沥水沟渡槽边墩斜井变形原因分析及处理措施

2018-01-15廖宏伟

陕西水利 2017年6期

廖宏伟

（陕西省汉中市石门水库管理局，陕西汉中 723000）

1 概况

1.1 工程概况

石门水库灌区沥水沟渡槽震后改建工程属2008年“5.12”汶川大地震后汉中市的重点震损工程之一，工程位于石门水库灌区东干渠2.1 km的沥水沟口入褒河汇流处，控制灌溉面积27万亩，设计输水流量30 m/s，渡槽进出、口连接段分别为1＃、2＃隧洞，渡槽主体为新建169.13 m的三跨拱式结构，渡槽为3级建筑物。渡槽支撑结构形式为排架、墩体、井柱。

由于拱端推力较大，故在渡槽进出口位置分别布置排架井柱和边墩井柱，其中在右侧边墩共布置井柱4根（竖直井柱2根，斜井柱2根），竖直井柱单根长16.0 m、直径2.7m，斜井柱（1#边墩）单根长18m、直径2.7m，均穿透倾倒岩体，端部置于弱风化岩体上（图1）。

图1 1#边墩斜井柱位置图图

图2 斜井柱断面图

渡槽进口右侧边墩斜井柱断面为“马蹄型”（图2），其轴线与水平线夹角为50.73°，井柱开挖采用人工挖孔，开挖后采用 I16钢拱架间距0.8 m进行横向连接，采用挂φ6@200*200钢筋网，喷射C20砼150厚进行喷锚支护。斜井柱采用C25钢筋砼浇筑，纵向受力钢筋为Ф28@114，箍筋为φ12@100螺旋箍筋。

1.2 地质情况

沥水沟工程区右侧分布的地层主要为前寒武系绿泥石绢云母千枚岩和第四系松散地层。工程区内物理现象，主要表现为基岩倾倒、滑坡、崩塌等。渡槽进口段右侧倾倒体，长 235 m，宽 100 m，面积约 23000 m2，厚度 5～33 m，约 43.7万 m3，呈 NEE向长方形分布，向 SE200～300（沥水沟）倾倒。

渡槽进口上游右侧自然边坡坡角40°～60°，坡高65 m，属高边坡；边坡表层大部分基岩裸露，部分有少量坡积壤土覆盖。边坡上缓下陡，发育有5～33 m厚的倾倒（变形体）岩体，裂隙发育，地下水埋藏较深，主要位于未变形弱风化绿泥石绢云母千枚岩中。边坡为强～弱风化的千枚岩，属极破碎的软岩，岩体为Ⅴ级[1]。

图3 井柱支撑断面图

2 施工及变形情况

沥水沟渡槽边墩斜井柱施工顺序为：测量放线、井柱开挖、钢拱架支撑、砼锚喷、钢筋笼制作安装、泵送砼浇筑。2012年7月11日前，渡槽右侧斜井开挖支护完成，斜井井口周围岩面进行了挂网喷锚，斜井钢筋笼绑扎焊接均全部完成（图3），即将进行吊运安装工作。2012年7月11日上午，发现右侧2个斜井柱井口周围锚喷砼表面出现裂缝和隆起，斜井井口部位支撑的I16钢拱架与喷锚钢筋网片局部脱落，钢拱架挤压变形严重，斜井柱设计断面缩小，特别是拱脚部位受挤压后尺寸缩小较大，井柱局部尺寸减小（表1），已加工成型的钢筋笼无法吊装入内。

表1 沥水沟渡槽右侧边墩斜井柱变形后实测断面数据汇总表

3 变形原因分析

3.1 地质原因

沥水沟右侧边坡为强～弱风化的千枚岩，裂隙发育，属极破碎的软岩，特别是右侧边坡的倾倒体已处于临界状态，在滑面饱水时，安全系数偏低，边坡稳定系数K＝0.98～1.01，整体稳定性较差。斜井中下部为弱风化千枚岩，岩石表面光滑，用手可剥成碎片，遇水极易软化，风化后成泥状，岩性较弱，完整性极差，整体稳定性差。

3.2 天气原因

沥水沟渡槽所处汉江上游褒河支流，每年从5月1日进入汛期，降水偏多但降雨量不大，7月开始进入主汛期。空中云系影响，暴雨时有发生，降水偏多，降雨量偏大，经常造成局部洪涝灾害。

2012年7月5日开始，褒河上游开始连阴雨天气，降雨量不大但持续不断。为保证斜井柱正常施工，在斜井井口和上部采取了临时防雨措施，搭设钢木结构的防护架并用彩条布对井口及周围进行遮盖。2012年7月10日夜间出现雷暴雨，降雨量较大。沥水沟渡槽右侧1＃隧洞出口与渡槽衔接段和1＃隧洞出口高程595.00m以上约2700m2的坡面雨水顺势而下，直接冲毁右侧斜井井口设置的临时防雨措施，大量雨水灌入斜井，水深约15m。斜井柱开挖断面遭受连续暴雨冲刷，雨水在斜井底部岩面上冲出宽2.0m，平均深度0.15 m的冲沟，原斜井支撑的I16钢拱架拱脚底部悬空。斜井柱内两侧岩体遇水软化，产生变形，挤压钢拱架。

