(xiàn)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(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計情況見圖3。

2.3 邊坡穩(wěn)定性計算

按照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB 50201-2014和《堤防工程設(shè)計規(guī)范》GB 50286-2013確定該邊坡的等級為4級[5]。

根據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》NB 35047-2015[6]和《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中的有關(guān)規(guī)定,該工程場地的地震烈度小于Ⅵ級,故不需要進(jìn)行抗震設(shè)計。經(jīng)對計算得出的結(jié)果進(jìn)行分析得知:邊坡在正常使用狀態(tài)下能夠滿足相關(guān)抗滑穩(wěn)定要求。采用Midas GTS NX有限元分析邊坡典型斷面穩(wěn)定系數(shù)的情況見圖4;根據(jù)強(qiáng)度折減法計算出的邊坡穩(wěn)定系數(shù)見表4。

表4 邊坡穩(wěn)定性計算分析結(jié)果表

圖4 Midas GTS NX有限元分析邊坡典型斷面穩(wěn)定系數(shù)示意圖

3 施工工藝與技術(shù)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(jìn)式錨桿安裝→自進(jìn)式錨桿錨固入基巖→錨桿焊接鋼筋石籠網(wǎng)底部→制作鋼筋石籠網(wǎng)→初次噴射混凝土→鋼筋掛網(wǎng)→第二次檢查驗收→復(fù)噴混凝土→噴射混凝土養(yǎng)護(hù)→厚度檢查。

3.2 施工注意事項

(1)噴射混凝土應(yīng)按下列規(guī)定進(jìn)行:

①鋼筋網(wǎng)的鋼筋規(guī)格和質(zhì)量、網(wǎng)格尺寸必須滿足相關(guān)規(guī)范要求。鋼筋使用前應(yīng)進(jìn)行除銹、除污處理。鋼筋網(wǎng)應(yīng)沿開挖面平行鋪設(shè),并應(yīng)與錨桿(或鋼筋)連接牢固。

②噴射混凝土應(yīng)采用分段分片依次作業(yè)的方式,噴射順序為自下而上。當(dāng)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(jìn)行。若終凝1 h后再進(jìn)行噴射,應(yīng)先用風(fēng)、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(jié)良好,鋼筋網(wǎng)混凝土保護(hù)層的厚度應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范及設(shè)計要求。

(2)自進(jìn)式中空錨桿的注漿應(yīng)按下列規(guī)定進(jìn)行:

①自進(jìn)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(nèi)異物堵塞時,應(yīng)及時進(jìn)行清理。

②錨桿鉆至設(shè)計深度后,需要及時用水和高壓風(fēng)清洗鉆孔、直至鉆孔口返水或返氣時方能將鉆機(jī)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(yīng)大于1.0 mm。

(3)鋼筋石籠的安裝應(yīng)按下列規(guī)定進(jìn)行:

①鋼筋籠與自進(jìn)式錨桿焊接時,其交叉點(diǎn)采用焊接連接,鋼筋的彎折一定要滿足相關(guān)規(guī)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(diǎn)都應(yīng)焊接到位,嚴(yán)禁出現(xiàn)漏焊現(xiàn)象。

②對鋼筋籠內(nèi)拋填的塊石要求為:塊石應(yīng)精心擺放,塊石的大小應(yīng)搭配合理,施工時石料應(yīng)有選擇性的分層填筑,籠內(nèi)的填石塊粒徑應(yīng)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(xiàn)同粒徑塊石過分集中或石料架空等施工缺陷,嚴(yán)禁強(qiáng)力拋擲沖擊鋼筋網(wǎng)。

(4)土工布應(yīng)按下列標(biāo)準(zhǔn)選擇:300 g/m2防滲土工布的技術(shù)指標(biāo)為:單位面積質(zhì)量偏差為300 g;斷裂強(qiáng)度為≥15 kN/m;CBR頂破強(qiáng)力為≥2.9 kN;撕破強(qiáng)力為≥0.42 kN, 厚度偏差為≥2.2 mm。

4 結(jié) 語

青居水電站“10·6”洪災(zāi)水毀治理工程交通道路邊坡段由浙江第一水電建設(shè)集團(tuán)股份有限公司承建。根據(jù)設(shè)計方案并結(jié)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(hù)腳的土方開挖,在很大程度上節(jié)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(tǒng)網(wǎng)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(yōu)勢,運(yùn)用該方案可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)“網(wǎng)噴+混凝土擋墻”護(hù)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(wǎng)噴射混凝土加鋼筋石籠網(wǎng)綜合護(hù)坡方式的設(shè)計特點(diǎn)及其在河岸邊深厚覆蓋層邊坡治理中的應(yīng)用,對該方案的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了介紹與分析,希望能對相關(guān)設(shè)計人員提供幫助。