樁基托梁擋墻在庫(kù)區(qū)道路塌岸治理中的應(yīng)用

凡明杰，原學(xué)明

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

水庫(kù)蓄水常常引起一些工程地質(zhì)問(wèn)題， 水庫(kù)塌岸是其中之一。水庫(kù)塌岸是指水庫(kù)蓄水后，由于水位抬高， 庫(kù)岸周邊的坡地受到庫(kù)水的浸泡、 風(fēng)浪的沖擊、水流的侵蝕作用，發(fā)生坍塌的狀況。 塌岸狀況發(fā)生后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，庫(kù)岸會(huì)不斷地坍塌破壞，庫(kù)岸線也逐漸后退，直到達(dá)到新的平衡狀態(tài)為止。這一過(guò)程，稱為水庫(kù)的庫(kù)岸再造。水庫(kù)塌岸也會(huì)引起沿岸地帶的建筑物，如城鎮(zhèn)、鐵路、廠房以及大片的農(nóng)田等遭到破壞，使大量灘地坍失，而且塌下的土石淤積于庫(kù)中，又減少了水庫(kù)的有效庫(kù)容。庫(kù)岸坍塌還會(huì)引起河勢(shì)的改變，特別是對(duì)于蜿蜒型河段，坍塌常常引起主流易位、灘險(xiǎn)變化，常使港口、航道不能正常運(yùn)用，容易造成海事。水流動(dòng)力軸線改變，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，引起下游河道崩塌，改變整個(gè)蜿蜒型河段的河勢(shì)。 由于坍岸具有短時(shí)性、突發(fā)性、劇烈性等特點(diǎn)，難以防范，所以對(duì)庫(kù)區(qū)沿岸的危害特別大。 因而研究及防治水庫(kù)坍岸是一個(gè)具有重要意義的課題［1］。

1 工程概況

黃河中上游某水電站臨水布置有對(duì)外公路，路基設(shè)計(jì)高程高于水電站正常蓄水位高程1 130 m，部分路段臨水路基地層分布有2～10 m 的覆蓋層，水庫(kù)蓄水后，因水位上升，地下水浸潤(rùn)線升高，巖土體力學(xué)參數(shù)大幅降低。當(dāng)庫(kù)水水位驟降時(shí)，堆積體內(nèi)形成動(dòng)水壓力，從而產(chǎn)生逐層塌落即庫(kù)岸再造，容易形成庫(kù)區(qū)道路塌岸。因此需針對(duì)治理路段，提出經(jīng)濟(jì)合理的治理措施，以確保水庫(kù)蓄水后道路安全運(yùn)營(yíng)［2］。

復(fù)建公路等級(jí)為三級(jí)，路基寬7.5 m，路面寬6.5 m，路線長(zhǎng)4.499 km，其中臨水路基K0+558.6～K1+322.5 段，地貌單元為中高山山麓斜坡及沖溝，地層主要為第四系崩坡積小塊石質(zhì)土，厚度約2～8 m，局部厚10～12 m，承載力基本容許值（fa0）為200 kPa。下部基巖巖性為晉寧期斜長(zhǎng)花崗巖，強(qiáng)－中風(fēng)化，強(qiáng)風(fēng)化承載力基本容許值為1000kPa，弱風(fēng)化承載力基本容許值為2 500 kPa。 該段公路巖體局部出現(xiàn)小型崩塌現(xiàn)象， 且覆蓋層為小塊石質(zhì)土， 水下穩(wěn)定坡角為15°，水上穩(wěn)定坡角為35°，強(qiáng)風(fēng)化為Ⅴ級(jí)，中風(fēng)化為Ⅵ級(jí)。

K0+720～K0+900 路段路基下方存在5～15 m 的覆蓋層，現(xiàn)狀穩(wěn)定，垂直性較好，弱膠結(jié)。針對(duì)該段道路路基分別采用卡秋金公式計(jì)算法和兩段圖解法兩種方法計(jì)算塌岸寬度， 取同一段面的較大值作為最終塌岸寬度［3］。 通過(guò)計(jì)算，水電站正常蓄水后存在水庫(kù)塌岸可能，因此，為避免水庫(kù)蓄水后塌岸，需對(duì)該段進(jìn)行處理［4］。

2 水庫(kù)塌岸治理措施比選

2.1 常用水庫(kù)塌岸治理措施

常用的塌岸防治措施有拋石反壓、 設(shè)置樁基托梁擋墻、固結(jié)灌漿、設(shè)置樁板墻等處治方案。

拋石反壓的主要優(yōu)點(diǎn)是施工工藝簡(jiǎn)單、成熟，施工速度快，成本低，安全性好，適應(yīng)性強(qiáng)，與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)； 缺點(diǎn)是對(duì)地形及地基承載力要求高、 占地多、需要大量的土石方、防護(hù)效果差、機(jī)械設(shè)備種類多。 它適用于地形平坦、地基穩(wěn)定的路段。

樁基托梁擋墻的主要優(yōu)點(diǎn)是占地少、工藝簡(jiǎn)單、投入的機(jī)械設(shè)備少、可采用裝配式施工法、外觀效果好、防護(hù)效果好等；缺點(diǎn)是施工速度慢、成本高、安全性差、鋼材用量較多、部分隱蔽工程施工質(zhì)量難以控制。 它適用于覆蓋層較淺、主動(dòng)土壓力較小的路段。

固結(jié)灌漿的主要優(yōu)點(diǎn)是占地少、防護(hù)效果好、施工速度快、 成本低； 缺點(diǎn)是對(duì)技術(shù)人員和地形要求高，屬于隱蔽工程，施工質(zhì)量難以控制，地形陡峻路段易漏漿，有可能對(duì)地下水造成污染，不利于環(huán)境保護(hù)。 它適用于地形平坦、覆蓋層較深、存在大面積水庫(kù)塌岸風(fēng)險(xiǎn)的路段。

