格构锚固结构在水利工程边坡治理中的应用

王 乾

(广州利源工程咨询有限公司,广州 510000)

随着水利水电、矿山、铁路、公路、城市建设事业迅猛发展,在边坡治理中,支挡加固技术越来越受到世界各国的关注。当前,我国的支挡加固技术向小型化、轻型化、复合型、机械化施工方向发展,格构锚固技术正是顺应了这种潮流,并将护坡与支挡相结合。格构锚固是一种行之有效的边坡防护技术,目前已经引起非常广泛的重视随着我国基建投资的增加,公路、水利等领域将会出现大量的边坡,这就给边坡的治理技术带来了新的挑战[1]。近几年来,在高边坡、水利水电边坡、工业和民用建筑等领域,对其进行了深入的理论分析和设计研究。

1 工程概况

广州健康产业城(医药研发片区)河涌整治一期工程(第一期)位于广州市白云区钟落潭镇,主要建设内容是对马洞坑桩号马k1+800-桩号k2+260河涌两岸共计460m按控规进行整治,马洞坑桩号马k1+780-马k1+800及马k2+260-马k2+360共计120m河涌采用渐变式C30悬臂钢筋混凝土挡土墙护岸和上下游现状河涌平顺连接;对茅岗河桩号茅k0+000-茅k0+720共计720m河涌左岸按控规进行整治,茅k0+000-茅k0+720段河涌右岸为放坡开挖,采用格构式护坡形式,形成临时渠道;新建抽水站一座,泵房长宽为4m×4m,新建灌溉渠道。

2 格构锚固的种类与概念

格构式锚固是一种由格构梁与锚固结合而形成的新型防滑支挡结构。在坡面上,采取了浆砌块石、现浇钢筋、预应力混凝土格构梁等多种保护措施,同时,由于梁体与斜坡的接触面积比较大,在边坡稳定性分析中,采用锚杆或锚索结合进行边坡加固是一种行之有效的方法[2]。在实际工程应用中,预应力锚索网架的主要结构形式见图1。

图1 格构示意图

格构的作用是将剩余的岩压力或下滑力或土压力分布于格构结点的锚索或锚杆上,用锚杆(索)将其再送至稳定的地层,由此,边坡在锚固力的作用下保持稳定。因此,从格构本身来说,它只是一种传递力量的结构,它的抗滑力主要来自于格构节点上的锚杆和锚索。通常所提到的格构加固技术,分为两种类型:格构自身和锚杆(索)[3]。此外,格构锚固还可以和其它的绿色保护措施相结合,如在框架中种植杂草,起到了稳定边坡和美化边坡环境的作用,因此,格构锚固是一种广泛应用的结构形式,具有广阔应用前景的防滑护坡系统[4]。我国在边坡工程中,按所选择的材料,多采取浆砌块式和现浇钢筋混凝土格构。一般有4种:方型、菱型、人型、弧型。为了确保安全,一般采用长方形的横梁,而且至少要有2/3的横梁要埋入地下。

浆砌块石格锚固是以浆砌块为基础,采用锚杆进行锚固,这样才能使表面得到加强,水泥砂浆的抗弯性很差,不能承载其本身的重量,但具有良好的抗压能力,尤其适合于坡面前缘较小、整体稳定性良好的边坡。现浇钢筋混凝土锚固结构的现浇钢筋混凝土格构梁,其锚杆(索)在滑行时会产生阻力。钢筋混凝土梁抗弯、抗压性能均优于浆砌块,其整体刚度明显改善,适合于整体稳定,在前方发生溜滑、崩滑、或较大坡度的边坡整治,得到了较为广泛的应用。

3 工程实践

3.1 设计原则

该项目在施工期间,边坡最大高度差达30m,造成的损害非常严重。经鉴定,该结构的安全等级为第二级,根据现场地质环境、边坡稳定性、技术经济条件等因素,对边坡进行了分析,采取技术可靠、施工简单、投资小的控制措施,为了消除危险,根据永久边坡的形式进行了设计,下面是一些基础原理:

