水库工程边坡加固设计研究——以重庆市南岸经开区长江防洪护岸整治工程为例

陈婧

（重庆博通水利信息网络有限公司 重庆 400000）

前言

混凝土水库工程是我国一项民生工程，随着人们对水库工程研究的不断深入，近几年，我国水库工程变得更加完善。水库工程建设是一项复杂的过程中，在实际建设过程中，其整体质量会多方面因素的影响，其中边坡加固质量是最为重要的一项影响因素。因此，下面针对边坡加固设计进行研究，希望文中内容对相关工作人员能够有所帮助。

1 水库工程概况

重庆市南岸经开区长江防洪护岸综合整治工程（一期）位于长江铜锣峡下游段，三峡水库库尾回水变动区，在经开区广阳岛内河右岸，上游距渝中区朝天门约21km，工程上起于苦溪河汇入长江出口处，下止于东港码头，渔溪河将工程河段一分为二，设计堤脚线总长7.503km。水工建筑物主要由护岸工程、堤防工程、自然岸坡、滑坡治理、下河公路、穿堤管箱涵和连接道路等工程组成。其中滑坡治理涉及老山顶滑坡、高坎子滑坡和沙塝滑坡，本次主要介绍老山顶滑坡的成因和治理。

2 地质灾害的形成

2.1 滑坡地形地貌

老山顶滑坡位于南岸区迎龙镇马颈村老山顶西坡，靠长江一侧的岸坡，该处滑坡于1998年连续暴雨后发生滑动，导致滑坡后缘产生拉裂槽。拉裂槽长约80m，槽宽1.5～2.0m，槽内多充填块石、碎石及粘土。

老山顶滑体所处地形为长江右岸斜坡上，滑坡后缘及其以上山体地形较陡，属长石砂岩与泥岩互层的单斜顺向坡地形，地形坡度一般大于30°，中部滑坡区由于农业耕种部分呈缓坡地形，坡面主要为第四系松散体堆积，地形坡度一般为10～30°，滑坡前缘和滑坡后缘坡度略大于滑坡中部。

2.2 滑坡变形破坏模式

在江水的作用下，滑坡前缘的岩土体不断被冲刷和掏空，形成临空面，边坡岩体沿外倾陡倾角裂隙出现应力释放而使得岩体的结合程度降低，裂隙在长期风化作用下进一步拓展，由于岩体为顺向坡，在裂隙的膨胀力和重力作用下，临空的表层岩体出现危岩和崩塌，坡体内的岩块出现局部应力集中。在砂泥岩组合的情况下，表层砂岩体最易出现失稳。而泥岩岩体内裂隙不连续，大多闭合，有隔水阻水作用，使得大暴雨（尤其是连续降雨）时砂岩体内裂隙水易于富集。在暴雨的作用下，滑体及滑床内地下水迳流活动不断加剧，追踪优势裂隙面和透水带，砂岩内的软弱结构面（滑带）岩土体迅速软化，抗剪强度迅速降低，而后缘裂隙静水压力迅速上升，由于前缘临空，后缘较大的静水压力，导致整个滑体滑移。滑坡的变形模式主要为前沿牵引后缘推移式滑移。

3 水库工程边坡加固处理设计

3.1 治理方案的选择

经本次勘察复核，滑坡前缘位于拟建堤轴线桩号经3+076.000～经3+273.000m（23-23剖面前后），高程169.00m左右，滑坡后壁崖顶高程230m左右，其下为滑坡后缘拉裂槽；滑体顺江宽约197m，纵长70～85m，面积约 1.2万 m2，滑体厚度 5.4～27.6m（CK15），平均厚度约 15.4m，滑体体积约18.5万m3，为一中型、中层基岩滑坡。

拟定滑坡治理采取削坡减载、削坡减载+抗滑桩和预应力锚索三个方案。三方案中削坡减载施工难度最小，施工工期最短，工程投资最省，工程占地最多，但工程占地面积最大，开挖弃渣量最多；预应力锚索开挖弃渣量最少，工程占地最少，但工程投资最大，施工难度最大，后期预应力松弛导致边坡支护可靠性降低；削坡减载+抗滑桩各比较指标介于其余两方案之间。

经综合比较后，确定老山顶滑坡治理采取削坡减载+抗滑桩方案。

3.2 治理方案的计算

3.2.1 计算依据及方法

计算依据：《地质灾害防治工程设计规范》（DB50/5029-2004）及区内地震基本烈度，结合本工程规模、等级等实际情况，不考虑地震作用。计算参数以地质提供的建议值为准。

计算方法和原理：根据地质描述，本工程滑坡沿软弱结构面（滑带）滑动，故计算方法选取“不平衡推力传递法”：

3.2.2 设计工况

工况一：正常运行条件：

（1）设计洪水位。

（2）设计洪水位的经常性降落（计算考虑设计洪水位骤降1.0m/d）。

工况二：非常运行条件：

（1）施工期（含竣工期）的临水侧堤坡。

（2）设计洪水位的非常性降落（计算考虑设计洪水位骤降3.0m/d）。

（3）暴雨。

3.2.3 计算结果

（1）剩余下滑力计算

通过对滑坡断面进行分析，选取22#、23#剖面作为典型断面进行计算。

通过对滑坡表层土进行削坡减载整治后，确定在满足规范要求的安全系数条件下，暴雨工况时典型断面剩余下滑力最大，计算结果如表1、2所示。

表1 22#剖面剩余下滑力计算成果表

根据地质描述及建议，考虑抗滑桩位置在距离地质推测基岩剪出口线5m处，抗滑桩位置的最大剩余下滑力为Ei=451kN/m（22#剖面）、Ei=409kN/m（23#剖面）。

