石膏山水库大坝左坝肩高边坡防护设计

范志强

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

石膏山水库地处灵石县南关镇峪口村上游约1.5 km，位于仁义河上游石膏山峡谷出口处。坝型为混凝土重力拱坝，属小型水库。目前大坝已基本完成，大坝左坝肩坝顶以上为人工开挖边坡，坡度70°~80°，最大高度60 m。边坡后缘存在较宽的裂隙密集带，顶部裂隙张开宽达10 cm，边坡为潜在不稳定边坡，可能对大坝及公路后期运行构成威胁，为保证大坝安全，必须对边坡进行防护。

2 左岸边坡工程地质情况

大坝左岸为较宏厚山体的凸出山梁，凸出部分最大高程1160 m，该山梁在坝顶高程以上，两侧陡直，山脊狭窄，宽仅70 m，向下游山体逐渐宏厚。左岸边坡基岩地层为太古界太岳山群石膏山组第二岩组，岩性为灰白色二长混合花岗岩、片麻岩。根据钻孔取样进行室内岩石物理力学性质试验，并在坝下裂隙密集带处取3组块石做饱和抗剪断试验，由试验可知，石膏山组第二岩组岩石单轴饱和抗压强度49.1～97.0 MPa，饱和变形模量（3.30～6.02）×104MPa，泊松比 0.14～0.22，饱和抗剪断强度 0.67～4.9 MPa。

3 左坝肩边坡稳定性分析

3.1 计算方法

根据潜在滑动面情况，稳定计算采用不平衡推理传递法，参考《水利水电工程边坡设计规范》，针对边坡岩体在不同因素影响下所处的状态，分两种工况进行计算。一种是自然干燥状态无静水压力和地震因素影响的情况。此时荷载仅考虑摩擦力、凝聚力及重力下滑分力。另一种是自然干燥状态下，有裂隙静水压力，但无地震力影响。此时荷载中除考虑摩擦力、凝聚力及重力下滑分力外，增加静水压力作为下滑力，静水压力水头取潜在滑面1/3 h高度。

3.2 参数选取

边坡不利结构面的抗剪断凝聚力c值与抗剪断摩擦系数f值参考《水利水电工程地质勘察规范》，考虑结构面发育特征及贯通情况，缓倾角节理裂隙面取c=0.2 MPa，f=0.62；片麻理面取 c=0.1 MPa，f=0.55。岩体天然重度根据岩块试验取平均值26.6 kN/m3。

左岸边坡岩体中节理裂隙较发育，渗透性较好，且边坡两侧临坡，故不会产生太大水头的静水压力。但边坡裂隙张开度具不均匀性，边坡上部一般裂隙张开度，下部相对较小，在暴雨条件下，边坡下部岩体裂隙中水有可能来不及排出，产生一定水头的静水压力。计算时水头取后缘结构面高度的1/3进行计算。边坡岩体的裂缝系数η，即每米水平距离上的贯通裂隙系数，计算时考虑边坡实际情况，按每5 m有一条贯通裂隙考虑，取0.58。

根据《水利水电工程边坡设计规范》，边坡抗滑稳定安全系数k标准取值，正常运用条件下边坡稳定安全系数取1.15~1.2。考虑到边坡失稳后对大坝危害程度严重，本工程安全系数取1.2。

自然干燥状态下边坡稳定计算结果见表1。

表1 自然干燥状态下边坡稳定计算结果

自然干燥状态+静水压力状态下边坡稳定计算结果见表2。

表2 自然干燥状态+静水压力边坡稳定计算结果

3.3 结果分析

根据上述两种工况稳定计算结果，边坡安全系数均不满足规范要求。结合工程实际，取静水压力达到滑面1/3高度时，计算确定需提供3500 kN/m阻滑力边坡安全系数可满足规范要求。

4 预应力锚索设计

大坝左岸岩石边坡开挖面距山体裂隙破碎带垂直距离约22 m，根据实际情况，采用压力分散型预应力锚索方案。

4.1 锚索计算

根据锚索需提供的阻滑力3500 kN/m计算锚固力，计算得设计锚固力为3420 kN/m。预应力锚索间距宜采用3~6 m。根据左岸边坡开挖平面、立面及工程实际情况，设计锚索间排距均采用3 m。

根据地质剖面及工程实际情况，洞顶以上最大开挖断面边坡长度41 m，可布设14排，则每孔锚索设计锚固力为733 kN，根据计算结果，每孔锚索设计锚固力取750 kN。

锚索钢绞线采用15.2 mm、抗拉强度1860 MPa，每根极限张拉荷载259 kN，计算得每孔锚索根数为5.21根，设计采用6根。

锚索锚固段主要包括灌浆材料、孔径及锚固段长度。根据工程实际情况，灌浆材料采用纯水泥浆，灌浆体抗压强度35 MPa。锚孔直径根据锚索直径及根数并考虑砂浆体的空间来确定，4~8束根钢绞线的锚索，锚孔孔径90~130 mm，因此锚孔直径确定为130 mm。根据锚固体与孔壁的抗剪强度计算锚固段长度，计算得锚固段长度为3.83 m。承载体个数初定3个，则每个承载体分担的设计锚固力为250 kN。计算得注浆体抗压强度为33.92 kPa，小于35 MPa水泥浆极限抗压强度，满足设计要求。压力分散型锚索承载体分布间距通常在3~7 m中选取。根据计算结果结合锚固长度范围，考虑破碎带的局部变化，锚固段长度确定为9.0 m。

4.2 预应力锚索结构设计

锚索由锚固段、自由段和紧固头三部分组成。锚固段总长9.0 m，分三段，每隔3 m设一承载体。无黏结钢绞线绕承载体弯曲成“U”字型，并与承载体捆绑构成单元锚索。灌浆后锚索居中，四周为纯水泥浆。自由段为锚索穿过被加固岩土体的段落。自由段锚索应伸入潜在滑动面以下1 m的稳定岩层内，平均长度29 m。自由段每隔2 m设一道架线环，以保证钢绞线顺直。紧固头由部分钢绞线、承压钢垫板、锚具、垫墩组成。承压钢垫板尺寸250 mm×250 mm，厚20 mm，承压钢垫板内嵌于垫墩里。垫墩C30混凝土上部尺寸450 mm×450 mm，四周采用1∶0.5边坡与锚固面衔接，最小高度不低于250 mm。锚索锁定后采用C30混凝土封头，混凝土覆盖层厚度250 mm。根据地质提供左岸边坡岩石单轴饱和抗压强度49.1～97.0 MPa，每孔锚索设计预应力750 kN，岩石抗压强度满足设计要求，可不设地梁。

5 结论

根据左岸边坡地质情况及计算结果，锚索采用压力分散型锚索，钻孔直径130 mm，锚固段长度9.0 m，自由段平均长度29 m，每孔锚索由6束钢绞线组成，每孔锚索设计锚固力750 kN。锚索钢绞直径15.2 mm、抗拉强度1860 MPa，极限张拉荷载259 kN。灌浆材料采用35 MPa纯水泥浆。垫墩及封头采用C30混凝土。锚索间排距3 m×3 m，根据实测地形图及工程实际情况，左岸边坡开挖面共布设200孔压力分散型锚索。