石膏山水庫大壩左壩肩高邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)

范志強(qiáng)

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

石膏山水庫地處靈石縣南關(guān)鎮(zhèn)峪口村上游約1.5 km，位于仁義河上游石膏山峽谷出口處。壩型為混凝土重力拱壩，屬小型水庫。目前大壩已基本完成，大壩左壩肩壩頂以上為人工開挖邊坡，坡度70°~80°，最大高度60 m。邊坡后緣存在較寬的裂隙密集帶，頂部裂隙張開寬達(dá)10 cm，邊坡為潛在不穩(wěn)定邊坡，可能對(duì)大壩及公路后期運(yùn)行構(gòu)成威脅，為保證大壩安全，必須對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)。

2 左岸邊坡工程地質(zhì)情況

大壩左岸為較宏厚山體的凸出山梁，凸出部分最大高程1160 m，該山梁在壩頂高程以上，兩側(cè)陡直，山脊狹窄，寬僅70 m，向下游山體逐漸宏厚。左岸邊坡基巖地層為太古界太岳山群石膏山組第二巖組，巖性為灰白色二長混合花崗巖、片麻巖。根據(jù)鉆孔取樣進(jìn)行室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，并在壩下裂隙密集帶處取3組塊石做飽和抗剪斷試驗(yàn)，由試驗(yàn)可知，石膏山組第二巖組巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度49.1～97.0 MPa，飽和變形模量（3.30～6.02）×104MPa，泊松比 0.14～0.22，飽和抗剪斷強(qiáng)度 0.67～4.9 MPa。

3 左壩肩邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算方法

根據(jù)潛在滑動(dòng)面情況，穩(wěn)定計(jì)算采用不平衡推理傳遞法，參考《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，針對(duì)邊坡巖體在不同因素影響下所處的狀態(tài)，分兩種工況進(jìn)行計(jì)算。一種是自然干燥狀態(tài)無靜水壓力和地震因素影響的情況。此時(shí)荷載僅考慮摩擦力、凝聚力及重力下滑分力。另一種是自然干燥狀態(tài)下，有裂隙靜水壓力，但無地震力影響。此時(shí)荷載中除考慮摩擦力、凝聚力及重力下滑分力外，增加靜水壓力作為下滑力，靜水壓力水頭取潛在滑面1/3 h高度。

3.2 參數(shù)選取

邊坡不利結(jié)構(gòu)面的抗剪斷凝聚力c值與抗剪斷摩擦系數(shù)f值參考《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，考慮結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征及貫通情況，緩傾角節(jié)理裂隙面取c=0.2 MPa，f=0.62；片麻理面取 c=0.1 MPa，f=0.55。巖體天然重度根據(jù)巖塊試驗(yàn)取平均值26.6 kN/m3。

左岸邊坡巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育，滲透性較好，且邊坡兩側(cè)臨坡，故不會(huì)產(chǎn)生太大水頭的靜水壓力。但邊坡裂隙張開度具不均勻性，邊坡上部一般裂隙張開度，下部相對(duì)較小，在暴雨條件下，邊坡下部巖體裂隙中水有可能來不及排出，產(chǎn)生一定水頭的靜水壓力。計(jì)算時(shí)水頭取后緣結(jié)構(gòu)面高度的1/3進(jìn)行計(jì)算。邊坡巖體的裂縫系數(shù)η，即每米水平距離上的貫通裂隙系數(shù)，計(jì)算時(shí)考慮邊坡實(shí)際情況，按每5 m有一條貫通裂隙考慮，取0.58。

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k標(biāo)準(zhǔn)取值，正常運(yùn)用條件下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.15~1.2?？紤]到邊坡失穩(wěn)后對(duì)大壩危害程度嚴(yán)重，本工程安全系數(shù)取1.2。

自然干燥狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 自然干燥狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

自然干燥狀態(tài)+靜水壓力狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 自然干燥狀態(tài)+靜水壓力邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)上述兩種工況穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，邊坡安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。結(jié)合工程實(shí)際，取靜水壓力達(dá)到滑面1/3高度時(shí)，計(jì)算確定需提供3500 kN/m阻滑力邊坡安全系數(shù)可滿足規(guī)范要求。

