格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)在水利工程邊坡治理中的應(yīng)用

王 乾

(廣州利源工程咨詢有限公司,廣州 510000)

隨著水利水電、礦山、鐵路、公路、城市建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展,在邊坡治理中,支擋加固技術(shù)越來(lái)越受到世界各國(guó)的關(guān)注。當(dāng)前,我國(guó)的支擋加固技術(shù)向小型化、輕型化、復(fù)合型、機(jī)械化施工方向發(fā)展,格構(gòu)錨固技術(shù)正是順應(yīng)了這種潮流,并將護(hù)坡與支擋相結(jié)合。格構(gòu)錨固是一種行之有效的邊坡防護(hù)技術(shù),目前已經(jīng)引起非常廣泛的重視隨著我國(guó)基建投資的增加,公路、水利等領(lǐng)域?qū)?huì)出現(xiàn)大量的邊坡,這就給邊坡的治理技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1]。近幾年來(lái),在高邊坡、水利水電邊坡、工業(yè)和民用建筑等領(lǐng)域,對(duì)其進(jìn)行了深入的理論分析和設(shè)計(jì)研究。

1 工程概況

廣州健康產(chǎn)業(yè)城(醫(yī)藥研發(fā)片區(qū))河涌整治一期工程(第一期)位于廣州市白云區(qū)鐘落潭鎮(zhèn),主要建設(shè)內(nèi)容是對(duì)馬洞坑樁號(hào)馬k1+800-樁號(hào)k2+260河涌?jī)砂豆灿?jì)460m按控規(guī)進(jìn)行整治,馬洞坑樁號(hào)馬k1+780-馬k1+800及馬k2+260-馬k2+360共計(jì)120m河涌采用漸變式C30懸臂鋼筋混凝土擋土墻護(hù)岸和上下游現(xiàn)狀河涌平順連接;對(duì)茅崗河樁號(hào)茅k0+000-茅k0+720共計(jì)720m河涌左岸按控規(guī)進(jìn)行整治,茅k0+000-茅k0+720段河涌右岸為放坡開(kāi)挖,采用格構(gòu)式護(hù)坡形式,形成臨時(shí)渠道;新建抽水站一座,泵房長(zhǎng)寬為4m×4m,新建灌溉渠道。

2 格構(gòu)錨固的種類與概念

格構(gòu)式錨固是一種由格構(gòu)梁與錨固結(jié)合而形成的新型防滑支擋結(jié)構(gòu)。在坡面上,采取了漿砌塊石、現(xiàn)澆鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土格構(gòu)梁等多種保護(hù)措施,同時(shí),由于梁體與斜坡的接觸面積比較大,在邊坡穩(wěn)定性分析中,采用錨桿或錨索結(jié)合進(jìn)行邊坡加固是一種行之有效的方法[2]。在實(shí)際工程應(yīng)用中,預(yù)應(yīng)力錨索網(wǎng)架的主要結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

圖1 格構(gòu)示意圖

格構(gòu)的作用是將剩余的巖壓力或下滑力或土壓力分布于格構(gòu)結(jié)點(diǎn)的錨索或錨桿上,用錨桿(索)將其再送至穩(wěn)定的地層,由此,邊坡在錨固力的作用下保持穩(wěn)定。因此,從格構(gòu)本身來(lái)說(shuō),它只是一種傳遞力量的結(jié)構(gòu),它的抗滑力主要來(lái)自于格構(gòu)節(jié)點(diǎn)上的錨桿和錨索。通常所提到的格構(gòu)加固技術(shù),分為兩種類型:格構(gòu)自身和錨桿(索)[3]。此外,格構(gòu)錨固還可以和其它的綠色保護(hù)措施相結(jié)合,如在框架中種植雜草,起到了穩(wěn)定邊坡和美化邊坡環(huán)境的作用,因此,格構(gòu)錨固是一種廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式,具有廣闊應(yīng)用前景的防滑護(hù)坡系統(tǒng)[4]。我國(guó)在邊坡工程中,按所選擇的材料,多采取漿砌塊式和現(xiàn)澆鋼筋混凝土格構(gòu)。一般有4種:方型、菱型、人型、弧型。為了確保安全,一般采用長(zhǎng)方形的橫梁,而且至少要有2/3的橫梁要埋入地下。

