微型桩固结灌浆地基处理技术在三峡库区回填土库岸护坡工程中的应用

2017-05-25黄栋,黄磊,刘孟

资源环境与工程 2017年2期

黄栋, 黄磊, 刘孟

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院,湖北武汉 430074;2.中冶集团武汉勘察研究院有限公司工程咨询公司，湖北武汉 430014; 3.中国地质大学(武汉) 教育部长江三峡库区地质灾害研究中心,湖北武汉 430074)

黄栋1, 黄磊2, 刘孟3

三峡库区库岸失稳现象频发,由于库水位在145～175 m之间频繁变化,且回填砂土渗透性大的特点,护坡工程基础快速施工技术成为迫切需要的关键技术。以秭归县茅坪镇滨湖路库岸边坡为例,进行了稳定性分析和灾害治理,工程中运用微型桩固结灌浆地基处理技术作为防治措施,有效地解决了施工技术问题。

微型桩；固结灌浆；护坡工程；稳定性分析

1 工程概况

三峡库区存在大量全风化花岗岩回填土库岸,库区内地质条件十分复杂,由于库岸回填砂土渗透性大,在三峡工程库区正常蓄水后,库水位在145～175 m范围内反复变化,水位升高、水库水位的大幅度变化、水流冲刷引起坡脚掏空等因素必将引起库区内边坡稳定和环境问题。因而回填土库岸防护一直是涉及新建城镇安全性以及库区下游人民生命财产安全的首要问题。

秭归县茅坪镇滨湖路居民点库岸地处长江南岸、三峡大坝近坝段,主要为第四系含块石回填砾砂岸坡。三峡水库蓄水后,在2012年10月—2013年1月,该段库岸出现较严重变形,主要为在岸坡平台出现与岸坡走向大致平行的裂缝,且变形有加剧趋势。库岸变形直接危及滨湖路居民点安全。

该岸坡原地形为山脊斜坡地形,地形起伏,呈鸡爪型,后经开挖回填,在岸坡高程181 m以上形成宽大平台。临三峡水库岸坡原始地形为宽缓冲沟,经回填后,冲沟变浅,高程150 m,地形坡度约25°～35°,高程150 m以下山脊斜坡地形坡度多>30°,冲沟底部地形坡度多<20°。物质组成主要为含块石回填砂砾及全风化花岗岩,未进行碾压,结构松散,钻孔揭露回填物最大厚度18 m,为含块石砾砂。在局部原始冲沟地带分布坡洪积土体,为砾质轻壤土、砾质中壤土,分布范围及厚度不均。下伏闪云斜长花岗岩,全风化厚度2～11.8 m。岸坡地下水缺乏,未见地下水露头。长江为区内地表、地下水的最低排泄基准面。地质平面图见图1所示。

图1 滨湖路库岸边坡工程地质平面图Fig.1 Geological plane of Binhu Road bank slope protection engineering1.第四系人工堆积层;2.前震旦系花岗岩;3.第四系与基岩界线;4.含块石砾砂;5.闪云斜长花岗岩;6.175 m水位线;7.地质剖面及编号;8.库岸再造边界线;9.钻孔编号覆盖层厚度/m。

2 岸坡变形特征及成因机理

2.1 变形特征

岸坡目前变形破坏主要表现为在暴(久)雨时平台前缘陡坡坡面产生小规模渗透变形及在三峡正常蓄水位175 m附近形成浪坎,在临岸坡平台分布与岸坡顶边线近平行的地坪伸缩缝开裂(编号:Lf1、Lf2、Lf3),裂缝宽度2～4 cm。

2.2 成因分析

由于库岸坡体由砂土天然堆积而成,物质结构较为松散,坡面未加以防护,仅能满足自然工况下的稳定性。因此在持续降雨或暴雨情况下,降水入渗量大,下渗后向水平方向渗流,由内向外的渗流会造成管涌或流砂,边坡即会发生变形破坏,破坏模式以浅层滑动、流砂为主。在坡脚有挡墙的地段,挡墙出现鼓胀现象。而在库水淹没与冲蚀作用下,一方面土体抗剪强度降低,另一方面受地下水抬升由于孔隙压力作用,具有整体失稳的可能[1]。

长久来看,在库水、波浪的浪蚀扰动及软化作用下,坡脚附近的土、砂及砂砾、碎石等细颗粒最终被波浪回流带走,上部物质失去支撑发生坍塌,形成浪坎这一塌岸现象。

3 岸坡稳定性分析及防护工程设计

3.1 稳定性分析

根据上文的分析,分别对1-1′、2-2′、3-3′剖面回填部位前缘可能存在的圆弧型滑动破坏与下伏相对软弱夹层(坡洪积土)可能产生的整体滑移破坏进行稳定性计算。

3.1.1 计算参数

回填砂天然重度、饱和重度经过室内试验及结合工程类比法综合确定。

表1 计算参数取值一览表Table 1 Calculation parameters determination

图2 滨湖路库岸边坡2-2′剖面图Fig.2 Profile map of 2-2′ in Binhu Road bank slope1.人工堆积层;2.洪坡积层;3.前震旦系结晶岩;4.塌岸后缘范围线;5.第四系与基岩界线(虚线为推测);6.全风化带下限(虚线为推测);7.强风化带下限(虚线为推测);8.前震旦系结晶岩(全风化);9.前震旦系结晶岩(强风化);10.前震旦系结晶岩(中风化)。

