锚杆边墙在重阳水库溢洪道中的应用

任泽垠 陈维康

(南阳市水利建筑勘测设计院 河南南阳 473003)

1 重阳水库项目概况

西峡县重阳水库位于丹江水系老灌河支流丁河上游奎岭河上,坝址在西峡县城西 30km的重阳乡黄楝树岗,是一座以防洪、灌溉为主,兼顾发电、养鱼的中型水库。水库控制流域面积 80.5km2,主河道长 21km。该水库于 1958年冬动工兴建,1979年 12月基本建成,1980年 9月竣工验收。该水库2000年一遇校核洪水位 379.20m,总库容 3300万m3,100年一遇设计洪水位 377.12m,相应库容2828万 m3,兴利水位 373.60m,兴利库容 1980万m3,死水位 354m,死库容 160万 m3。

水库大坝坝型为黏土心墙砂壳坝,坝顶设计高程为 380.70m(吴淞口高程系,下同),顶宽6.0m,坝顶长 573m,最大坝高 37.7m。截水槽长550m,底宽 6m,边坡 1∶0.5,心墙顶高程380.00m,顶宽 2m,最大底宽73m,心墙长 570m,心墙与岸坡岩石接触处开挖有结合槽,在黏土心墙之外,上游有一部分代料,在代料上填筑砂壳。

溢洪道工程位于水库大坝右侧,原设计底宽50m,底高程 373.6m,宽顶堰,现状底宽最窄处为 46m,底高程 374.1m。溢洪道工程处于砂岩、砾岩、页岩强风化地层,未砌护,无消能工,无尾水渠;左岸山体不稳出现滑坡,一旦泄洪,溢洪道很容易被冲刷拉切,同时滑坡体可能堵塞溢洪道,危及大坝安全。

输泄水洞位于大坝左端桩号 0+060处,由泄洪、输水 (发电灌溉)联合涵闸建筑物组成。

水库存在许多安全隐患,如水库抗洪安全性低,左坝肩绕渗,溢洪道地质条件差,无护砌,无消能工,无尾水渠,溢洪道承泄河道芦沟河过流能力严重不足,一旦泄洪将危及两岸村庄、学校等。根据重阳水库洪水风险图,如遇 500年一遇洪水主坝溃决后,淹没面积 60km2,其中耕地面积 2.6万亩,影响到老灌河沿线的西峡县城及四个乡镇、淅川县城及三个乡镇共 40多个村庄 12万人,危及312国道、宁西铁路、欧亚光缆、沪新光缆等重要交通及通讯干线的安全。

2 工程存在的主要问题

2.1 溢洪道存在的主要问题

溢洪道顶部高程及底宽均达不到设计尺寸,地质现状为白垩系中统砂岩、砾岩、页岩,抗冲性能差,尤其左岸山体存在多层软弱夹层,局部已出现崩塌滑坡。同时溢洪道未砌护,出口无消能工,无尾水渠,出口与下游河道高差 23m多,而且下游尾水渠利用丁河另一支流芦沟河,未做任何防护工程。

2.2 施工开挖存在的主要问题

溢洪道位于大坝右侧,为两山夹一凹,现状底部高程 374.1m,宽度 46m,两岸山体陡峭,山顶高程均在 426.00m以上,芦沟河河底高程 350.1m,山顶距现状溢洪道底 50m,距芦沟河河底 70m,溢洪道水平方向长 110m,若根据上述条件设计溢洪道边墙宽度,施工时还要考虑立模空间和作业空间,以及稳定的山体边坡 1∶1.25,这样估算山体石方开挖量约 1.5万 m3,石方开挖运输按 35元/m3计,该部分投资 52.5万元。工程量较大,投资较高,而且在水库除险加固中国家投资已经确定,追加投资已可能性很小。因此,如何优化溢洪道边墙设计,节省溢洪道边墙工程量,同时更重要的是节省山体石方开挖量,具有十分重要的意义。

3 溢洪道工程设计

溢洪道位于水库大坝右侧,开挖于强风化砂砾岩、砂质页岩上,抗冲能力很差,根据工程地形情况及溢洪道短、落差大等特点,新建溢洪道采用开敞式 WES型实用堰,宽 45m,堰顶高程与兴利水位相同为 373.60m,堰前为进水渠,堰后为泄槽、挑流鼻坎和护坦。溢洪道泄洪采用挑流消能,洪水泄入芦沟河,芦沟河相应段做防护工程,溢洪道上部山体滑坡做开挖削坡、卸荷处理。

