深圳抽水蓄能电站工程下库边坡土钉支护设计

【摘要】土钉支护是基于新奥法理论发展起来的边坡支护技术，与传统的砼贴坡挡墙、堆石护坡、削坡卸载、抗滑桩加固等支护方法相比较，具有经济可靠、结构轻柔、施工设备简单、施工占用场地少、对周围环境的干扰小等优点，特别是持续、渐变的变形特点，使得土钉实现动态设计和信息化施工，因而深受工程技术人员的喜爱。本文主要介绍土钉技术在深圳抽水蓄能电站工程中边坡土钉设计的应用情况和个人的体会。

【关键词】下库边坡；支护；土钉

中图分类号：〔TV91〕 文献标识码：A

1、基本概况

深圳抽水蓄能电站下水库是利用已建的铜锣径水库进行扩容改建。下水库正常蓄水位为80.00m，死水位60.00m，调节库容1625.24万m3，工作水头20m，调节库容1545万m3。下库进出水口位于铜锣径水库库尾，水流主要来自左侧狭窄的过流断面，为侧式进出水口。下库进出水口边坡较高，高度达33.45m。该坡为土质边坡，受下库进出水口边坡施工开挖影响，边坡地形较零乱，且处在水库动水区内，自稳能力差，根据抽水蓄能电站水库水位变化频繁、变幅较大的特点，同时由于下水库消落深度（20m）较大，库面较窄，库岸边坡较陡，在骤降工况易引起边坡失稳，局部覆盖层较厚的部位可能会产生崩坍、浅层滑落等库岸失稳现象，需要验算不同工况条件下的边坡稳定。

2、地形地质条件

深蓄下水库利用铜锣径水库扩建而成，位于上水库北面横坪公路北侧，距上水库约4.3km，在三洲田水库下游，响水河流入库中。铜锣径水库由三条呈“土”字型大冲沟组成，地形总体上呈东南高（山顶高程一般150～250m）、西北低（山顶高程一般100～150m）。库周冲沟水汇集于库盆经西侧主坝址流出库外，库周山坡坡度一般在20～25°，局部达30°，植被茂盛。

边坡工程地质推测如下：

（1）表层为第四系地层（Q）：坡面为坡积土（QDL）覆盖，厚约1.6～2m，可塑状；69m高程以下至坡脚57m高程，上部为1m～3m厚人工松散堆积层（QS），土质松软、边坡面已见多处失稳冲沟；坡脚（57m高程）以外为水库底，表层为冲积（Qal）层，约0.5m～3m，少见淤泥，土质软塑状。

（2）基岩为花岗岩：全风化（Ⅴ）层分布广泛，埋深约12m～14m，上部可塑、下部硬塑～坚硬状，但在57m高程库底部位因长期饱水一定深度内呈软塑状。

（3）强～弱风化基岩，埋深较深，分布广泛，岩石坚硬。

该坡为土质边坡，受横坪公路、下库进出水口边坡施工开挖影响，边坡地形较零乱，且处在水库动水区内，自稳能力差，应作加回处理。

土样室内试验结果，坡积层饱和快剪强度指标平均值C=16.3kPa，φ=24.6°，三轴压缩试验（固结不排水剪）总应力强度参数平均值Ccu=20.8kPa，φcu=22.8°，有效应力强度参数平均值C′=17.8kPa，φ′=26.4°；全风化带饱和快剪强度指标平均值C=15kPa，φ=27°，三轴压缩试验（固结不排水剪）总应力强度参数平均值Ccu=27.6kPa，φcu=23.2°，有效应力强度参数平均值C′=22.7kPa，φ′=28.3°。库岸大部分范围坡角大于土层内摩擦角，存在库水涨落时坡度较陡地段可能会产生失稳现象。