1)及时、经济、合理的治理措施,可改善地质环境,努力与周围自然环境彼此交融,彼此配合。

2)为保证边坡的安全、地质灾害的发生、坡脚和人身安全,都起到了重要的作用。

3)在进行边坡整治前,必须采取适当的防护措施,以防止在施工中发生二次事故,即使出现岩体松动或者是滑坡等情况,同时,要采取有效的保护措施,将其限制在一定的范围之内。

4)从安全角度出发,对设计方案进行了优化,减少了管理费用。

3.2 设计方案

依据以上设计原理,结合工程实际,提出了以下几种支护方案:

利用分段削坡技术建立了一阶台阶,在主要裂缝附近,上部边坡削坡线基本上是沿主裂面切去的,坡度为1∶1; 根据坡脚用地红线规划,采用1∶0.75～1∶1.5的坡度控制下斜坡的坡度。待削坡完成后,由于覆盖和全强风化作用,上部边坡的厚度比较大,采用锚杆(锚索)结合网架支撑,锚索间距为6m,垂直方向为2m,锚杆垂直方向为2m。并在格构梁结点上设置了锚杆和锚索。下层斜坡主要是风化的基岩,系统地锚固采用了钢筋锚固法。坡顶达分水岭或汇水区域不大,故不设截流渠。在平台和坡底设置排水沟,并与斜坡上的纵沟相连,汇集的雨水经过集中后,统一排入下水道。在边坡支护完成后,进行绿化,以美化边坡,恢复破坏的生态环境。采用喷混植生技术对斜坡进行复绿,坡底设置低矮的浆砌石挡墙,在斜坡后进行回填土和栽植灌丛。

3.3 主要的建造规范和需求

3.3.1 预应力锚索格构的受力分析

在边坡岩土中,预应力锚索的格构受下列力的影响,如图2所示。

图2 锚索格构受力示意图

1)锚索拉力pt:根据预应力锚索的工作原理,将锚索上的拉力首先通过锚固的预应力作用,使其在边坡体内的岩体中得到足够的拉力,从而达到防止边坡变形的目的。

2)岩土体对格构梁的地基反力q(x):在边坡变形与锚索约束共同作用下,引起了边坡的地基反力,并与边坡土相互作用。基础反力是格构梁受力的一种反力,它沿着纵梁、横梁、与格构底部垂直,其分布形式和数值大小与锚索拉力、格构刚度以及边坡岩土的关系密切。

3)格构与坡面岩土体间的摩擦力f(x):摩擦力f(x)是锚索格构和边坡岩土体之间的相对移动倾向而同时发生,该力和q(x)同时生成、存在,平行于框架梁梁底。根据边坡角度和锚索的实际张力值,这种作用力可以指向坡顶或坡底。

4)格构的自重W:钢筋混凝土结构本身的自重,垂直向下,相对于其他作用于结构的外力,其数值一般很小,通常可以忽略。

5)地面对格构结构的支承力H:这种作用力对预应力锚索结构的影响较为复杂,其数值的大小和分布不仅取决于上述各方面的作用力,还与边坡的变形规律密切相关。如果边坡上部的变形比下侧大,等于边坡在斜坡脚下旋转,那么这个作用点的作用点就是支撑点,它的作用值就会更高。在边坡上部的变形比下部小的情况下,如果不是在斜坡的底部,或者在斜坡中埋深较少,那么这种作用力的大小将会很小,甚至是零。由于这种作用力的变化很大,所以在进行格构的内力分析时,通常忽略了这种作用力的影响,但是这种作用力对框架自身的稳定起着很大的作用。

3.3.2 削坡

1)削坡的施工必须由上而下,分段进行,禁止一般大断面的开挖。在滑坡的推动力区内,不能随意堆放挖掘出的废渣,避免滑坡,导致新的崩塌。

2)斜坡开挖采用机械法,一般不适宜于常规爆破,坡度符合设计要求。

3)在建筑工地设置警告标志,疏散受影响区域的人员。

4)为了保证工程的安全,必须加强对削坡的监控。

3.3.3 钢筋锚杆

1)钢筋锚杆采用为Φ25mmⅢ级螺纹钢筋,6.5mm钢筋对中支撑,钻孔90mm,为全黏性锚固,倾斜角度20°,立面间距2m×2m。

2)锚杆孔间距允许偏差为±100mm,孔倾斜为±5%,超过设计锚杆长度≥0.5m。在安装锚杆之前,必须将钻孔内的石粉、积水等杂物清理干净;钢筋应除绣、调直,每隔1.5m设置一对中间支撑,以保证柱身水泥夹层的厚度。