樁板墻是以擋土墻支撐邊坡或坡體的穩(wěn)定，防止邊坡滑坍或坡體變形失穩(wěn)的建筑物， 主要適用于依賴擋端支擋作用得以穩(wěn)定的路基，邊坡較陡、坡面巖土性質(zhì)不良的挖方路基或地面橫坡陡峻、 填土不易穩(wěn)定的填方路基。

2.2 水庫(kù)塌岸治理措施的確定

K0+720～K0+900 段路基上部覆蓋層較薄，下部基巖巖性為花崗巖， 路基設(shè)計(jì)高程距離水庫(kù)正常蓄水位5 m 左右， 且水庫(kù)蓄水前具備人工開(kāi)挖樁基條件，具備做樁基托梁擋墻和樁板墻的條件，因此對(duì)這兩個(gè)方案做重點(diǎn)對(duì)比研究［5］。

由表1 可知， 樁基托梁擋墻方案優(yōu)于路肩樁板墻方案，因此決定對(duì)該段采取樁基托梁擋墻方案［6］。

表1 樁板墻和樁基托梁擋墻方案對(duì)比Tab.1 Scheme comparison of pile wall and pile foundation supporting beam retaining wall

3 樁基托梁擋墻穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 整體穩(wěn)定性計(jì)算

為驗(yàn)證樁基托梁擋墻方案是否穩(wěn)定， 采用理正巖土軟件7.0 對(duì)該方案進(jìn)行穩(wěn)定性演算。 托梁上擋墻為5 m 高的衡重式擋墻，托梁寬為2 m，高為1 m，樁為1.5 m×2.0 m 的矩形鋼筋混凝土樁，樁長(zhǎng)為12 m，深入穩(wěn)定中風(fēng)化基巖的長(zhǎng)度為4 m。 樁基托梁擋墻斷面特征如圖1 所示。

圖1 樁基托梁擋墻斷面圖Fig.1 Section drawing of pile foundation supporting beam retaining wall

為了保證路基的整體穩(wěn)定性， 樁基除作衡重式擋土墻承臺(tái)基礎(chǔ)外， 還需保證坍岸路基的整體穩(wěn)定性。計(jì)算程序通過(guò)自動(dòng)搜索最不利滑動(dòng)面，確定最小安全系數(shù)為1.225，所以整體穩(wěn)定。

3.2 托梁外力計(jì)算

樁基間距為6 m，邊跨懸挑長(zhǎng)度為1.5 m。 因此，在進(jìn)行托梁計(jì)算時(shí)，擬定跨徑為9m（1.5m+6 m+1.5 m）的支端懸出的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)， 其尺寸采用1.0 m×2.0 m，樁基設(shè)置于托梁形心位置。 擋墻為5 m 高的衡重式擋墻，根據(jù)擋墻截面形式及材料重度，計(jì)算其荷載，結(jié)果如表2 和表3 所示。

表2 豎向荷載計(jì)算結(jié)果單位：kN/mTab.2 Vertical load calculation results （Unit： kN／m）

表3 水平荷載計(jì)算結(jié)果單位：kN/mTab.3 Horizontal load calculation results （Unit： kN／m）

將以上所有的荷載向托梁底面中心簡(jiǎn)化， 計(jì)算彎矩（順時(shí)針為正）。 經(jīng)計(jì)算，Mn＝－91.944 kN·m。

3.3托梁內(nèi)力計(jì)算

選用1.5 m+6.0 m+1.5 m 跨徑分布的支端懸出的簡(jiǎn)支梁為計(jì)算模型，采用“理正彈性地基梁”計(jì)算彎矩、剪力和配筋情況，結(jié)果如圖2 所示。 通過(guò)計(jì)算可以得出：簡(jiǎn)支梁中部彎矩最大，為1 062.59 kN·m，簡(jiǎn)支梁和樁基接觸處剪力最大，為962.29 kN。

圖2 托梁內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.2 Supporting beam internal force calculation

3.4 樁基受力計(jì)算

3.4.1 外力計(jì)算

由托梁計(jì)算模型可知，支座處的豎向支反力即為樁的豎向荷載。由于兩樁呈對(duì)稱布置，故兩樁外力一致。 樁基外力計(jì)算結(jié)果為：（1）彎矩。 M＝Mn×L／2＝－91.944×9／2＝－413.748 kN·m（公路橫斷面方向逆時(shí)針）。 （2）水平力。 F＝71.155×4.5＝320.196 kN。 （3）豎向力。 N＝267.307×4.5＝1 202.882 kN。

3.4.2 內(nèi)力計(jì)算

選取12 m 及15 m 樁長(zhǎng)（樁端鉸支），采用理正巖土軟件7.0，應(yīng)用m 法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 樁基內(nèi)力計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of pile foundation internal force

4 結(jié)語(yǔ)

樁基托梁擋墻是山區(qū)公路路基常見(jiàn)的支護(hù)形式。黃河中上游某水電站庫(kù)區(qū)在建設(shè)對(duì)外公路時(shí)，易塌岸位置采用樁基托梁擋墻的處理方案。 在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)， 先采用路基設(shè)計(jì)通用軟件理正巖土軟件7.0 計(jì)算樁基和托梁的受力情況， 再進(jìn)行配筋計(jì)算。目前該路已通車多年，庫(kù)區(qū)段道路路基穩(wěn)定，未發(fā)生塌岸情況，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的目的。該工程項(xiàng)目對(duì)水庫(kù)平穩(wěn)運(yùn)行以及庫(kù)區(qū)交通發(fā)揮了應(yīng)有的作用。