3.1.2 计算方法与工况选择

局部稳定性计算采用瑞典圆弧法,整体稳定性计算采用剩余推力法[2]。荷载组合主要考虑自然条件、建筑荷载、暴雨、三峡不同库水位及水库水位变化等情况。其中不同库水位主要考虑三峡水库运行初期和正常蓄水期的最不利水位,考虑到覆盖层具强透水性,选取两种方法进行稳定性计算。

工况一:145 m最高水位+土体自重+地表荷载+20年一遇暴雨。

工况二:175 m最低水位+土体自重+地表荷载+20年一遇暴雨。

3.1.3 计算结果

表2 岸坡稳定性计算一览表Table 2 Calculation of slope stability

根据《三峡库区三期地质灾害防治工程地质勘察技术要求》[3](2004),本次库岸防治工程等级属Ⅱ级,安全系数为1.15。经稳定性计算分析,库岸在暴雨工况下可能产生局部滑移变形(图2所示2-2′剖面),不会产生整体型滑移。

3.2 防护工程设计

库岸防护工程设计的目标是确保岸坡不产生滑移破坏,确保库岸周边居民的房屋、生命财产及各类公众建设设施的安全,尽量保护并改善库岸周边的自然环境。

3.2.1 削坡工程

高程151.5 m～177 m之间按1∶1.8、1∶2的坡率进行削坡,在高程166 m和高程177 m处分别设置宽2 m的马道,高程177 m以上按1∶1.5的坡率进行削坡,在进行土石方工程时,坡面残留的松动岩块、浮土都应清除,便于格宾和三维植被网的施工。

经削坡治理后,坡体处于稳定状态,计算结果见表3。

表3 治理后2-2′支挡结构前未塌岸时稳定性Table 3 Stability of retaining structure of 2-2′ before collapsing after treatment

3.2.2 微型桩固结灌浆结合支挡墙工程

高程150 m处设置三排微型桩+4道固结灌浆孔+混凝土盖板,混凝土盖板采用C25混凝土,顶面高程150 m,宽5 m,厚0.4 m,盖板每隔15 m设置伸缩缝,缝宽2～3 cm,缝内充填沥青麻筋；盖板做好后再施工微型桩和固结灌浆孔。此方案微型桩加挡墙起支挡作用,灌浆提高滑面的抗剪强度,主要是为了确保在库岸再造作用下前缘塌岸后库岸处于稳定状态。

(1) 微型桩。在K0-15～K0-100库岸段高程150 m处设置三排微型桩,微型桩排距1 m,间距1.5 m,孔深依次为15.5 m、16 m、16.5 m,需进入全风化线以下5 m,孔径150 mm,孔内放入10#工字钢,浇筑水泥浆；微型桩工字钢伸长至C30混凝土重力式挡墙中1.3 m。

(2) 固结灌浆。第一排微型桩前设置4道固结灌浆孔,排距1 m,孔径130 mm,孔深依次为11 m、11.5 m、12 m、12.5 m,需进入全风化线,第1、2道固结灌浆孔设置在第二、三排微型桩之间,间距1.5 m；第3、4道固结灌浆孔间距1 m,呈梅花型布置,如图3所示。拟采用灌浆压力0.8～1 MPa,水灰比0.8∶1～1∶1,具体根据现场情况调试。顶部浇筑一层宽5 m、厚40 cm的C25混凝土盖板。

图3 滨湖路库岸边坡防护工程平面布置图Fig.3 Layout plan of bank slope protection engineering in Binhu Road1.第四系人工堆积层;2.第四系与基岩界线(虚线为推测);3.格宾护坡;4.挡土墙;5.植草护坡;6.固结灌浆孔;7.钻孔桩;8.地质剖面及编号;9.库岸再造边界线;10.混凝土盖板。

在固结灌浆孔区域内每隔15 m布置宽2 m的过水通道；在三、四排相邻的三个灌浆孔中心钻孔取六组样品做室内试验,得到C、φ值和单轴抗压强度,以便及时优化灌浆方案。

(3) 重力式挡墙。挡土墙采用混凝土浇筑,混凝土强度等级为C30。墙顶高程151.5 m,顶宽2.16 m,高1.5 m,挡墙每隔10～15 m设置伸缩缝,缝宽2～3 cm,缝内充填沥青麻筋；挡土墙基础必须座于坚实基础上,埋入塌岸影响线以下1 m。K0+15～K0+100库岸段的重力式挡墙为I型挡土墙,基础座于混凝土底板上；K0+0～K0+15与K0+100～K0+110库岸段的重力式挡墙为II型挡土墙,基础座于天然地基上。