3)注浆材料为M30型水泥砂浆,按比例测定,灌浆压力在0.3～0.5MPa之间;注浆用42.5R强度的普通硅酸盐水泥。

4)在工程建设中,必须在上坡处的锚杆强度达到设计强度的80%,采取自顶向下的施工方式。

3.3.4 预应力锚索

1)用锚索钻出直径137mm的锚绳,用钻机钻,再用空机清除。

2)预应力锚索长20m,锚固段长度8m,设计载荷1000N。

3)缆绳向下倾斜20°,由6条φ15.2mm的钢丝绳构成,灌浆材料为M30水泥砂浆,灌浆材料为0.4MPa,通过试验确定了配比,钻孔应满足设计的要求,倾斜角度≤1°。

4)钻孔深度应与设计深度相适应,倾角不能超过1°,锚索应涂一层防锈漆,并用波纹管保护。在安装锚索时,采用对中的支座,每隔1m布置一对中支架。

5)锚索灌浆分为两个阶段,首先是锚固期,其次是张拉后的防腐蚀灌浆。

6)预应力锚索采用二次张拉法,首次张拉为设计荷载的50%,每次张拉后再进行二次张拉。在张拉阶段,张拉荷载是设计应力的25%,50%,75%,100%,在每一阶段的载荷作用下,每一阶段的应力都要达到设计应力的110%,并且在30min之内完成。

7)张拉后,采用钢筋混凝土再对其进行加固处理。

3.3.5 钢筋混凝土格构

1)格构大小为40cm(宽)×40cm(高)。

2)每10～20m处布置一条可伸缩缝,宽度为2～3cm,然后用沥青麻筋或其它有弹性的防水材料填充。

3)该格构梁混凝土强度等级为C25,钢筋混凝土防护层为50mm。

4)格构梁被埋在岩石中30cm处。

5)格构梁混凝土应采取现浇施工,注意喷淋施工,以确保其强度与质量。为减少施工困难,加速施工,必须合理安排竖向传送模式及工作台,钢筋混凝土格构梁的施工工艺的顺序为: 测线、挖梁、钢筋制安、锚杆头制安、支模、梁槽内浇筑混凝土、拆卸、维护。

4 格构梁内力分析

4.1 倒梁法

1)刚性倒梁法

按照《建筑地基设计规范》要求,在较为均匀的基础上,上部结构的刚度较好,载荷分布也较均匀,在条形梁高度不低于柱距的六分之一的情况下,可以采用线性分布的方法来计算地基反力,条形梁的内力可以用连续梁来计算。在假定格梁为绝对刚度的情况下,梁基底的反作用力是线性的。

在不考虑梁与岩土相互作用的情况下,仅需计算出梁底端的基础反力集,确定地基反作用力的分布情况。当外力被充分地确定后,就可以决定梁的任何部分的内力。

在地基反力确定后采用静平衡法进行格梁内力的计算。很明显,刚性梁法无法将梁的基础特性及弯曲刚度等因素考虑在内,在此基础上,可以忽略地基与梁体之间的相互作用,而内力仅与荷载的大小及位置相关。只适合于较硬的地层和较大的梁弯曲刚度。

4.2 文克尔弹性地基梁法

文克尔假设:地基面任何一处的下沉量都与这一点上单位面积所承受的压力相关。这个假说将地基比作了刚性底座上的弹簧,由于考虑了梁体自身的弹性和地基的弹性变形,克服了反力线性分布的缺陷。

5 结 语

总之,锚格构固结构是近几年在边坡支挡、滑坡防治中广泛采用的一种主动防护结构,它是一种以锚杆(索)与网架结构组合而成的结构形式,能够最大限度地发挥其本身的潜能,起到很好的支撑效果,其结构简单,重量轻,材料节约,坡面绿化方便,技术上具有很高的实用价值,值得推广。