进水渠:采用 0.4m厚的 C20钢筋混凝土护底,进口两侧采用规则的扭曲面与两岸山坡连接,平顺水流。

控制段:为 WES型实用堰,堰面曲线采用标准剖面曲线方程,上游曲线采用三圆弧连接,下游设反弧与泄槽底板相连,堰体为实体堰,堰体内用浆砌石,外侧用 C20钢筋混凝土。

泄槽、挑流鼻坎和护坦:泄槽底板为 40cm厚的 C20钢筋混凝土,板下设 C10混凝土垫层和纵横排水沟;挑流鼻坎采用差动式 C30钢筋混凝土结构;护坦采用铅丝笼抛石。

边墙:进水渠和泄槽边墙均采用 C15混凝土重力式挡土墙,挡土墙背坡 1∶0.5,墙顶宽 0.5m,墙高 5.1～9.5m,挡土墙基底宽 3.35～5.01m。通过结构计算,其抗滑稳定、抗倾稳定和基底应力满足设计要求。

4 溢洪道边墙设计方案比较

针对溢洪道的地质构造和地层岩性,结合溢洪道本次施工开挖后的实际地形,本次泄槽和挑流鼻坎段边墙设计考虑增加岩石锚杆挡土墙设计方案,与原设计的 “混凝土重力式挡土墙”方案进行方案比选。

第一方案 C15混凝土重力式挡土墙:采用 C15混凝土重力式挡土墙,墙顶宽 0.5m,墙背坡度1∶0.5,墙底宽 5.01～1.80m,墙高 9.41～3.0m。该方案主要工程量与建筑工程投资见表 1。

表 1 重力式混凝土挡土墙方案建筑工程投资

第二方案岩石锚杆挡土墙:采用 80cm厚 C20钢筋混凝土直立壁板式锚杆挡墙。墙面板为整块钢筋混凝土板,采用就地浇筑,采用等厚截面,厚80cm。锚杆采用普通灌浆锚杆,岩石锚杆钻孔直径为 55mm,杆体为直径 25mm精轧螺纹钢筋,锚固区设置在主动区压力楔形破裂面以外,有效锚固长度三排布置时至少保证 5m、两排布置时至少保证 4m,且尽量避开软质页岩。锚杆水平间距为1.5m,垂直间距为 2.0～2.5m。当锚杆三排布置时,锚杆向下倾斜与水平面夹角自上而下分别为20°、18°、15°;当锚杆两排布置时,锚杆向下倾斜与水平面夹角自上而下分别为 20°、15°。该方案主要工程量与建筑工程投资见表 2。

表2 锚杆挡土墙方案建筑工程投资

针对这两个方案,从施工技术方面比较,第一方案采用C15混凝土重力式挡土墙,施工方法简单,便于施工。挡土墙稳定性好,实践经验丰富,安全可靠度高;但混凝土用量较大,石方开挖和回填量也较大。第二方案锚杆施工机械及设备的作业空间不大,可以节省混凝土用量,可以减少石方开挖和回填量;施工方法简单,便于施工。但钢材用量较大,而且锚杆挡土墙是新技术。从投资上比较,第二方案投资较少。

5 锚杆直立边墙研究和设计

5.1 锚杆边墙设计布置

采用 80cm厚 C20钢筋混凝土直立壁板式锚杆挡墙,锚杆端头直接插入混凝土面板中,与壁面板一起浇筑,插入长度保证在 75cm以上并与壁面板外层钢筋焊接在一起。墙面板为整块钢筋混凝土板,采用就地浇筑,采用等厚度 80cm。锚杆采用普通灌浆锚杆,岩石锚杆钻孔直径为 55mm,杆体为直径 25mm精轧螺纹钢筋,锚固区设置在主动区压力楔形破裂面以外,有效锚固长度三排布置时至少保证 5m、两排布置时至少保证 4m,且尽量避开软质页岩。锚杆水平间距为 1.5m,垂直间距为 2.0～2.5m。当锚杆三排布置时,锚杆向下倾斜与水平面夹角自上而下分别为 20°、18°、15°;当锚杆两排布置时,锚杆向下倾斜与水平面夹角自上而下分别为 20°、15°。锚杆有效锚固段在钻孔内采用直径32mm×250mm水泥基锚固剂保护,非锚固段在涂防锈漆后用被热沥青浸透的玻璃纤维布两层包扎。

