抗剪桩在拱坝除险加固中的应用

杨正猛，杨浩秋，阳 炎

(贵州省黔东南州水利电力勘察设计院，贵州 凯里 556000)

抗剪桩在拱坝除险加固中的应用

杨正猛，杨浩秋，阳 炎

(贵州省黔东南州水利电力勘察设计院，贵州 凯里 556000)

三穗县贵秧水库除险加固工程大坝为浆砌石单曲拱坝，坝高30.5m，大坝右拱端上部坝基础置于强风化带变余凝灰岩上，产状为289°∠25°，倾向左岸，右岸顺向坡，地表强风化层风化卸荷裂隙发育，稳定性较差。经计算，基础处于强风化带的顶部拱圈右拱端其抗滑稳定安全系数不满足规范要求。工程措施若在右拱端拱向上增设重力墩，则势必对右拱端边坡深挖，造成右岸顺向坡边坡稳定问题，增大边坡开挖量及处理成本，且不利于环境美观，为此该拱坝除险加固在右拱端顶部采用抗剪桩进行加固处理，经计算，采用抗剪桩处理后右拱端抗滑稳定安全系数满足规范要求，且工程投资相对节省，同时不需对现状边坡造成深挖破坏，利于环境美化。

拱坝；右拱端；抗滑稳定；工程措施；抗剪桩

1 概 述

三穗县贵秧水库位于贵秧河的中下游，地处三穗县长吉乡，距三穗县城 22km。坝址以上流域面积70km2。工程任务以农业灌溉为主，兼有水产养殖等功能。贵秧水库总库容302万 m3，最大坝高为30.5m。工程规模为小(1)型，工程等别为IV等，永久性主要建筑物大坝为4级建筑物。坝区枢纽由大坝、坝顶表孔泄流，坝身放水底孔和灌溉取水孔等组成。贵秧水库于1979年修建完工，2009年进行除险加固。

2 抗滑稳定计算

2.1 大坝体型

贵秧水库大坝为100#浆砌块石单曲拱坝，坝顶高程662.0m，坝底高程631.5m，最大坝高30.5m，坝顶厚4.3m，坝底厚8m。坝顶最大弧长为101.42m。坝体体型参数见表1。

表1 拱坝体型参数表

2.2 计算组合

2.2.1 基本荷载组合

1)死水位+相应下游水位+泥沙压力+自重+温升。

2)正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+自重+温降。

3)设计洪水位+相应下游水位+泥沙压力+自重+温升。

2.2.2 特殊荷载组合

校核洪水位+相应下游水位+泥沙压力+自重+温升。

2.3 计算参数

死水位 644.58m，相应下游水位 631.50m；正常水位 656.90m，相应下游水位 631.50m；30a一遇设计洪水位 658.76m，相应下游水位 633.25m；200a一遇设计洪水位 659.45m，相应下游水位 634.09m；坝体弹模4.5×103Mpa、强风化带基岩变形模量2Gpa，弱风化带基岩变形模量4Gpa，抗剪断参数强风化带f/=0.45，c=100kPa，弱风化带f/=0.65，c=350kPa[1]。

2.4 计算公式

计算公式采用《砌石坝设计规范》[2]SL25—2006抗剪断公式计算。

(1)

2.5 计算结果

采用分层切条计算，计算结果见表2：

表2 右岸分层小块体法坝肩抗滑稳定安全系数计算结果汇总

3 计算结果分析

从表2可以看出，右坝肩抗滑稳定安全系数在顶部拱圈高程 662.0m拱圈，其基本组合设计以及特殊组合校核水位下稳定安全系数低于规范要求的坝肩抗滑稳定安全系数。

4 工程处理措施

针对右坝肩顶拱高程 662.0m拱圈在设计和校核水位工况作用下其分层抗滑稳定安全系数低于规范规定的稳定安全系数，在工程处理措施上可采取常规措施在右岸顶部拱圈拱向上设置重力墩来进行加固解决，但鉴于该工程为早期已建工程，两岸边坡植被繁茂。在工程措施上若采用常规重力墩来进行加固处理，则势对右拱端边坡进行深挖，且右岸边坡为顺向坡，易导致新的边坡稳定问题，同时不利于现状边坡环境美观，为此该拱坝除险加固在右拱端顶部采用抗剪桩进行加固处理。

