青驼拦河闸除险加固深层抗滑稳定分析及处理措施

孙海超

（山东省临沂市水利勘测设计院，山东 临沂 276000）

青驼拦河闸除险加固深层抗滑稳定分析及处理措施

孙海超

（山东省临沂市水利勘测设计院，山东 临沂 276000）

青驼拦河闸除险加固移址改建，新闸址处有倾向下游的软弱结构面，虽然沿闸室底面的抗滑稳定计算满足规范要求，但是深层抗滑稳定不满足要求。参照重力坝深层抗滑稳定计算方法，根据水闸的特殊性，只对ABD滑块进行计算，并提出沿深层软弱结构面滑动的处理措施——预应力锚杆。预应力锚杆处理水闸沿深层软弱结构面滑动的力学模型明确，技术成熟，施工经验丰富，处理效果明显。

青驼拦河闸；深层软弱结构面；抗滑稳定；深层抗滑稳定；预应力锚杆

1 工程概况

青驼拦河闸位于沂南县青驼镇青驼寺以南、潘家庄以北，是一座综合性水利枢纽工程，属于大（2）型水闸，经水利部建设管理与质量安全中心核查该闸为四类闸。由于下游S229省道交通桥与原拦河闸紧贴布置，且距离G205国道交通桥较近，原闸址处不满足拦河闸除险加固布置要求，予以移址改建。

改建拦河闸位于原闸址下游310m （蒙河治理中泓桩号3+506）处，距上游G205国道桥210m。工程由拦河闸、引水闸、桥头堡、管理单位等组成。改建拦河闸共13孔，单孔净宽10m，总宽146.80m，顺水流方向长70m，其中铺盖长20m，闸室长15m，消力池长35m。闸室底高程102.1m，底板厚1.2m，建基面高程100.9m，消力池底板高程99.6m，底板厚1.1m，建基面高程98.5m。

2 工程地质

闸址地基岩性为砂质页岩，断层及破碎带发育。F1断裂于钻孔A17处穿过，破碎带宽3.0～1.0m，破碎带内为正长斑岩脉及闪长斑岩脉侵入，岩体破碎。F3断裂于钻孔A18，A20之间穿过，破碎带宽0.5～1.0m，破碎带内为碎裂岩。F4断裂于钻孔A20，A21之间穿过，破碎带宽0.1～0.5m，破碎带内为碎裂岩伴有闪长斑岩脉侵入。此外钻孔A21，A22之间还有一条隐伏断层。

建基面下持力层为砂质页岩、灰岩夹薄层泥质页岩，泥质页岩层面为相对软弱岩层。砂质页岩层面摩擦系数采用0.45，砂质页岩层面抗剪断摩擦系数采用0.50，抗剪断黏聚力采用0.10MPa；泥质页岩层面摩擦系数采用0.40，抗剪断摩擦系数采用0.45，抗剪断黏聚力采用0.06MPa。岩石产状为NE44°∠13°。由于岩石倾向下游，倾角平缓，消力池开挖形成临空面后，易沿层面产生深层滑动，应进行深层抗滑稳定分析。

3 抗滑稳定分析

3.1 荷载及其组合

荷载组合分为基本组合和特殊组合，基本组合包括完建情况和正常挡水情况，特殊组合为检修情况及地震情况。拦河闸闸室稳定计算如表1。

表1 拦河闸闸室稳定计算荷载组合

3.2 抗滑稳定分析

岩基上沿闸室底面的抗滑稳定安全系数的计算［1］如式（1）。

式中 Kc为抗滑稳定计算安全系数；f为闸室基底面与地基之间的摩擦系数；∑G为所有竖向荷载之和；∑H为所有水平荷载之和；f′为闸室基底面与基岩之间的抗剪断摩擦系数；C′为闸室基底面与基岩之间的抗剪断黏结力。计算结果如表2。

表2 沿闸室底面抗滑稳定安全系数

由表2可知，沿闸室底面的抗滑稳定满足规范要求。

4 深层抗滑稳定分析

深层抗滑稳定荷载组合与沿闸室底面的抗滑稳定荷载组合相同。

4.1 纵剖面上岩层倾角计算

改建闸址处拦河闸的纵向布置方向为NE69°，岩层倾向与拦河闸纵向夹角为25°。岩层在纵剖面方向的夹角计算［2］如式（2）。

式中 β为纵剖面方向的视倾角；η为纵、横比例尺之比值，取1.0；δ为真倾角；α为岩层走向与剖面间夹角。经计算岩层在纵剖面方向的视倾角为11°。

根据闸室地基岩层倾向及钻孔揭示的软弱岩层深度，最危险为闸底板座在软弱岩层上。

4.2 深层抗滑稳定分析

参照SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》，深层抗滑稳定计算采用等安全系数法，按抗剪断强度公式进行计算［3］，由于消力池开挖后，闸室下游形成临空面，计算时只考虑ABD块稳定，且Q=0kN，计算如式（3）。

式中 K′1为按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f′1为AB滑动面的抗剪断摩擦系数；W为作用于闸室上全部荷载（不包括扬压力）的垂直分值（kN）；G1为岩体ABD重量的垂直作用力（kN）；α为AB面与水平面的夹角；H为作用于闸室上全部荷载的水平分值（kN）；Q为BD面上的作用力（kN）；φ为BD面上的作用力Q与水平面的夹角；U1，U3为AB，BD面上的扬压力（kN）；c′1为AB滑动面上的抗剪断凝聚力（kN）；A1为AB面的面积（m2）。