5.2 锚杆的极限抗拔能力计算

溢洪道泄槽边墙处岩性为砂砾岩和页岩,锚杆的极限抗拔能力取决于锚固段地层对于锚固段砂浆所能产生的最大摩阻力。

(1)锚杆的极限抗拔能力:

式中:Tu为锚杆的极限抗拔能力,kN;D为锚杆钻孔的直径,m;Le为锚杆的有效锚固长度,m;τ为锚固段周边的抗剪强度,kPa。

(2)锚杆承载力计算应符合下式规定:

式中:Td为锚杆水平拉力设计值,kN;Nu为锚杆轴向受拉承载力设计值,kN;θ为锚杆与水平面的倾角,(°)。

5.3 锚杆的截面和长度计算

(1)锚杆杆体的截面面积:

式中:As为钢筋杆截面面积;fy为钢筋抗拉强度设计值。

锚杆钢筋直径除满足强度需要外,尚需增加2mm防锈安全储备。经计算,采用直径 25mm精轧螺纹钢作为锚杆钢筋。

(2)岩石锚杆锚固段长度应按锚杆抗拉拔试验确定,初步设计时可按下列两式估算,取其中较大值:

式中:k为抗力分项系数,取 2.0;Nu为锚杆轴向受拉承载力设计值,kN;q为钢筋与浆体之间的黏结强度标准值,取 2800kPa;D为锚杆钻孔的直径,m;Le为锚杆的有效锚固长度,m;τ为锚固段周边的抗剪强度,kPa。

锚杆有效锚固长度除满足抗拔稳定性要求外,还应控制锚杆最小长度,即岩层Le≥4m。经计算,锚杆有效锚固长度三排布置时为5m,两排布置时为 4m。

5.4 锚杆的稳定性分析

当采用两层或两层以上锚杆时,应做各种组合的稳定性验算,即不但应分别验算各单层锚杆的稳定性,而且还应分别验算两层、三层锚杆组合情况下的稳定性。锚杆的稳定性用锚杆拉力的稳定系数K来反映,采用克兰茨代替法进行计算:

式中:Td为锚杆水平拉力设计值,kN;Th为根据破裂体上力的平衡得到岩体滑动时的极限水平抗拔力,kN;K为锚杆拉力的稳定系数。

经计算,Kmin=1.62＞1.5,锚杆稳定。

5.5 锚杆挡墙的稳定性

经过验算,挡土墙的抗滑稳定、抗倾稳定和地基承载力,均满足要求。

6 施工及应用情况

溢洪道边墙原设计为重力式混凝土挡土墙,通过试验研究、设计优化后改为锚杆直立面板边墙,节约了混凝土的工程量,减少了两侧山体大量的石方开挖,施工便利,缩短了工期,节约了资金,特别是能够在全强风化的砂砾岩和页岩遇水软化、强度降低、失去岩石性质这种条件下成功运用,不但解决了重阳水库的病险问题,而且也给工程带来了显著的经济效益、社会效益和环境效益。

重阳水库溢洪道锚杆边墙工程自 2003年 7月初开始施工至7月底完工,经过 2004年以来 5个汛期的运行,未发现任何异常。通过观测和检查,溢洪道锚杆边墙未发现有倾斜、裂缝、位移等问题,运行情况良好,达到了试验研究和设计的要求。

7 结语

白垩系中统砂岩、砾岩、页岩,强风化,并存在多层软弱夹层,遇水极易软化,强度降低,干后自行崩解呈碎片,容易出现滑坡、坍塌,钻孔灌浆后的单根锚杆抗拔力达到 147.0～193.1kN,在此较差的岩石中做锚杆抗拉拔实验研究应用是成功的。

重阳水库溢洪道采用灌浆锚杆直立面板挡墙,锚固区设置在主动区压力楔形破裂面以外是科学的,在同类工程中具有广泛的推广应用性。