抗剪桩加固计算原理：对右坝肩分层稳定计算其稳定安全系数不足规范要求的顶拱拱圈采用由抗剪桩来承担坝肩的剩余力。

4.1 坝肩剩余力计算

根据坝体分层稳定计算结果，采用试算法进行调算，当作用于顶部拱圈高程 662.0m的切向力值由原来在特殊工况(校核水位)情况下的1500kN/m减小到1410kN/m时，经分析计算其抗滑稳定安全系数K为2.55大于特殊工况下规范规定的容许安全系数2.5；当作用于顶部拱圈高程 662.0m的切向力值由原来在基本工况(设计水位)情况下的1393kN/m减小到1313kN/m时，经分析计算其抗滑稳定安全系数K为3.05>基本工况下规范规定的容许安全系数3.0。满足规范要求。

堰顶拱圈高程656.90m到顶拱拱圈高程662.0m其高差为 5.1m。按 5.1m高差进行计算，则在特殊工况(校核水位)情况下，总须减小切向力为459kN；基本工况(设计水位)情况下，总须减小切向力为408kN。

4.2 抗剪桩设计

由以上计算结果，最大须减小总切向力为459kN。此459kN坝肩切向力全部考虑由抗剪桩来承担。抗剪桩采用钢管桩，根据《建筑桩基技术规范》[3]JGJ94—2008，当桩的水平承载力由水平位移控制，且缺少单桩水平静载试验资料时，钢桩可按下式估算单桩水平承载力特征值：

(2)

经计算得管径为 0.3m壁厚为 20mm的单桩钢管桩水平承载力Rha=116kN。当布设多根钢管桩时，多根桩的效应综合系数取0.7，则当布设6根管径为0.3m壁厚为20mm的钢管桩时，则6根钢管桩总水平承载力为487.2kN大于最大须减小总切向力为459kN，故只需布设6根管径为 0.3m壁厚为 20mm的钢管桩即可满足右坝肩顶拱高程 662.0m拱圈的抗滑稳定安全要求[4]。

4.3 抗剪桩布置

钢管桩管径为0.3m，桩孔高为12m，锚固段长度按总桩高的1/3～1/5计，取为3.5m。钢管桩为Q235钢，壁厚为 20mm，钢管桩孔内配置4根螺纹钢直径为 25mm钢筋并于孔内灌注一级配C25混凝土，钢管桩外壁与坝体结合面采用固结灌浆密实。6根钢管桩布置于右坝段，距顶拱拱圈 662.0m建基面长约 7.5m顺坝肩推力向分两排布置，桩孔外壁净间距为 1.2m。抗剪桩布置见图1：右拱端抗剪桩布置示意图。

图1右拱端抗剪桩布置示意图

5 结 语

三穗县贵秧水库除险加固工程拱坝通过采用抗剪桩处理后右坝肩上部拱端抗滑稳定安全系数满足规范要求，同时利于已建工程的环境美化，减少水土流失。

对于已建好的拱坝，在进行拱坝分层稳定计算时，若部分拱圈层抗滑稳定安全偏低于规范要求时，不一定要在拱端部采用重力墩来提高其抗滑稳定性，可结合工程实际情况采用相适宜的处理措施同样达到加固处理效果，在工程处理节约的同时，更利于美化环境，生态和谐。

[1]中华人民共和国水利部.SL258—2000水库大坝安全评价导则[S].北京：中国水利水电出版社，2000.

[2]中华人民共和国水利部.SL25—2006砌石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2006.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ94—2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4]肖艳，张光科，刘超.石城子水库砌石拱坝除险加固设计[J].西北水电，2007(04)：34-36.

1007-7596(2014)01-0189-03

2013-11-25

杨正猛(1979-)，男，贵州黎平人，工程师，从事水利水电建筑设计工作；杨浩秋(1979-)，男，贵州兴义人，工程师，从事水利水电建筑设计工作；阳炎(1982-)，男，贵州榕江人，工程师，从事水利水电建筑设计工作。

TV641.31

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