经计算，水闸沿深层软弱结构面的抗滑稳定安全系数如表3。

表3 沿深层软弱结构面的抗滑稳定安全系数

由表3可以看出沿深层软弱面的抗滑稳定不满足规范要求，需要采取工程措施进行处理。

5 处理措施

5.1 工程处理措施

影响水闸深层抗滑稳定的软弱结构面是灰岩夹薄层泥质页岩，处理深层抗滑稳定采取的工程措施有：①增大闸室长度：工程投资较大，不经济；②加大齿墙深度：地层走向倾斜，闸基地质条件复杂，施工不好控制；③固结灌浆：处理抗滑稳定效果不佳，仅可作为辅助措施［4］；④设预应力锚筋，钻孔穿过夹层，将钢筋锚入基岩深部，逐孔施加压应力，以增加夹层面上的正应力与抗剪力，提高抗滑稳定性，能从根本上解决抗滑稳定问题，安全、可靠，有成熟工程经验。

5.2 预锚力确定

采用预应力锚杆处理水闸深层滑动，要求预应力锚杆提供的锚固力按式（4）确定［5］。

式中 P′s为锚固力（kN）；N为垂直作用于基础面上的力（kN）；T为使结构物产生滑动的力（kN）；f为基础面上的摩擦系数；ψ为预应力锚杆方向与软弱结构面法线夹角。

为使预锚力能有效地抵消软弱结构面上的下滑力，锚孔方向应针对闸基可能滑移的方向采用较小的倾角，考虑到钻孔机具与施工实际情况，确定锚孔倾向上游，取ψ=15°。预应力锚筋布设的方位角如图1。

图1 预应力锚筋布设方位角示意图

经计算1个闸墩 （中墩）所需的总锚固力为2835kN，锚筋与闸室底面法线夹角为26°。

5.3 锚杆

5.3.1 截面面积

锚杆钢筋截面面积按式（5）计算。

式中 As为锚杆钢筋截面面积（mm2）；Kb为锚杆杆体抗拉安全系数，取2.0；为相应于作用的标准组合时锚杆所受轴向拉力（kN）；fy为锚杆钢筋抗拉强度设计值（kPa）。经计算锚杆选用26根直径28mm的HRB400钢筋，根据构造要求锚杆直径为100mm。

5.3.2锚孔孔距

按施工操作和使夹层受力均匀要求，顺水流方向锚孔间距采用1.0m，闸墩两侧各设一排，每排13个锚孔。

5.3.3 锚孔深度

锚孔应穿过破碎夹层锚入深部较好的岩层内。根据稳定计算，锚筋应穿过灰岩层进入较好砂质页岩，锚固段长5.0m，自由段长7.0～10.0m，相邻锚孔相互高差5.0m，以避免锚筋附近的基岩形成连续拉应力，锚孔深为12.0～15.0m。

5.4 锚固效果

采用预应力锚杆后，打预应力锚杆后，闸室沿深层软弱结构面的抗滑稳定计算结果如表4。

表4 抗滑稳定安全系数

从表4可以看出，采用预应力锚杆后，在各工况下，水闸沿软弱结构面的深层抗滑稳定安全系数满足规范要求。

6 结语

（1）SL265—2001《水闸设计规范》及一些参考书中，水闸抗滑稳定计算都是沿闸室底面的抗滑稳定计算，忽略了水闸沿深层软弱岩层的抗滑稳定计算。

（2）在岩基上修建水闸，当存倾向下游的软弱结构面且软弱结构面埋深较浅时，由于闸室后建消力池，使闸室后软弱岩层形成临空面，危及到水闸安全，需要核算水闸沿深层软弱结构面的抗滑稳定安全性。

（3）预应力锚杆处理水闸深层抗滑稳定时，可加大垂直于软弱结构面的应力，增大抗滑摩擦力，另一方面可通过设置一定锚筋角度，减小沿软弱结构面的下滑力，可以有效增大水闸抗滑稳定安全性。

［1］SL265—2001，水闸设计规范［S］.

［2］铁通部第一勘测设计院.铁路工程地质手册［K］.北京：中国铁道出版社，1999.

［3］SL319—2005，混凝土重力坝设计规范［S］．

［4］刘志敏，官志鑫.泄水闸深层抗滑整体稳定分析及基础处理措施探讨［J］.中国水运，2013（6）：177-180.

［5］兰芙蓉，彭映凡.预应力锚固在杉木河水库大坝坝基加固中的应用［J］.中国农村水利水电，2006（7）：93-95.

（责任编辑：尹健婷）

The deep anti-slide stability analysis and processingmeasures of Qingtuo sluice reinforcement

SUN Hai-chao
（Linyi City Water Conservancy Prospecting Institute，Linyi276000，China）

After Qingtuo sluice reinforcementmoving the sluice gate address，the new address has a weak structure that tends downstream.Although the anti-sliding stability calculation on the bottom of the gate meets the requirements of the specification，the deep anti-sliding stability calculation notmeets the specification requirement.The article only calculates ABD slider’s stability，according to the particularity of the lock，based on themethod of calculating the deep anti-sliding stability of the gravity dam.It also proposes the treatment of the sliding surface of the deep soft structure——prestressed anchor.Itsmechanicalmodel handling the sluice slide along the deep soft structure is clear，its technology mature，its construction experience is rich and its effect is obvious.

Qingtuo sluice；deep weakness structure；anti-sliding stability；deep anti-sliding stability；prestressed anchor

TV223

：B

1672-9900（2017）04-0021-03

2017-05-25

孙海超（1981-），男（汉族），山东肥城人，工程师，主要从事水利工程设计工作，（Tel）15165528969。