4 預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)

大壩左岸巖石邊坡開挖面距山體裂隙破碎帶垂直距離約22 m，根據(jù)實(shí)際情況，采用壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索方案。

4.1 錨索計(jì)算

根據(jù)錨索需提供的阻滑力3500 kN/m計(jì)算錨固力，計(jì)算得設(shè)計(jì)錨固力為3420 kN/m。預(yù)應(yīng)力錨索間距宜采用3~6 m。根據(jù)左岸邊坡開挖平面、立面及工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)錨索間排距均采用3 m。

根據(jù)地質(zhì)剖面及工程實(shí)際情況，洞頂以上最大開挖斷面邊坡長度41 m，可布設(shè)14排，則每孔錨索設(shè)計(jì)錨固力為733 kN，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，每孔錨索設(shè)計(jì)錨固力取750 kN。

錨索鋼絞線采用15.2 mm、抗拉強(qiáng)度1860 MPa，每根極限張拉荷載259 kN，計(jì)算得每孔錨索根數(shù)為5.21根，設(shè)計(jì)采用6根。

錨索錨固段主要包括灌漿材料、孔徑及錨固段長度。根據(jù)工程實(shí)際情況，灌漿材料采用純水泥漿，灌漿體抗壓強(qiáng)度35 MPa。錨孔直徑根據(jù)錨索直徑及根數(shù)并考慮砂漿體的空間來確定，4~8束根鋼絞線的錨索，錨孔孔徑90~130 mm，因此錨孔直徑確定為130 mm。根據(jù)錨固體與孔壁的抗剪強(qiáng)度計(jì)算錨固段長度，計(jì)算得錨固段長度為3.83 m。承載體個(gè)數(shù)初定3個(gè)，則每個(gè)承載體分擔(dān)的設(shè)計(jì)錨固力為250 kN。計(jì)算得注漿體抗壓強(qiáng)度為33.92 kPa，小于35 MPa水泥漿極限抗壓強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。壓力分散型錨索承載體分布間距通常在3~7 m中選取。根據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合錨固長度范圍，考慮破碎帶的局部變化，錨固段長度確定為9.0 m。

4.2 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錨索由錨固段、自由段和緊固頭三部分組成。錨固段總長9.0 m，分三段，每隔3 m設(shè)一承載體。無黏結(jié)鋼絞線繞承載體彎曲成“U”字型，并與承載體捆綁構(gòu)成單元錨索。灌漿后錨索居中，四周為純水泥漿。自由段為錨索穿過被加固巖土體的段落。自由段錨索應(yīng)伸入潛在滑動(dòng)面以下1 m的穩(wěn)定巖層內(nèi)，平均長度29 m。自由段每隔2 m設(shè)一道架線環(huán)，以保證鋼絞線順直。緊固頭由部分鋼絞線、承壓鋼墊板、錨具、墊墩組成。承壓鋼墊板尺寸250 mm×250 mm，厚20 mm，承壓鋼墊板內(nèi)嵌于墊墩里。墊墩C30混凝土上部尺寸450 mm×450 mm，四周采用1∶0.5邊坡與錨固面銜接，最小高度不低于250 mm。錨索鎖定后采用C30混凝土封頭，混凝土覆蓋層厚度250 mm。根據(jù)地質(zhì)提供左岸邊坡巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度49.1～97.0 MPa，每孔錨索設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力750 kN，巖石抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，可不設(shè)地梁。

5 結(jié)論

根據(jù)左岸邊坡地質(zhì)情況及計(jì)算結(jié)果，錨索采用壓力分散型錨索，鉆孔直徑130 mm，錨固段長度9.0 m，自由段平均長度29 m，每孔錨索由6束鋼絞線組成，每孔錨索設(shè)計(jì)錨固力750 kN。錨索鋼絞直徑15.2 mm、抗拉強(qiáng)度1860 MPa，極限張拉荷載259 kN。灌漿材料采用35 MPa純水泥漿。墊墩及封頭采用C30混凝土。錨索間排距3 m×3 m，根據(jù)實(shí)測地形圖及工程實(shí)際情況，左岸邊坡開挖面共布設(shè)200孔壓力分散型錨索。