经支挡工程支护后,在库岸再造作用下前缘塌岸后库岸处于稳定状态,回填砂经固结灌浆处理后C=100 kPa,φ=30°,稳定性计算结果见表4。

表4 岸坡稳定性计算一览表Table 4 Calculation of slope stability

4 固结灌浆加固效果试验分析

工程区大多为全风化花岗岩回填土库岸,为验证固结灌浆对此类型基础防渗抗渗性和抗剪强度的提高效果,同时得到加固后的土体参数,在工程区附近选取合适场地采用同样的条件进行了现场固结灌浆试验。

对灌浆后全风化花岗岩回填土取样,进行室内直剪试验,所用仪器为ZJ应变控制式直剪仪(图4),该仪器可以一次进行4组不同压力的剪切试验。按照规范要求试验垂直压力选择50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa。

图4 直剪试验仪器Fig.4 Direct shear apparatus

本次直剪试验共进行三组,其中一组直剪试验数据见表5,三次直剪试验抗剪强度参数结果见表6。图5为其中一组直剪试验抗剪强度线。

表5 直剪试验01Table 5 Direct shear test 01

由试验结果可知,通过固结灌浆回填土抗剪强度参数显著提高;摩擦角φ提高明显,水灰比为1∶1的情况下提高近4°,0.5∶1的情况下提高了8.8°。

灌浆处理能够有效地提高回填土抗剪强度参数,固结灌浆法可以用于秭归县回填土库岸的防治工程,并能够有效地提高库岸整体抗剪强度[5]。

表6 抗剪强度参数结果Table 6 Results of shear strength parameters

图5 直剪试验01抗剪强度线Fig.5 Shear strength line of direct shear test 01

5 结论

(1) 微型桩固结灌浆工艺相较于传统的抗滑桩挡墙的治理措施,其施工进度快,施工安全有保障,施工简单。该工艺可以充分利用回填土中的粗粒料并与之充分胶结固化,能够有效提高回填土地基的承载力、抗剪强度和防渗抗渗性,减少变形和不均匀沉降。

(2) 经稳定性计算及室内试验结果分析,边坡防护工程实施后将有效改善坡体的局部稳定性,固结灌浆地基处理能够有效地提高回填土抗剪强度参数,显著提高岸坡的整体稳定性,保证秭归县滨湖路居民点的安全。

[1] 黄磊,王保平.秭归县茅坪镇滨湖路库岸再造稳定性分析与防治措施[J].资源环境与工程,2016,30(5):761-765.

[2] 蹇佳洲,陈国金.三峡库区滑坡稳定性计算中的常用方法[J].西部探矿工程,2005(2):198-200.

[3] 三峡库区地质灾害防治工作指挥部.三峡库区三期地质灾害防治工程地质勘察技术要求[M].武汉:中国地质大学出版社,2014.

[4] 张悼元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社,1997.

[5] 赵森.三峡库区花岗岩全风化回填土固结灌浆效果研究[D].武汉:中国地质大学,2016.

(责任编辑：陈姣霞)

Application of Consolidation Grouting of Micro Pile Foundation Treatment Techniquein Backfill Slope Protection Engineering of Three Gorges Reservoir Region

HUANG Dong1, HUANG Lei2, LIU Meng3
(1.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeoscience,Wuhan,Hubei430074; 2.EngineeringConsultingCorporation,WuhanSurvey-geotechnicalResearchInstituteCo.,Ltd.ofMCC,Wuhan,Hubei430014; 3.ThreeGorgesResearchCenterofGeohazards,MinistryofEducation,ChinaUniversityofGeoscience(Wuhan),Wuhan,Hubei430074)

There are many geological disasters result from reservoir bank instability happened in the Three Gorges Reservoir Region.Due to frequent changes of the reservoir water level from 145 m to 175 m,and the large permeability of backfill sand,the rapid construction technology of slope protection engineering has become the urgent need and key point.The authors take Binhu Road bank slope,located in Maoping Town of Zigui County,as an example for stability analysis and disaster prevention.In this project,the micro pile consolidation grouting foundation treatment technology has been proposed as a preventive measure which can effectively solve the problem.

micro pile; consolidation grouting; slope protection engineering; stability analysis

2016-11-24;改回日期:2017-02-20

黄栋(1992-),男,在读硕士,工程地质专业,从事地质灾害防治设计研究。E-mail:huang20100916@163.com

P642.2

1671-1211(2017)02-0208-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.018

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170401.1601.006.html 数字出版日期:2017-04-01 16:01