漿砌塊石格錨固是以漿砌塊為基礎(chǔ),采用錨桿進(jìn)行錨固,這樣才能使表面得到加強(qiáng),水泥砂漿的抗彎性很差,不能承載其本身的重量,但具有良好的抗壓能力,尤其適合于坡面前緣較小、整體穩(wěn)定性良好的邊坡?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土錨固結(jié)構(gòu)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土格構(gòu)梁,其錨桿(索)在滑行時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻力。鋼筋混凝土梁抗彎、抗壓性能均優(yōu)于漿砌塊,其整體剛度明顯改善,適合于整體穩(wěn)定,在前方發(fā)生溜滑、崩滑、或較大坡度的邊坡整治,得到了較為廣泛的應(yīng)用。

3 工程實(shí)踐

3.1 設(shè)計(jì)原則

該項(xiàng)目在施工期間,邊坡最大高度差達(dá)30m,造成的損害非常嚴(yán)重。經(jīng)鑒定,該結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為第二級(jí),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境、邊坡穩(wěn)定性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件等因素,對(duì)邊坡進(jìn)行了分析,采取技術(shù)可靠、施工簡(jiǎn)單、投資小的控制措施,為了消除危險(xiǎn),根據(jù)永久邊坡的形式進(jìn)行了設(shè)計(jì),下面是一些基礎(chǔ)原理:

1)及時(shí)、經(jīng)濟(jì)、合理的治理措施,可改善地質(zhì)環(huán)境,努力與周圍自然環(huán)境彼此交融,彼此配合。

2)為保證邊坡的安全、地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生、坡腳和人身安全,都起到了重要的作用。

3)在進(jìn)行邊坡整治前,必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施,以防止在施工中發(fā)生二次事故,即使出現(xiàn)巖體松動(dòng)或者是滑坡等情況,同時(shí),要采取有效的保護(hù)措施,將其限制在一定的范圍之內(nèi)。

4)從安全角度出發(fā),對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化,減少了管理費(fèi)用。

3.2 設(shè)計(jì)方案

依據(jù)以上設(shè)計(jì)原理,結(jié)合工程實(shí)際,提出了以下幾種支護(hù)方案:

利用分段削坡技術(shù)建立了一階臺(tái)階,在主要裂縫附近,上部邊坡削坡線基本上是沿主裂面切去的,坡度為1∶1; 根據(jù)坡腳用地紅線規(guī)劃,采用1∶0.75～1∶1.5的坡度控制下斜坡的坡度。待削坡完成后,由于覆蓋和全強(qiáng)風(fēng)化作用,上部邊坡的厚度比較大,采用錨桿(錨索)結(jié)合網(wǎng)架支撐,錨索間距為6m,垂直方向?yàn)?m,錨桿垂直方向?yàn)?m。并在格構(gòu)梁結(jié)點(diǎn)上設(shè)置了錨桿和錨索。下層斜坡主要是風(fēng)化的基巖,系統(tǒng)地錨固采用了鋼筋錨固法。坡頂達(dá)分水嶺或匯水區(qū)域不大,故不設(shè)截流渠。在平臺(tái)和坡底設(shè)置排水溝,并與斜坡上的縱溝相連,匯集的雨水經(jīng)過(guò)集中后,統(tǒng)一排入下水道。在邊坡支護(hù)完成后,進(jìn)行綠化,以美化邊坡,恢復(fù)破壞的生態(tài)環(huán)境。采用噴混植生技術(shù)對(duì)斜坡進(jìn)行復(fù)綠,坡底設(shè)置低矮的漿砌石擋墻,在斜坡后進(jìn)行回填土和栽植灌叢。

3.3 主要的建造規(guī)范和需求

3.3.1 預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)的受力分析

在邊坡巖土中,預(yù)應(yīng)力錨索的格構(gòu)受下列力的影響,如圖2所示。

圖2 錨索格構(gòu)受力示意圖

1)錨索拉力pt:根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索的工作原理,將錨索上的拉力首先通過(guò)錨固的預(yù)應(yīng)力作用,使其在邊坡體內(nèi)的巖體中得到足夠的拉力,從而達(dá)到防止邊坡變形的目的。