3.3 施工原因

（1）沥水沟右侧高程588.00 m以上为沥水沟渡槽进口段的1＃隧洞，由于右侧边坡为强～弱风化的千枚岩，安全系数偏低，因此在渡槽右侧排架和边墩井柱开挖前，抢先完成了1＃隧洞出口高程595.00m以上边坡的削坡和喷锚处理，并对1＃隧洞出口接渡槽主体段高程588.00m以上边坡进行了开挖，以减轻下部井柱开挖的荷载，同时保证整个右侧边坡的稳定。因进入汛期工期紧迫，在完成高程588.00m以上边坡施工时，未及时对边坡周围及边坡马道上设置的排水沟进行硬化，再加上受相邻标段的施工进度影响，高程588.00 m以上右侧施工区域排水沟未能有效联通，雨季排水效果有限。

（2）沥水沟渡槽右侧斜井柱开挖时，采用固定在斜井柱井口卷扬机倾斜拽引钢制小车的出渣方式，卷扬机通过钢丝绳拖拽钢制小车至井口，卸渣再转运至渣场。出渣时因未考虑到钢制小车对井柱内斜坡表面岩石的扰动和破坏，没有采取必要的防护措施，开挖后的石渣装车后，直接沿18m深的斜坡面被强拽到井口。钢制小车往返碾压导致斜井柱底部的千枚岩受压破碎成颗粒，局部成细粉末状，该部分岩石颗粒和岩粉被雨水直接冲刷至井底。

3.4 设计因素

沥水沟渡槽基础井柱对基础要求高，设计单位考虑到地质条件的特殊性和斜井开挖的施工难度，对斜井开挖提出了具体的施工要求和安全支护设计方案，意在保证斜井柱的安全施工和正常施工。该设计方案要求对开挖后的“马蹄型”断面采用I16钢拱架和挂网喷锚支护，钢拱架加工后的形状也为“马蹄型”，但未涉及到I16钢拱架拱脚处（“马蹄型”底部）的水平连接和加强处理，起主要支撑作用的I16钢拱架没有形成整体结构，受挤压后易变形，承载力下降。

4 处理方案

为最大限度减小雨水对斜井柱内岩石的浸泡和软化，险情发生后马上开启多台潜水泵抽水，将积水全部抽排完毕后，在确认不危及人身安全的情况下，派员进入斜井柱内实地测量变形情况，同时采取相应的处理方案。

4.1 采取临时处理措施

（1）及时修复斜井井口被冲毁的保护架和防雨设施，同时修复和疏通被冲毁和淤积的上游排水沟道，并在斜井柱正上方高程588.00m开挖边坡戗台增设截水沟，修筑截水墙，防止雨水再次进入斜井柱施工区域。

（2）采用C25砼浇筑斜井井口上部排架基础高程574.43平台，浇筑长度13.00m，浇筑宽度2.924m，厚度0.2 m，同时在高程574.43m平台外侧设置断面尺寸为0.20 m×0.20m的挡水砼墙，通过上述措施阻止上游坡面雨水进入斜井。

4.2 增设斜井拱架底部支撑

根据斜井柱钢拱架拱脚部位变形的情况，首先对变形较大的钢拱架进行校正，使拱脚间的净尺寸尽可能恢复到原设计尺寸，满足钢筋笼能顺利吊运进斜井。其次，对斜井中的钢拱架进行焊接和补强加固，特别对钢拱架变形较大的拱脚部位采用增设支撑和加固拱脚的方法进行处理。在斜井柱底部中心处通长设置20#b槽钢1根，槽钢长度同斜井柱轴线长；采用20#b槽钢2根将拱脚两端和斜井柱底部通长设置的20#b槽钢焊接成三角形整体结构；在2根20#b槽钢中间增设8#槽钢1根，作为钢拱架拱脚部位的水平支撑，各型槽钢均焊接成整体（图4）。通过增加支撑和焊接加固措施来增加斜井中原有钢拱架的强度和整体刚度，防止斜井继续发生变形。

4.3 对原井柱钢筋笼进行变更处理

按开挖和变形后的现状情况，斜井柱底部高度按原设计直径难于满足2.0m，故要求将斜井基础底部继续向下挖深，直至边墩井柱端部均置于弱风化基岩上，以满足承载力要求，保证渡槽稳定；井柱中间段局部尺寸按变形后断面缩小，但必须保证井柱顶部和底部直径为原设计尺寸，井柱顶部原设计直径的高度不小于1.0 m，井柱底部直径的高度不小于2.0 m；井柱配筋保持原设计根数不变，间距适当减小均匀布置；井柱顶部和底部分别配2层钢筋，内层钢筋直径及根数同原设计配筋，外层增配88Φ22@91加强筋（图5）。