钢纤维混凝土框格梁在库岸边坡防护工程中的应用

令疆宇丹

(贵州省水利科学研究院，贵阳 550001)

进入新时期以来，我国水利基础设施建设进入快速发展时期，应合理调配有限的水资源，来保证我国经济社会发展的水资源供应发挥出应有的作用和价值。在小型水利工程建设领域，受到施工技术和成本等诸多因素的制约，土石坝仍是主要坝型。另一方面，由于许多小型水利工程的土石坝建成于上世纪六七十年代，亟待进行除险加固。对于这些工程，采用传统的放缓边坡、开挖换填以及压重固脚等技术措施，虽然也可以起到加固效果，但是在工程的经济性和工期方面往往不具有优势。在边坡加固工程领域，现浇钢筋混凝土框格梁具有强度高、整体性好、耐久性好以及施工技术成熟等诸多优势，目前已经得到广泛的应用[1]。但是，由于水利工程往往地处偏远、交通不便，在利用现浇钢筋混凝土框格梁技术进行大坝背水边坡加固中存在很多实际困难[2]。基于此，本文提出利用钢纤维混凝土代替现浇钢筋混凝土，结合喷射机湿喷作业制作边坡框格梁的材料和技术思路，可以在保证施工质量的前提下，有效降低施工技术难度和工期。

1 钢纤维混凝土框格梁技术原理与优势

1.1 技术原理

本文提出的钢纤维混凝土框格梁边坡加固技术采用的是钢纤维混凝土框格梁和锚杆复合结构。其中，框格梁主要由横梁和纵梁构成，而锚杆的内端嵌入岩土体中，锚头则连接在横梁和纵梁的交叉部位[3]。由于锚杆可以充分发挥深层加固效果，而框格梁与边坡表面之间的接触面积较大，两者相互配合，即可充分发挥边坡本身的自稳能力，实现边坡的长度稳定性和加固效果[1]。该加固技术的内在机理，主要包括以下两个方面：

1) 钢纤维框格梁加固技术可以通过主动支护方式，有效改变边坡的受力状态。具体而言，在横、纵梁的交叉部位设置锚杆，可以将锚固力向边坡深层传递，限制在外力作用下表层松弛区的产生和发展，同时还可以拉紧框格梁，增加边坡表层和内部稳定结构之间的摩擦力。

2) 钢纤维混凝土内部的钢纤维分布属于杂乱状态，可以有效提升框格梁抵抗各向应力和变形的能力，而钢纤维混凝土和锚杆、坡体之间也可以产生良好的黏结力，进而充分发挥岩质边坡的自稳定性能力，避免某根锚杆失效引发整体性失稳破坏。

1.2 技术优势

钢纤维框格梁加固技术可以利用锚杆的锚固作用，有效控制边坡的内部变形，特别是滑移变形，而边坡表面的框格梁侧可以对表层岩土体起到一定的框箍作用，防止表现层岩土体在降雨或其他外力作用下产生剥落和变形，因此十分适合高边坡支护且支护效果良好。另一方面，由于钢纤维混凝土采用喷射施工方式，不仅不需要绑扎钢筋笼，且仅仅需要利用轻质模板支护两个面，因此可以快速、连续施工，有利于缩短施工周期[2]。此外，框格梁形成的网格内可以进行生态防护，体现工程技术的生态属性，实现工程和自然环境的有机结合。

2 钢纤维混凝土框格梁的总体结构和施工流程

2.1 钢纤维混凝土框格梁的总体结构

钢纤维混凝土框格梁加固系统主要由锚杆结构和框格梁结构两大部分组成，其加固后的边坡剖面图见图1。其中，框格梁部分主要由横梁和纵梁组成，锚杆的内端嵌入岩土体中，锚头则连接在横梁和纵梁的交叉部位。在框格梁的网格内铺设营养土层，为植物生长提供必要的营养支持，不仅可以有效加固大坝背水边坡，还可以有效恢复生态，起到美化作用。

图1 钢纤维混凝土框格梁加固边坡示意图

2.2 工艺流程

在钢纤维混凝土框格梁加固施工过程中，一般按照边坡自上而下的顺序进行施工作业，在框格梁支护结构施工完成之后，在框格内部填充营养土，再栽植植物或播种草籽[4]。具体的施工工艺流程见图2。

图2 施工工艺流程图

3 具体施工方法

此次研究以某水库大坝除险加固工程的土石坝背水坝坡工程加固为例，其背水坝坡的坡度为1∶1.8，大坝的坝轴线长度为230 m，最大坝高为35 m。大坝的坡脚长度约为240 m。

