钢筋桩在软地基重力坝深层抗滑稳定分析中的应用

陈 波

(中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

1 工程概况

某重力坝为常态混凝土重力坝，最大坝高32 m，坝顶宽5 m，最大坝底宽度24.14 m；上游坝坡坡比1∶0.1，下游坝坡坡比1∶0.75。坝轴线全长140.75 m，枢纽布置为挡水大坝+右岸溢洪道+坝身取水兼放空管。

右岸为“凸”向河床的山脊地形，坝基岩体主要为强风化、弱风化黏土岩夹粉砂岩，岩质软弱，层面发育，且下游侧具备临空条件，大坝抗滑条件较差。右岸非溢流7#坝段建基面为黏土岩软地基，且下游为冲沟地形，形成剪出临空面；深层滑动模式分析中，存在上游近横河向裂隙为后侧滑移控制面，以煤层为底滑面，剪断下游岩体后滑出的危险模式。

为了满足该坝段的承载力和稳定要求，以7#坝段为典型坝段，按照基于等安全系数法的刚体极限平衡法对比分析下挖齿槽和钢筋桩等工程措施，提出上游扩挖齿槽方案、上游扩挖齿槽+钢筋桩处理方案和钢筋桩方案。该重力坝右岸上游立视图见图1。

图1 重力坝右岸上游立视图

2 重力坝深层抗滑稳定分析方法

在混凝土重力坝设计中，当坝基岩体内存在软弱结构面、缓倾角裂隙时，重力坝深层抗滑稳定的分析方法按《重力坝设计规范》(SL 319-2018)采用基于等安全系数法的刚体极限平衡法进行计算。

工程地基内往往存在多条互相切割交错的断层、软弱夹层或者临空面，构成复杂的滑动面。在作深层抗滑稳定分析时，应验算可能的滑动通道，找到最不利的滑动组合，进而计算其抗滑稳定安全系数。根据滑动面的分布情况综合分析后，可分为单滑面、双滑面和多滑面的计算模式，一般单滑面和双滑面最为常见[1]。

2.1 单滑面深层抗滑稳定分析

见图2。

图2 单滑面深层抗滑稳定计算示意图

考虑ABC块的稳定，AB为滑动面，则有:

式中：K′为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；W为作用于坝体上全部荷载(不包括扬压力，下同)的垂直分值；H为作用于坝体上全部荷载的水平分值，kN；G为岩体ABC重量的垂直作用力，kN，岩体容重取26 kN/m3；f′为AB滑动面的抗剪断摩擦系数；c′为AB滑动面上的抗剪断凝聚力，kPa；A为AB面的面积，m2；α为AB面与水平面的夹角；U为AB面上的扬压力，kN。

2.2 双滑面深层抗滑稳定分析

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2018)附录E，采用抗剪断强度公式进行计算。见图3。

图3 双滑面深层抗滑稳定计算示意图

考虑ABD块的稳定，则有:

考虑BCD块的稳定，则有:

3 7#坝段深层抗滑稳定分析

3.1 滑动模式及参数分析

根据右岸深层抗滑稳定裂隙组合面示意图(图4)及相关地质资料，经分析得到存在两种滑动模式：模式Ⅰ(上游岩体剪断后，以黏土岩层面为底滑面，剪断下游岩体后滑出的双滑面滑动模式)、模式Ⅱ(上游岩体剪断后，以黏土岩层面为底滑面，向下游临空面滑出的单滑面滑动模式)。

图4 7#坝段深层抗滑稳定裂隙组合面示意图

滑面综合参数取值如下：

计算模式Ⅱ中滑动面参数为：f′=0.35，c′=0.07 MPa。

3.2 计算结果及分析

各工况下，7#坝段深层抗滑稳定最小安全系数见表1。

表1 7#坝段深层抗滑稳定计算成果表

根据表1计算结果分析可知，7#岸坡坝段高程1 291 m(黏土岩)深层抗滑稳定安全系数不满足规范要求，需采取工程措施保证坝基深层抗滑稳定。

4 7#坝段基础处理方案

4.1 坝基处理方案拟定

根据滑动分析计算结果，7#岸坡坝段(黏土岩)建基面、沿层面及深层抗滑稳定均不满足要求，且最危险的工况为7#坝段沿着上游岩体剪断后，以黏土岩层面为底滑面，向下游临空面滑出的模式。

