桩基托梁挡墙在库区道路塌岸治理中的应用

凡明杰，原学明

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）

0 引言

水库蓄水常常引起一些工程地质问题， 水库塌岸是其中之一。水库塌岸是指水库蓄水后，由于水位抬高， 库岸周边的坡地受到库水的浸泡、 风浪的冲击、水流的侵蚀作用，发生坍塌的状况。 塌岸状况发生后，随着时间的延长，库岸会不断地坍塌破坏，库岸线也逐渐后退，直到达到新的平衡状态为止。这一过程，称为水库的库岸再造。水库塌岸也会引起沿岸地带的建筑物，如城镇、铁路、厂房以及大片的农田等遭到破坏，使大量滩地坍失，而且塌下的土石淤积于库中，又减少了水库的有效库容。库岸坍塌还会引起河势的改变，特别是对于蜿蜒型河段，坍塌常常引起主流易位、滩险变化，常使港口、航道不能正常运用，容易造成海事。水流动力轴线改变，有时还会导致连锁反应，引起下游河道崩塌，改变整个蜿蜒型河段的河势。 由于坍岸具有短时性、突发性、剧烈性等特点，难以防范，所以对库区沿岸的危害特别大。 因而研究及防治水库坍岸是一个具有重要意义的课题［1］。

1 工程概况

黄河中上游某水电站临水布置有对外公路，路基设计高程高于水电站正常蓄水位高程1 130 m，部分路段临水路基地层分布有2～10 m 的覆盖层，水库蓄水后，因水位上升，地下水浸润线升高，岩土体力学参数大幅降低。当库水水位骤降时，堆积体内形成动水压力，从而产生逐层塌落即库岸再造，容易形成库区道路塌岸。因此需针对治理路段，提出经济合理的治理措施，以确保水库蓄水后道路安全运营［2］。

复建公路等级为三级，路基宽7.5 m，路面宽6.5 m，路线长4.499 km，其中临水路基K0+558.6～K1+322.5 段，地貌单元为中高山山麓斜坡及冲沟，地层主要为第四系崩坡积小块石质土，厚度约2～8 m，局部厚10～12 m，承载力基本容许值（fa0）为200 kPa。下部基岩岩性为晋宁期斜长花岗岩，强－中风化，强风化承载力基本容许值为1000kPa，弱风化承载力基本容许值为2 500 kPa。 该段公路岩体局部出现小型崩塌现象， 且覆盖层为小块石质土， 水下稳定坡角为15°，水上稳定坡角为35°，强风化为Ⅴ级，中风化为Ⅵ级。

K0+720～K0+900 路段路基下方存在5～15 m 的覆盖层，现状稳定，垂直性较好，弱胶结。针对该段道路路基分别采用卡秋金公式计算法和两段图解法两种方法计算塌岸宽度， 取同一段面的较大值作为最终塌岸宽度［3］。 通过计算，水电站正常蓄水后存在水库塌岸可能，因此，为避免水库蓄水后塌岸，需对该段进行处理［4］。

2 水库塌岸治理措施比选

2.1 常用水库塌岸治理措施

常用的塌岸防治措施有抛石反压、 设置桩基托梁挡墙、固结灌浆、设置桩板墙等处治方案。

抛石反压的主要优点是施工工艺简单、成熟，施工速度快，成本低，安全性好，适应性强，与自然环境相协调； 缺点是对地形及地基承载力要求高、 占地多、需要大量的土石方、防护效果差、机械设备种类多。 它适用于地形平坦、地基稳定的路段。

桩基托梁挡墙的主要优点是占地少、工艺简单、投入的机械设备少、可采用装配式施工法、外观效果好、防护效果好等；缺点是施工速度慢、成本高、安全性差、钢材用量较多、部分隐蔽工程施工质量难以控制。 它适用于覆盖层较浅、主动土压力较小的路段。

固结灌浆的主要优点是占地少、防护效果好、施工速度快、 成本低； 缺点是对技术人员和地形要求高，属于隐蔽工程，施工质量难以控制，地形陡峻路段易漏浆，有可能对地下水造成污染，不利于环境保护。 它适用于地形平坦、覆盖层较深、存在大面积水库塌岸风险的路段。