2)巖土體對(duì)格構(gòu)梁的地基反力q(x):在邊坡變形與錨索約束共同作用下,引起了邊坡的地基反力,并與邊坡土相互作用?；A(chǔ)反力是格構(gòu)梁受力的一種反力,它沿著縱梁、橫梁、與格構(gòu)底部垂直,其分布形式和數(shù)值大小與錨索拉力、格構(gòu)剛度以及邊坡巖土的關(guān)系密切。

3)格構(gòu)與坡面巖土體間的摩擦力f(x):摩擦力f(x)是錨索格構(gòu)和邊坡巖土體之間的相對(duì)移動(dòng)傾向而同時(shí)發(fā)生,該力和q(x)同時(shí)生成、存在,平行于框架梁梁底。根據(jù)邊坡角度和錨索的實(shí)際張力值,這種作用力可以指向坡頂或坡底。

4)格構(gòu)的自重W:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本身的自重,垂直向下,相對(duì)于其他作用于結(jié)構(gòu)的外力,其數(shù)值一般很小,通?？梢院雎?。

5)地面對(duì)格構(gòu)結(jié)構(gòu)的支承力H:這種作用力對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的影響較為復(fù)雜,其數(shù)值的大小和分布不僅取決于上述各方面的作用力,還與邊坡的變形規(guī)律密切相關(guān)。如果邊坡上部的變形比下側(cè)大,等于邊坡在斜坡腳下旋轉(zhuǎn),那么這個(gè)作用點(diǎn)的作用點(diǎn)就是支撐點(diǎn),它的作用值就會(huì)更高。在邊坡上部的變形比下部小的情況下,如果不是在斜坡的底部,或者在斜坡中埋深較少,那么這種作用力的大小將會(huì)很小,甚至是零。由于這種作用力的變化很大,所以在進(jìn)行格構(gòu)的內(nèi)力分析時(shí),通常忽略了這種作用力的影響,但是這種作用力對(duì)框架自身的穩(wěn)定起著很大的作用。

3.3.2 削坡

1)削坡的施工必須由上而下,分段進(jìn)行,禁止一般大斷面的開(kāi)挖。在滑坡的推動(dòng)力區(qū)內(nèi),不能隨意堆放挖掘出的廢渣,避免滑坡,導(dǎo)致新的崩塌。

2)斜坡開(kāi)挖采用機(jī)械法,一般不適宜于常規(guī)爆破,坡度符合設(shè)計(jì)要求。

3)在建筑工地設(shè)置警告標(biāo)志,疏散受影響區(qū)域的人員。

4)為了保證工程的安全,必須加強(qiáng)對(duì)削坡的監(jiān)控。

3.3.3 鋼筋錨桿

1)鋼筋錨桿采用為Φ25mmⅢ級(jí)螺紋鋼筋,6.5mm鋼筋對(duì)中支撐,鉆孔90mm,為全黏性錨固,傾斜角度20°,立面間距2m×2m。

2)錨桿孔間距允許偏差為±100mm,孔傾斜為±5%,超過(guò)設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度≥0.5m。在安裝錨桿之前,必須將鉆孔內(nèi)的石粉、積水等雜物清理干凈;鋼筋應(yīng)除繡、調(diào)直,每隔1.5m設(shè)置一對(duì)中間支撐,以保證柱身水泥夾層的厚度。

3)注漿材料為M30型水泥砂漿,按比例測(cè)定,灌漿壓力在0.3～0.5MPa之間;注漿用42.5R強(qiáng)度的普通硅酸鹽水泥。

4)在工程建設(shè)中,必須在上坡處的錨桿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%,采取自頂向下的施工方式。

3.3.4 預(yù)應(yīng)力錨索

1)用錨索鉆出直徑137mm的錨繩,用鉆機(jī)鉆,再用空機(jī)清除。

2)預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)20m,錨固段長(zhǎng)度8m,設(shè)計(jì)載荷1000N。

3)纜繩向下傾斜20°,由6條φ15.2mm的鋼絲繩構(gòu)成,灌漿材料為M30水泥砂漿,灌漿材料為0.4MPa,通過(guò)試驗(yàn)確定了配比,鉆孔應(yīng)滿足設(shè)計(jì)的要求,傾斜角度≤1°。