对于重力坝抗滑稳定问题，处理地基的工程措施主要有设置坝基齿槽、抗剪洞塞、抗滑桩处理等[2]。抗滑桩是利用钢筋或钢筋混凝土的抗剪作用提供抗剪力，主要型式有钢筋混凝土桩、钢管桩、钢筋桩等[3]。由于小孔径的钢筋混凝土桩在岩体中桩孔机械钻孔不易施工，一般水利水电工程中常采用大孔径的钢筋混凝土桩，其结构断面大，人工或机械开挖成孔，再安装钢筋并浇筑混凝土，待混凝土龄期足够，强度满足要求后方可继续浇筑坝体混凝土。由于处理时间长，且占用直线工期，对大坝防洪度汛安全和工程施工总工期影响较大[4]，故优先考虑选用钢筋桩和钢管桩方案。

经分析论证，本地区地下水呈弱腐蚀性，对于钢管桩的外侧钢管易造成锈蚀从而衰减钢管桩的抗滑力，钢管桩管壁与岩石间结合部分的施工质量控制较困难，最终可能导致整体失稳破坏[5]。经过技术经济和施工条件比选，最终采用钢筋桩，长为10～15 m，以深入黏土岩计算层面以下不小于4 m进行控制，钢筋桩孔径150 mm，钢管外径50 mm，钢管壁厚为9 mm，并在钢管外固定5Φ32的钢筋。

综上分析，提出以下处理方案：①上游齿槽+钢筋桩方案；②钢筋桩方案。

4.2 上游齿槽+钢筋桩方案

4.2.1 上游齿槽方案

首先考虑单独设置齿槽处理方案，即在坝基上游设置深度为2 m、底宽2 m、坡比为1∶0.5的混凝土齿槽，采用与坝体垫层同标号混凝土。具体滑动模式见图5。

图5 齿槽处理方案深层滑动模式简图

根据相关地质资料，模式Ⅰ齿槽上游岩体剪断，以黏土岩层面为底滑面，剪断下游岩体后滑出；模式Ⅱ齿槽上游岩体剪断后，以黏土岩层面为底滑面，向下游临空面滑出；具体取值参数见表1，计算结果见表2。

表2 齿槽处理后7#挡水坝段深层抗滑稳定计算结果

由计算结果可以看出，增加齿槽后，深层抗滑稳定安全系数增加不明显，不满足规范要求。经过试算，下挖5 m齿槽深度后，模式Ⅰ和模式Ⅱ的稳定安全系数仍然较低，无法满足规范要求，且进一步增大齿槽断面的必要性不大，但由此带来齿槽开挖工程量较大，降低了措施的经济性。因此提出在齿槽的基础上，增加钢筋桩这种更经济、更有效的措施来增强大坝的稳定性。

4.2.2 上游齿槽+钢筋桩处理方案

齿槽+钢筋桩处理方案，即在坝基上游设置深度为2 m、坡比为1∶0.5的混凝土齿槽，另外再增加必要的钢筋桩。齿槽+钢筋桩处理后深层滑动模式见图6。

图6 齿槽+钢筋桩处理深层滑动模式简图

滑动模式和计算参数同前。钢筋桩单根提供的抗剪力为约1 600 kN，单宽坝段布置5根，间距3.0 m。钢筋桩长为10～15 m，以深入黏土岩计算层面以下不小于4 m进行控制，钢筋桩孔径150 mm，钢管外径50 mm，钢管壁厚为9 mm，并在钢管外固定5Φ32的钢筋。计算结果见表3。