（2）抗滑桩的计算长度和嵌岩深度

通过对《水工混凝土结构设计规范》中表5.3.1，《地质灾害防治工程设计规范》中3.4.2.3、3.4.1.6、3.4.2.4，《三峡库区三期地质灾害防治工程设计技术要求》中4.3.3.4、4.3.3.6进行综合分析计算后，针对本工程的地基岩性确定了以下布桩原则：

表2 23#剖面剩余下滑力计算成果表

①抗滑桩桩底支承采用铰支端。

②嵌岩深度设计原则：根据计算及相关规范,本工程嵌入滑移面以下弱风化基岩深度不小于桩总长的1/3。

经计算地基横向承载能力特征值为1600kPa，均大于桩基计算的土体反力，说明桩的嵌入深度满足要求，最终设计嵌岩深度为桩总长的1/3。

（3）抗滑桩内力及配筋计算

①抗滑桩内力计算

根据上述桩体布置和设计荷载，滑面以上桩体按悬臂梁进行计算，滑面以下桩体按地基的弹性抗力（采用K法）进行内力计算，其中地基弹性抗力系数根据地勘资料选取：

表3 抗滑桩嵌固段岩体地基弹性抗力系数

a.土反力计算

p=k△

k=αhn

式中：p——滑坡面以下桩的弹性土抗力（kPa）；

k——弹性土抗力系数；

△——滑坡面以下桩的位移（m）；

a、n——计算系数；采用K法，n=0，a=K；

h——滑坡面以下任意点到滑坡面的竖向距离（m）。

b.计算方程

[[Kz]+[KT]+KT0]]{δ}={P}

式中：[Kz]——抗滑桩的弹性刚度矩阵；

[KT]——滑坡面以下土体的弹性刚度矩阵；

[KT0]——滑坡面以下土体的初始弹性刚度矩阵；

{δ}——抗滑桩的位移矩阵；

{p}——抗滑桩的荷载矩阵。

②抗滑桩配筋计算

a.圆桩配筋（按均匀配筋计算）

αt=1.25-2α

ei=e0-eα

式中：N——截面轴向力设计值（kN）；

e0——轴向压力对截面重心的偏心距（mm）；eα——附加偏心距（mm）；

A——圆形截面面积（mm2）；

As——全部纵向钢筋截面面积（mm2）；

r——圆形截面的半径（m）；

γs——纵向钢筋重心所在圆周的半径（m）；

α——纵向受拉普通钢筋截面面积与全部纵向普通钢筋截面面积的比值；

α1——对应于受压区混凝土截面面积的圆心角（rad）与2Π的比值；

αt——受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度设计值的比值；

fc——混凝土轴心抗压强度设计值（N/mm2）；

fy——普通钢筋抗拉强度设计值（N/mm2）。

b.抗剪截面配筋计算

将桩的圆形截面简化成内接正方形后（b=1.76r，h0=1.6r），按矩形截面抗剪计算。本工程不考虑地震的作用，按非抗震设计：

箍筋配筋率ρsv应符合下列规定：

式中：V——截面作用的剪力设计值（kN）；

fyv——箍筋的抗拉强度设计值（N/mm2）；

αcv——斜截面混凝土受剪承载力系数；

ft——混凝土抗拉强度设计值（N/mm2）；

Av——抗剪箍筋面积（mm2）；

s——箍筋间距（mm）。

（4）计算成果及治理方案

表4 典型断面抗滑桩计算成果

经计算，滑坡整治方案确定为：在高程190.0m处设置宽度约为23.0m宽的减载平台，后缘采用1∶1.5放坡开挖，每10.0m设置宽度为2.0m宽的马道，滑体坡面采用格构草皮护坡的型式护坡，格构截面尺寸为0.3m×0.5m（B×H），对上部泥岩进行挂网喷锚0.1m厚C20混凝土，挂网钢筋直径为6.5mm，间排距为0.2m，并对封闭泥岩坡面设置间排距为2.0m，长度为5.0m，钢筋直径25的系统水泥砂浆锚杆；距离地质推测基岩剪出口线5m处设置直径为2.0m的C35钢筋混凝土，桩间距为4.0m，共49根抗滑桩，平均桩长为16.0m，嵌入滑移面以下弱风化基岩深度不小于桩总长的1/3。坡顶设置梯形截水沟，采用C15混凝土浇注。

4 结束语

通过对水库边坡加固过程中采用的设计方案以及边坡治理的研究，得到几点体会：

（1）水库在实际运行过程中，水库水位发生非常性降落，必将会对水库运行造成影响，情况严重时，甚至会引起滑坡、坍塌等安全事故，造成人员伤亡及巨大的经济损失。由此可见，在水库运行期间，针对水路的运行的调度，在非必要情况下，应尽量避免出现非常性骤降现象发生。

（2）在水库区内修建防洪护岸时，在条件允许的情况下，应尽量保证当地的生态环境不遭受破坏，保持生态平衡。

（3）水库工程边坡加固设计过程中，在确保加固方案可以满足边坡质量的要求下，应优先采取最经济的方案，提高工程的整体效益。

水库工程建设后期应用过程中涉及到的内容较多，边坡加固是其中最为重要的一项内容，对工程后续运行的稳定性、安全性造成一定的影响。因此，进行水库边坡加固过程中，要分析导致边坡发生滑坡的原因，充分结合水库工程的具体情况，综合考虑经济条件和施工方案，最终选择一个最佳的边坡加固方案。

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