桩板墙是以挡土墙支撑边坡或坡体的稳定，防止边坡滑坍或坡体变形失稳的建筑物， 主要适用于依赖挡端支挡作用得以稳定的路基，边坡较陡、坡面岩土性质不良的挖方路基或地面横坡陡峻、 填土不易稳定的填方路基。

2.2 水库塌岸治理措施的确定

K0+720～K0+900 段路基上部覆盖层较薄，下部基岩岩性为花岗岩， 路基设计高程距离水库正常蓄水位5 m 左右， 且水库蓄水前具备人工开挖桩基条件，具备做桩基托梁挡墙和桩板墙的条件，因此对这两个方案做重点对比研究［5］。

由表1 可知， 桩基托梁挡墙方案优于路肩桩板墙方案，因此决定对该段采取桩基托梁挡墙方案［6］。

表1 桩板墙和桩基托梁挡墙方案对比Tab.1 Scheme comparison of pile wall and pile foundation supporting beam retaining wall

3 桩基托梁挡墙稳定性计算

3.1 整体稳定性计算

为验证桩基托梁挡墙方案是否稳定， 采用理正岩土软件7.0 对该方案进行稳定性演算。 托梁上挡墙为5 m 高的衡重式挡墙，托梁宽为2 m，高为1 m，桩为1.5 m×2.0 m 的矩形钢筋混凝土桩，桩长为12 m，深入稳定中风化基岩的长度为4 m。 桩基托梁挡墙断面特征如图1 所示。

图1 桩基托梁挡墙断面图Fig.1 Section drawing of pile foundation supporting beam retaining wall

为了保证路基的整体稳定性， 桩基除作衡重式挡土墙承台基础外， 还需保证坍岸路基的整体稳定性。计算程序通过自动搜索最不利滑动面，确定最小安全系数为1.225，所以整体稳定。

3.2 托梁外力计算

桩基间距为6 m，边跨悬挑长度为1.5 m。 因此，在进行托梁计算时，拟定跨径为9m（1.5m+6 m+1.5 m）的支端悬出的简支梁结构， 其尺寸采用1.0 m×2.0 m，桩基设置于托梁形心位置。 挡墙为5 m 高的衡重式挡墙，根据挡墙截面形式及材料重度，计算其荷载，结果如表2 和表3 所示。

表2 竖向荷载计算结果单位：kN/mTab.2 Vertical load calculation results （Unit： kN／m）

表3 水平荷载计算结果单位：kN/mTab.3 Horizontal load calculation results （Unit： kN／m）

将以上所有的荷载向托梁底面中心简化， 计算弯矩（顺时针为正）。 经计算，Mn＝－91.944 kN·m。

3.3托梁内力计算

选用1.5 m+6.0 m+1.5 m 跨径分布的支端悬出的简支梁为计算模型，采用“理正弹性地基梁”计算弯矩、剪力和配筋情况，结果如图2 所示。 通过计算可以得出：简支梁中部弯矩最大，为1 062.59 kN·m，简支梁和桩基接触处剪力最大，为962.29 kN。

图2 托梁内力计算简图Fig.2 Supporting beam internal force calculation

3.4 桩基受力计算

3.4.1 外力计算

由托梁计算模型可知，支座处的竖向支反力即为桩的竖向荷载。由于两桩呈对称布置，故两桩外力一致。 桩基外力计算结果为：（1）弯矩。 M＝Mn×L／2＝－91.944×9／2＝－413.748 kN·m（公路横断面方向逆时针）。 （2）水平力。 F＝71.155×4.5＝320.196 kN。 （3）竖向力。 N＝267.307×4.5＝1 202.882 kN。

3.4.2 内力计算

选取12 m 及15 m 桩长（桩端铰支），采用理正岩土软件7.0，应用m 法进行内力计算，计算结果如表4 所示。

表4 桩基内力计算结果Tab.4 Calculation results of pile foundation internal force

4 结语

桩基托梁挡墙是山区公路路基常见的支护形式。黄河中上游某水电站库区在建设对外公路时，易塌岸位置采用桩基托梁挡墙的处理方案。 在进行方案设计时， 先采用路基设计通用软件理正岩土软件7.0 计算桩基和托梁的受力情况， 再进行配筋计算。目前该路已通车多年，库区段道路路基稳定，未发生塌岸情况，达到了设计预期的目的。该工程项目对水库平稳运行以及库区交通发挥了应有的作用。