3、边坡土钉设计

3.1 土钉支护方案的确定

一般边坡加固处理主要方法有：砼贴坡挡墙、堆石护坡、削坡卸载、抗滑桩加固、压重护脚及锚杆土钉支护等方案。由于下水库边坡山体雄厚，库岸山体较陡，用砼贴坡挡墙或堆石护坡则工程量较大，且堆石护坡坡度较缓，减少有效库容；抗滑桩加固直接影响到进出水口边坡底下的隧洞，也不宜考虑；从地质提供的土层稳定的边坡坡比为1：2，如果按照1：2的边坡进行设计，需要挖除现状的横坪一级公路，也不现实。根据下水库进出水口地形地质条件，初步设计方案为﹕54.25m～58.00m高程垂直开挖，58.00m～80.00m高程1：1.3开挖，80.00m～87.70m高程1：0.75开挖，采用锚杆土钉面板护坡方案。

3.2 参数设计

支护设计的原则是安全可靠，并根据施工的过程中得到信息后改进设计，设计步骤依次如下：

（1）按经验设定参数，初步计算土钉受力最大的拉力。

在使用状态下每一土钉中的最大拉力T可用下式求出：

式中：：为孔壁抗拔力，d为钻孔孔径，为全风化土体与锚固体极限摩阻力，为强风化岩体与锚固体极限摩阻力，为土钉在全风化土中的有效锚固长度，为土钉在强风化岩体中的有效锚固长度，为钉材与砂浆界面有效锚固力，为钻孔孔径，为钉材与砂浆界面极限摩阻力，为土钉钉材抗拉力，为钢筋抗拉强度设计值。

土钉的设计长度按保证孔壁抗拔力大于土钉钉材抗拉力考虑，则土钉的受拉承载力设计值

（4） 内部整体稳定分析。土钉支护内部稳定分析采用圆弧滑动面条分法，输入各层土的物理参数

、土钉参数等，临界滑动面位置由计算机确定。

计算程序：采用武汉大学SeepV3.0软件计算渗流，采用陈祖煜编制的土石坝专用程序—“土质边坡稳定分析（STAB2005）程序”进行稳定计算和理正岩土计算中边坡稳定分析进行对比，采用土钉参数为：54.25m～58.00m高程采用3m的的20锚杆，间距1.5m，排距1.5m ；58.00m～80.00m高程边坡采用长6m的的32土钉，间距1.5m，排距1.5m 。采取上述開挖及支护方式后边坡稳定满足规范设计要求。

（5）喷混凝土面层设计。本工程支护面层采用喷50mm厚C25砼， 然后设置面板设置一层14钢筋网，面板砼厚度250mm，每根土钉设置短钢筋与土钉焊接，并包裹在喷砼层内。

4、总结

（1） 对于抽水蓄能电站边坡在水位骤降时，边坡处于最危险的状态，即系正常蓄水位到死水位的骤降，土体处于饱和状态，特别不满足在地质提出的稳定边坡，需要进行各种水位骤降的反复验算，合理提出支护方案，同时加强高边坡的巡视及观测，做好安全防范措施，发现问题及时处理。

（2） 土钉支护面板砼适当设置一层钢筋网，防止面板砼由于温度过高产生边坡的裂缝，同时在土钉锚杆的头部适当预紧力，增强土体稳定性。

（3） 在坡顶设置截水沟，减少雨水对坡面的直接冲刷；边坡排水孔适当增大，保持排水孔的通畅性，可以适当增加塑料排水盲沟，形成排水系统管网。

（4） 从土钉计算公式来看，孔壁抗拔力是影响土钉的受拉承载力最关键的因数，土钉锚杆应尽可能伸入强风化岩体，提高土钉的受拉承载力。

（5） 从国内外土钉支护的失败例子来看，地表水、地下水的不利作用至关重要，所以应作好地表水的拦截和坡面水、地下水的排水工作，并充分考虑地下水的作用对边坡土的物理力学性能的不利影响。

参考文献：

〔1〕黄 勇. 深圳抽水蓄能电站可行性研究报告〔R〕.广州：广东省水利电力勘测设计研究院，2009.

〔2〕广东省土钉支护技术规程（DBJ/T15-70-2009）〔S〕.北京：中国建筑工业出版社，2009.

〔3〕姚礼敏， 谭季麓，土钉技术在东深供水改造工程深基坑支护中的应用〔J〕. 中国农村水利水电：北京， 2001.（1）39-40

作者简介：钟德培，男，工程师，本科，主要从事水利水电工程设计工作。