石坝河水库下游边坡抗滑桩支护加固方案研究

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000)

1 工程地质条件

石坝河水库工程位于仁怀市茅台镇境内，所在河流属赤水河二级支流，坝址以上流域面积22.6km2，总库容149万m3，规模为小(1)型水库。工程任务为人饮及酿酒工业供水，年供水量219万m3。工程边坡位于大坝下游左岸，是大坝施工期及运行期主要运输通道，建设总工期30个月。边坡地形为缓斜坡地形，主要为阶梯状地形，人工弃渣堆填形成现状坡面形态，坡高50～60m，顺坡向长200～220m，坡宽155～165m。边坡地形总体前缓后陡，综合地形坡度20°～30°。地质勘察分别在边坡前缘、中部和后缘布置三条勘探线，设8个勘探孔。经勘探孔揭露，坡面区域均为第四系残坡积黏土夹碎石及人工开挖弃渣覆盖，深度多为 5～9m；下伏基岩地层为侏罗系中统自流井组(J2z)薄层泥岩为主夹少量砂岩，岩层产状N40°～55°E/NW∠47°～60°。岩层走向与坡面斜交，边坡结构总体为斜向岩土质混合边坡，区内构造以裂隙为主。区内地下水主要为孔隙水、基岩裂隙水等类型，地下水主要靠大气降雨及附近酒厂生产废水、居民生活污水补给，然后顺坡向沿表层松散堆积层、基岩强风化密集带向河床排泄。

2 边坡稳定性评价

2.1 边坡变形过程及变形性质

边坡上部为酒厂和民房区，分布酒厂17家、民房约20栋，边坡长期处于蠕变、滑移中。水库工程施工前居民房屋院坝、酒厂厂房和窖坑均已出现裂缝。同时，上坝公路高挡墙的实施加剧了边坡变形破坏，经半月持续观察，边坡前缘明显挤压、隆起、滑出，隆起高度0.2～0.3m，且呈现加剧恶化发展趋势，临时板房四周裂缝增多，对坡面上部酒厂及居民房造成较大安全隐患。边坡变形坡体典型剖面，如图1所示。

图1 大坝下游左岸边坡典型剖面

实测蠕滑变形体最大坡高约70m，最大宽度约160m，滑移深度6～11m不等，影响面积约3万m2，总方量约18万m3，边坡变形体为斜向岩土质混合边坡。坡体出现多处横向和纵向拉张裂缝，裂缝长度一般 6～9m，宽约5～7cm，可见深度一般在0.2～0.8m，坡体前缘出现少量的渗水现象，变形体属于浅表层推移式滑坡。

2.2 边坡变形原因

据边坡变形破坏迹象及发展过程分析，变形破坏主要原因为：ⓐ边坡地形总体上陡下缓，挡墙以上由于平场填渣及公路内侧放坡开挖形成陡坎和陡坡型式的滑移临空面；ⓑ坡面覆盖层较厚，且结构松散，黏聚力低；下伏浅表层岩体节理裂隙发育，岩体风化破碎；受水软化及饱水情况下，岩土体物理力学指标急剧下降；ⓒ边坡上居民生活污水及酒厂生产废水随意排放，加之边坡排水不畅，土体及强风化破碎岩体长期处于饱水状态，物理力学性质骤减，导致坡体蠕滑变形破坏；ⓓ上坝公路挡墙及平场土石渣人为增加荷载，施工机械不断扰动加速了坡体的蠕滑。

3 边坡加固方案比选

坡面治理可采用削坡减载、坡面格栅加固、挡土墙及抗滑桩板墙结构等方案。由于石坝河水库工程出渣难度极大，边坡支护措施不宜选择新增大量工程弃渣方案，应尽量选择开挖量小、施工快，对边坡干扰较小的支护方案。削坡减载不但弃渣工程量较大，且后侧上方紧靠酒厂，不具备削坡条件，故不采用；挡土墙支挡，施工技术相对简单，但由于该处边坡覆盖层较厚，挡土墙基础开挖量和填筑量均较大，深基础开挖宜形成土质高边坡，对边坡稳定不利，且弃渣量较大；坡面格栅加固在覆盖层边坡中效果不佳，同样不宜采用；而抗滑桩支挡开挖量和填筑量均较小，施工技术虽较其他方案复杂，但施工快，且对边坡稳定干扰较小，固坡效果好。结合石坝河水库工程边坡特点及破坏的影响程度，综合工程布置、施工组织及工程投资等方面，优选抗滑桩作为边坡支挡措施。同时，由于边坡变形发展速度快且上部酒厂规模较大，故优选成桩速度快、能够更早地发挥边坡支挡作用的机械成孔桩。

4 边坡加固支护设计

4.1 边坡工程级别及设计参数取值

根据《水利水电工程边坡设计规范》边坡等级划分[1]，边坡破坏带来的危害程度严重，确定边坡等级为4级。地质勘察揭露，场地主要地层为碎石黏土覆盖层、强风化泥岩及弱风化泥岩，各层岩土物理力学参数取值，如表1和表2所列。

表1 岩土物理力学指标(1)

表2 岩土物理力学指标(2)

依据“水利边坡工程”和“建筑边坡工程”规范，4级边坡正常运用条件下的抗滑稳定安全系数取1.10，但边坡上部为厂房建筑，故酒厂下缘边坡抗滑稳定安全系数取1.30，其余边坡取1.10。抗滑桩设计时，嵌固端位于弱风化中、上部基岩内，其地基系数k参照GB 50330—2013附录G取200MN/m3[2]。

