浅析水利工程中边坡加固处理技术

2013-12-08贵州省水利水电勘测设计研究院

河南水利与南水北调 2013年2期

□赵芳（贵州省水利水电勘测设计研究院）

在水利水电工程中经常会遇到边坡稳定的问题。工程中的边坡稳定性直接决定了项目建设的可行性，对工程的安全运行和项目投资有着很大的影响。曾经很多大型水利水电工程项目在施工过程中出现了边坡失稳的问题，例如漫湾水电站左岸坝肩高边坡、天生桥水电站厂区边坡、安康水电站坝区边坡、龙羊峡水电站虎山坡边坡等。在治理这些工程边坡失稳问题时花费了大量的人力和金钱，同时施工工期也受到了影响，这个问题在我国水利工程项目施工过程中越来越严峻，甚至有些项目的边坡工程是影响工程施工进度和是否竣工的关键。我国正在建设一大批大型重点水利项目，例如李家峡、三峡、龙滩、拉西瓦等水利工程都面临着严重的边坡稳定问题。其中国家重点项目三峡工程，库区范围内存在着十几处近亿立方米的滑坡体，龙滩水电站的边坡也存在总计超过1000万m3的倾斜蠕变体，在拉西瓦水电站的下游同样也有着大约700m的大型不稳定山体。这些水利工程的项目规模和所面临的技术难度都是非常重大的,所以重视水利工程边坡工程的科学研究，努力研究出一套科学有效的边坡工程勘测、设计、施工、监测技术，已经成为水利工程领域热门的科研课题。以下将通过喷锚防护、预应力锚索梁和岩质边坡绿化喷播技术3个重要的方面对水利工程中边坡加固处理技术进行分析。

1.锚杆支护技术

锚杆支护是一种主动加固岩土体的技术措施，能够有效地控制岩土体的变形，防止土体发生坍塌。通过锚固的长度可以将锚杆划分为全长锚固和端头锚固两种；还可以根据锚固方式分为粘结锚固、机械锚固、摩擦式锚固等。

1.1 锚杆支护的作用机理

1.1.1 悬吊作用

锚杆支护通过锚杆能够使松动、软弱、不稳定的土体悬挂在稳定的岩土体中，避免其发生离层滑落。锚杆主要是提供拉力起悬吊的作用，使其能够克服不稳定岩土体的自重或者下滑力，来保障边坡岩土体的稳定。

1.1.2 组合梁作用

薄层状的岩土体仅仅是简单叠合在一起，可以看作简支梁结构。没有进行锚固工作前，在荷载作用下岩体上下缘分别处于受压和受拉状态，单个简支梁都出现独自的弯曲变形。而通过锚杆对其进行支护后，相当于一种组合梁结构，各层岩体发生相互挤压，层间的摩阻力也会随之增加，组合梁的抗弯强度也得到增强，这样就提高了边坡岩土体的承载能力。锚杆直接影响到其强度，随着锚固力的增大而增大。

1.1.3 挤压加固作用

通过锚杆作用能够形成一种锥形压缩带，使相邻锚杆形成的锥形体压缩区相互重叠，这样就出现了具有一定厚度的连续压缩带，大幅度地提高了边坡岩体的承载能力。在边坡出现软弱破碎岩土体时锚杆挤压加固作用特别显著。

1.1.4 围岩强度强化理论

锚杆支护本质上是改善了边坡加固区的力学参数，从而保证了边坡工程中岩体的稳定性。

1.2 国外岩石锚杆设计技术

在设计坚硬岩层锚杆的锚固深度过程中，假定岩石均质，对于单根锚杆而言顶角90°轴线与锚杆中心线重合的圆锥形是其影响区。那么理论上锚杆所需的深度为：

当锚杆垂直于岩层的走向时，锚固效果是最好的。如果工程中出现的不规则节理岩体和软弱的岩石，可以采用L.Hobst推导的公式来确定锚固深度，该公式假定岩块侧面的摩阻力等于锚杆的抗拔力，而通过圆形或圆锥形的岩块来传递锚杆上的应力，锚杆端部的上撑力产生的侧向应力决定了摩阻力的数值，在边坡表面附近该应力为零，然后随着锚杆深度增加到根端平面处的最终值σh。σh可通过以下公式计算：

2.预应力锚索梁技术

随着边坡加固技术水平的不断发展，出现了一种新型加固措施—预应力锚索梁，它主要由锚梁和锚索两部分组成。锚索一般分为临时性锚索和永久性锚索两大类。

2.1 预应力锚索梁作用机理

锚索能够使松散软弱的岩层连接成一个整体，同时将其锚固在深处稳定的岩体上，然后进行预应力的施加，那么锚索长度范围内的松散软弱的岩层就会被压实挤密，岩层间的摩擦力和正压力都会得到提高，防止松散岩体开裂发生位移，从而实现对边坡进行有效加固的目的。根据锚固段的受力情况可将锚索分为3种：荷载分散型锚索、荷载集中型锚索以及拉压复合型锚索。工程中应用最广泛的是荷载分散型锚索。

2.2 预应力锚索梁技术设计方法

由于目前理论水平的局限性，工程中边坡预应力锚索梁技术的设计方法通常采用类比法，主要根据技术人员设计的经验来确定锚索的设计参数，但对于锚索的作用机理的研究还不是非常深入，现在还未能形成一套完善科学的分析设计方法。目前国内水利工程设计领域，对于计算拉力型锚索岩土体中锚索的极限承载力通常采用的是英国BS8081建议的公式，假定条件是粘结应力沿锚固段全长均匀分布。日本工程学者尾高英雄等依据变形一剪应力理论(即局部变形假定)提出压力分散型锚索的设计方法，该方法需要假定锚索体与注浆体的复合体与周边岩体界面的粘结强度τ不随锚固体的长度而发生变化，是一个定值，以此来计算得出锚索的极限承载力。

2.3 压力分散型锚索优缺点

压力分散型锚索的优点和缺点都很明显。其优点主要有：锚固段注浆体受压、受力更合理，锚索的承载体分散受力，这种锚索结构在抗剪强度不高的软岩体或者某些土层的边坡加固工程中特别适用。它的缺点是：在长期的工作状态下钢绞线的拉伸应力难以保持一致，施工过程中锚索的预应力调整不是非常方便，对锚具的要求非常高，而且施工过程非常繁琐。

3.坡面防护

岩质边坡绿化喷播技术是坡面防护工程中重要的技术手段，岩质边坡绿化喷播技术主要指在坡面形成一种绿化植物能够正常生长发育，同时基质又不会被冲刷的稳定坡面结构；它利用特制的工程机械把植物养料、土壤、保水材料、植物种子、水泥等混合料加水后喷射到边坡岩面上，因为水泥会产生粘结作用，混合物能够在边坡表面形成一层的硬化体。这一层硬化体具有连续空隙的特点，不仅能够保证种植免遭冲蚀，而且硬化体的空隙中填有种子、土壤等，种植基质有一定的填充空间，植物根系也有充足的生长空间。这种技术主要用于处理开挖后的岩体边坡不宜直接进行绿化的情况。

岩质边坡绿化喷播技术的主要施工过程是：先进行修整边坡，锚杆、挂网，然后喷射7～8cm厚不含植物种子的混合料，第二次喷射2～3cm厚含有种子的混合料，在喷射工作结束后要进行覆盖保湿，防止雨水冲刷。如果混合料喷播后没有下雨应该每天进行浇水以保障土壤湿润，在成坪后才可以逐步减少浇水的次数。