由计算结果可以看出，齿槽+钢筋桩处理方案对于稳定系数的提高较明显，能够满足稳定要求。

表3 齿槽+钢筋桩处理后7#挡水坝段深层抗滑稳定计算结果

齿槽+钢筋桩处理方案主要工程量见表4。

表4 齿槽+钢筋桩处理主要工程量表

4.3 钢筋桩处理方案

深层滑动模式见图7。

图7 钢筋桩处理方案深层滑动模式简图

计算结果见表5。

表5 钢筋桩处理后7#挡水坝段深层抗滑稳定计算结果

单宽坝段布置6根，间距2.0 m，钢筋桩长为10～15 m，以深入黏土岩计算层面以下不小于4 m进行控制，钢筋桩孔径150 mm，钢管外径50 mm，钢管壁厚为9 mm，并在钢管外固定5Φ32的钢筋。

钢筋桩处理方案主要工程量见表6。

表6 钢筋桩处理主要工程量表

5 基础处理方案选择

综上分析计算，本工程基础处理共考虑了上游扩挖齿槽方案、上游扩挖齿槽+钢筋桩处理方案和钢筋桩方案，各方案适应性分析如下：

1) 从处理效果来看，增加齿槽后，深层抗滑稳定安全系数增加不明显，不满足规范要求。经过试算，下挖5 m齿槽深度后模式Ⅰ和模式Ⅱ的稳定安全系数仍然较低，无法满足规范要求，且进一步增大齿槽断面的必要性不大，但由此带来齿槽开挖工程量较大，降低了措施的经济性。经计算，钢筋桩单根提供的抗剪力为约1 600 kN。由计算结果可以看出，齿槽+钢筋桩处理方案和钢筋桩方案对于稳定系数的提高较明显，能够满足稳定要求。就处理效果来看，齿槽+钢筋桩处理方案和钢筋桩方案较优。

2) 从处理工艺来看，上游扩挖齿槽方案最为简单，且工程实例运用较多，技术成熟；钢筋桩处理施工工艺相对简单，采用机械钻机成孔-下放安装好的钢筋束(钢筋焊接固定于钢管外侧)-回灌水泥砂浆。但是二者结合施工，就难免造成工艺流程、工种人力和物力上的繁杂。就处理工艺来看，钢筋桩方案较优。

3) 从适应性来看，齿槽处理是一般水利水电工程处理地基常用的，也较为简单直接。但钢筋桩方案作为处理坝基稳定的措施在水利工程中运用的不太多，成功运用的工程主要有：①贵州乌江沙沱水电站11#坝段抗滑稳定加固处理措施。②引子渡水电站大坝与溢洪道之间的预留岩锚墙。由于其底部岩体中存在软弱夹层，遇水极易软化，抗剪指标低，且施工时又为顺向坡切脚开挖，致使开挖过程中该部位岩体处于不稳定状态。为解决这一问题，采取了开挖减载、钢筋桩与锚索锚固等综合处理措施，保证了施工期和运行期的边坡稳定。③贵州三板溪水电站泄洪洞出口的开挖由于受地质条件的影响，边坡失稳塌方，在马道增设钢筋桩，实施后效果良好。④广西龙滩水电站左岸坡支护采用钢筋桩，对于保证高边坡的稳定性起到了重要的作用[4]。从适应性来看，钢筋桩处理措施作为成功的措施，但运用的较少，齿槽方案较为优。

综上分析，两种方案均能够满足稳定要求。从处理效果、施工工艺、经济性和处理耗时等方面综合比较，钢筋桩处理方案施工工艺简单，技术成熟可靠，工期短，处理效果好，处理费用相对较低，最终根据设计方案、工程投资等方面综合选定钢筋桩处理方案。

6 结 语

1) 弱风化黏土岩，承载力和抗滑稳定参数较低，另外结合岩体裂隙层面的发育情况，分析计算该坝段抗滑稳定性不满足规范要求；

2) 通过分析，针对软土地基上重力坝抗滑稳定性差的情况，提出了齿槽和钢筋桩等处理措施，分析表明加固措施后抗滑稳定性有明显的改善。

3) 从处理效果、施工工艺、经济性和处理耗时等方面综合比较，钢筋桩处理方案施工工艺简单，技术成熟可靠，工期短，处理效果好，处理费用相对较低，是一种较优的处理软地基重力坝抗滑稳定性的措施。