4.2 边坡支护加固方案

4.2.1 设计原则及方法

边坡设计采用极限平衡法，工况考虑一般工况及暴雨工况。抗震烈度为6度，可不考虑地震作用。抗滑桩工程设计采用“地基系数法”[3]，计算采用理正岩土边坡稳定分析模块及抗滑桩设计模块。

4.2.2 边坡稳定计算

分别采用圆弧滑动和折线滑动计算现状边坡稳定安全系数，其中：圆弧滑动稳定计算时采取给定圆弧出、入口范围搜索危险滑面；折线形滑动稳定计算时采取自动搜索最危险滑面(给定出、入口点范围)。根据不同安全系数分别计算剩余下滑力，取大值。边坡典型断面稳定性计算成果，如表3所列。

从表3可知，边坡在自然状态下处于稳定状态，但在饱水状态下由于岩土体物理力学指标急剧下降，部分断面边坡稳定接近临界状态，多数断面安全系数偏低，边坡稳定存在安全隐患。为保障上部酒厂及居民生命财产安全和大坝施工通道，上坝公路高挡墙及酒厂下缘应及时进行边坡综合治理。

表3 边坡典型断面稳定计算成果

4.2.3 边坡支护加固抗滑桩设计

边坡综合治理方案包括边坡支护和排水，抗滑桩结构机械成孔成桩速度快，对应急工程有利[4]。机械成孔桩径统一采用1.5m圆桩，桩板墙结构布置于河岸和临时板房后侧；抗滑桩布置于酒厂下缘和上坝公路挡墙前缘，总体分三排布置，如图2所示。

图2 上坝公路边坡治理平面布置

酒厂下缘A类抗滑桩共布设23根，其中A1～A12号桩中心间距为6.0m；A13～A23桩中心间距为4.0m。上坝公路挡墙前缘B类抗滑桩布设14根(B1～B14)，桩距为4.0m。板房后侧桩板墙结合上坝公路拓宽改造进行布置，共布设C类抗滑桩12根(C1～C12)，其中C7～C9号桩中心间距为4.0m，其余桩中心间距为6.0m；挡土板沿桩内侧布置，板高4.0m，板厚0.4m。河岸共布设D类抗滑桩39根(D1～D39)，桩距均为3.5m，挡土板沿桩内侧布置，挡土板高度均为5.5m，板宽为3.5m，板厚0.4m。

4.3 支护加固抗滑桩结构计算

边坡现状处于浅表层的蠕动滑移中，大面积滑动可能性较小，除上坝公路前缘坡面相对较陡外，其余边坡段坡度较缓，对边坡有一定阻滑作用，故边坡剩余下滑力均较小。抗滑桩结构设计按主动土压力作用计算更为合理，且不考虑桩前覆盖层被动土压力作用，结构嵌深、桩径、桩间距及配筋均由土压力作用验算。酒厂下缘抗滑桩结构重要性系数取1.0，其余抗滑桩取0.9，土压力荷载分项系数取1.2，混凝土结构构件承载力安全系数取1.15，综合分项系数取1.35。因边坡坡面土体长期处于饱水状态，故边坡抗滑桩验算中的土层和岩体物理参数均考虑在饱和状态。边坡支护加固典型抗滑桩结构设计计算成果，如表4所列。

表4 典型抗滑桩结构设计计算成果

从表4可知，抗滑桩按悬臂梁考虑，桩顶最大位移为29mm<18000/350=51.4mm，且嵌入段最大位移小于10mm，满足规范要求。按计算成果进行桩身配筋，主筋直径取28mm，配筋面积不得小于计算最大纵筋面积，且最小配筋率应大于0.6%。环向螺旋钢筋采用光圆钢筋，钢筋直径考虑人工绑扎条件。桩身及拉梁混凝土等级均采用C30。挡土板按单向板考虑，实配横向受力筋直径为20mm，纵向分布筋直径为16mm，纵横向钢筋均按双层布置，间距均为250mm，挡土板实配钢筋满足计算和构造要求。

4.4 抗滑桩成桩质量检测

抗滑桩成桩质量检测，包括桩身完整性和桩身抗压强度检测。桩身混凝土质量检测采用低应变法、声波透射法及钻孔取芯法进行质量综合检测。根据《水利工程质量检测技术规程》要求，原则上每根桩为1个检测单元，但规范适用于大中型水利工程，小型水利工程参照执行[5]。结合石坝河水库工程边坡变形特点，抗滑桩总数为88根，且为非桩基工程，抗滑桩质量检测数量按不少于总桩数的30%进行，其中：低应变法检测8根；埋管声波透射法检测10根；钻芯检测抽检10根。抗滑桩成桩质量检测全部合格，桩身完整性较好。

5 结 论

抗滑桩主要用于建筑桩基、公路边坡支护及海防工程中，在水利工程中应用相对较少。相比常规重力式挡墙结构，抗滑桩机械成孔桩技术成熟、施工速度快，且施工干扰较小，适用于边坡应急支护处理工程。石坝河水库大坝下游边坡采用抗滑桩支护加固处理后，目前已经历了一个汛期考验，边坡变形得到有效控制，抗滑桩成桩质量较好、边坡稳定性得到提高。