3.1 锚杆施工

锚杆施工的顺序为：确定钻孔孔位-钻机就位-角度调整-钻孔作业-清孔-安装锚杆-注浆。由于此次研究的主要对象是钢纤维喷射混凝土框格梁支护施工，其锚杆的施工工艺方法相对比较成熟，因此仅需要对其进行简单概括：

第一步是确定孔位。也就是根据设计施工的土质，结合测量仪器的测量结果设置固定桩，然后以固定桩为基准通过钢尺测量确定钻孔的孔位，并在每个孔位设置永久性的标志，严禁一边放样一边施工。

第二步是钻机钻孔。根据施工现场的实际情况，选择ZN2300F型钻机进行钻孔作业，在作业前首先搭建好脚手架平台并放置好钻机。在钻孔中采用干钻的方式进行钻进，确保钻孔施工不会对边坡造成较大的影响[5]，钻机在工作过程中必须要保证一定的角度，最大限度降低成孔的孔径误差。

第三步是锚杆的安装。首先需要对锚杆的顺直度进行检查，同时做好锚杆的除锈和除污工作，在安装前进一步确认其对应的孔位、孔径和孔深，确保不出现任何差错。

第四步是锚固注浆。锚杆的锚固注浆采用压力为0.4～0.8 MPa的常压注浆，注浆量要达到设计值方可停止注浆[6]。

3.2 框格梁施工

在框格梁施工开始之前，首先应该根据工程的实际要求，制定出科学合理的施工计划，准备好相应的施工机械设备和材料。同时做好人员的调配工作，施工的场地应该保证“三通一平”，保证施工能够顺利进行。

要对加固边坡进行测量，对起伏较大的部位进行必要的修正，保证达到设计施工要求。然后对框格梁的横向和纵向位置以及框格施工的起止范围进行测量和确定，按照框格梁的尺寸和模板厚度确定开挖轮廓线并进行开挖。根据工程的实际情况，采用木模板进行支护，在模板安装过程中一定要保证模板线型的顺直度。

在湿喷钢纤维混凝土的过程中，首先要保证合理的工作风压，结合背景工程的实际情况，工作风压应该设定在0.4～0.55 MPa之间，同时根据喷射的部位以及管道的长短对风压大小进行必要的调整。喷射作业过程中，应该根据具体情况确定合理的喷射距离，一般应保证在0.8～2.2 m的范围内。在作业中，应该保证喷头和作业面的垂直，以提高喷射作业质量。在喷射施工过程中，应该采用分层作业的方式进行，初喷厚度应该设置在4～5 cm，第二次喷射应该设定在5～10 cm，最后喷射至设计厚度。在作业完工之后，要对其表面利用砂浆修整和磨平。

在完成框格梁的施工之后，应该洒水养护7 d。在养护完成之后，在框格内填充营养土，然后TBS喷播草籽，实现支护结构的生态化。

4 工程效果评价

研究中利用上节有限元数值模拟的方法对无加固措施、钢纤维混凝土框格梁和钢筋混凝土框格梁加固条件下的大坝背水坡完全稳定性系数进行模拟计算，结果见表1。其中，工况1为一般工况，该工况仅考虑大坝自重应力；工况2为饱和工况，主要考虑大坝自重+地下水+暴雨。由表1中的结果可以看出，在工况1无加固措施条件下，坝坡的安全稳定性系数为1.122，处于稳定状态；在工况2无加固措施条件下，坝坡的安全稳定性系数为0.992，存在一定的失稳危险。因此，需要对坝坡采取加固措施，保证极端不利工况下的坝坡安全稳定。在采取加固措施之后，坝坡的安全稳定系数大幅提升，且两种加固方式的安全稳定系数计算结果比较接近，说明采取钢纤维混凝土框格梁可以获得与钢筋混凝土框格梁基本相同的加固效果。

表1 安全稳定性系数计算结果

5 结 语

本文结合土石坝背水坝坡传统加固技术的缺陷和不足，提出了钢纤维框格梁加固技术，并对其技术原理和工艺流程进行分析和探讨，可为今后的钢纤维混凝土框格梁技术在加固工程层面的运用提供有益的施工方法参考。由于时间限制，此次研究没有对工程实际现场进行检测。在施工结束之后，需要对混凝土框格梁的内力、变形等进行监测，并与设计计算结果进行对比分析，以验证设计本身的科学性与合理性。