4)鉆孔深度應(yīng)與設(shè)計(jì)深度相適應(yīng),傾角不能超過(guò)1°,錨索應(yīng)涂一層防銹漆,并用波紋管保護(hù)。在安裝錨索時(shí),采用對(duì)中的支座,每隔1m布置一對(duì)中支架。

5)錨索灌漿分為兩個(gè)階段,首先是錨固期,其次是張拉后的防腐蝕灌漿。

6)預(yù)應(yīng)力錨索采用二次張拉法,首次張拉為設(shè)計(jì)荷載的50%,每次張拉后再進(jìn)行二次張拉。在張拉階段,張拉荷載是設(shè)計(jì)應(yīng)力的25%,50%,75%,100%,在每一階段的載荷作用下,每一階段的應(yīng)力都要達(dá)到設(shè)計(jì)應(yīng)力的110%,并且在30min之內(nèi)完成。

7)張拉后,采用鋼筋混凝土再對(duì)其進(jìn)行加固處理。

3.3.5 鋼筋混凝土格構(gòu)

1)格構(gòu)大小為40cm(寬)×40cm(高)。

2)每10～20m處布置一條可伸縮縫,寬度為2～3cm,然后用瀝青麻筋或其它有彈性的防水材料填充。

3)該格構(gòu)梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25,鋼筋混凝土防護(hù)層為50mm。

4)格構(gòu)梁被埋在巖石中30cm處。

5)格構(gòu)梁混凝土應(yīng)采取現(xiàn)澆施工,注意噴淋施工,以確保其強(qiáng)度與質(zhì)量。為減少施工困難,加速施工,必須合理安排豎向傳送模式及工作臺(tái),鋼筋混凝土格構(gòu)梁的施工工藝的順序?yàn)? 測(cè)線、挖梁、鋼筋制安、錨桿頭制安、支模、梁槽內(nèi)澆筑混凝土、拆卸、維護(hù)。

4 格構(gòu)梁內(nèi)力分析

4.1 倒梁法

1)剛性倒梁法

按照《建筑地基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,在較為均勻的基礎(chǔ)上,上部結(jié)構(gòu)的剛度較好,載荷分布也較均勻,在條形梁高度不低于柱距的六分之一的情況下,可以采用線性分布的方法來(lái)計(jì)算地基反力,條形梁的內(nèi)力可以用連續(xù)梁來(lái)計(jì)算。在假定格梁為絕對(duì)剛度的情況下,梁基底的反作用力是線性的。

在不考慮梁與巖土相互作用的情況下,僅需計(jì)算出梁底端的基礎(chǔ)反力集,確定地基反作用力的分布情況。當(dāng)外力被充分地確定后,就可以決定梁的任何部分的內(nèi)力。

在地基反力確定后采用靜平衡法進(jìn)行格梁內(nèi)力的計(jì)算。很明顯,剛性梁法無(wú)法將梁的基礎(chǔ)特性及彎曲剛度等因素考慮在內(nèi),在此基礎(chǔ)上,可以忽略地基與梁體之間的相互作用,而內(nèi)力僅與荷載的大小及位置相關(guān)。只適合于較硬的地層和較大的梁彎曲剛度。

4.2 文克爾彈性地基梁法

文克爾假設(shè):地基面任何一處的下沉量都與這一點(diǎn)上單位面積所承受的壓力相關(guān)。這個(gè)假說(shuō)將地基比作了剛性底座上的彈簧,由于考慮了梁體自身的彈性和地基的彈性變形,克服了反力線性分布的缺陷。

5 結(jié) 語(yǔ)

總之,錨格構(gòu)固結(jié)構(gòu)是近幾年在邊坡支擋、滑坡防治中廣泛采用的一種主動(dòng)防護(hù)結(jié)構(gòu),它是一種以錨桿(索)與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組合而成的結(jié)構(gòu)形式,能夠最大限度地發(fā)揮其本身的潛能,起到很好的支撐效果,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量輕,材料節(jié)約,坡面綠化方便,技術(shù)上具有很高的實(shí)用價(jià)值,值得推廣。