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河南省义马热电厂南部土质高边坡治理工程支护结构设计计算与施工

河南省义马热电厂南部土质高边坡治理工程支护结构设计计算与施工

本边坡设计的基本内容主要包括:(1)分析已有各类勘察与研究资料,确定边坡设计计算参数;(2)对典型计算剖面进行稳定性分析,了解边坡的稳定性程度;(3)根据场地条件与边坡稳定要求,设计确定合理坡形;(4)根据稳定性分析计算、“工程类比法”、基本试

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  • 详细描述

    河南省义马热电厂南部土质高边坡治理工程支护结构设计计算与施工说明书
    一、工程概况
    河南省义马市铬渣综合治理清洁生产工程项目是河南省经贸委(豫经贸投资[2003]254号文批准的义马市重点建设项目,项目总投资106000万元,占地面积370.43亩。该项目主要为年处理6.6万吨铬渣综合治理工程,建设2台480t/h高温压力式旋风锅炉和余热利用相关配套工程。工程场址位于河南省义马市东约7km的毛沟村南,地理坐标东经111054/14//—111054/42.8//,北纬34043/44//—34041/01//。拟治理的边坡工程位于工程场地的南部,即义马北露天煤矿北边坡地段,全长约850m。
    根据该项目场地“建设用地地质灾害危险性评估报告”、“8.27专家论证会纪要精神”、“义马热电厂主厂房岩土工程勘察初步资料”、“河南义马热电厂2×155MW综合利用电厂场地稳定性评价报告”以及“义马北露天煤矿原钻探资料”等资料综合分析,认为该场地基本适宜工程建设,基岩地层与露天矿北边坡的岩质边坡是相对稳定的,而位于该岩质边坡上部的土质边坡则处于不稳定状态,在雨水、上部附加荷载及振动等外部不利因素作用下,会继续向厂区内产生崩滑,直接威胁着主厂房在工程建设与今后运营期间的安全使用。
    为预防该边坡对工程造成不良影响,受义马热电厂委托,中国科学院武汉岩土力学研究所根据现有的地质和工程研究资料,在对该工程场地南部土质高边坡进行稳定性分析与综合治理工程初步设计研究的基础上,又进一步深入研究与论证,对该边坡治理工程进行了施工图设计。
    二、边坡治理工程方案
    1.治理工程总体方案
    根据影响拟建工程场地稳定性的地质灾害类型、地层分布、岩土特性以及场地的具体条件等,并考虑边坡治理工程的技术合理性以及业主对本治理工程的经济性要求,对影响工程场地稳定性的各类地质灾害提出以下综合治理工程方案:
    (1)对当前基本稳定的岩质高边坡和新第三系N和三叠系T不整合面软弱夹层,主要采取地表位移和深层位移监测,以观测、监控工程建设对岩质边坡和不整合面软弱夹层稳定性的影响,基于变形监测结果,再研究是否采取必要的工程治理措施,即作为边坡治理二期工程,以免造成不必要的巨大经济投入;
    (2)对当前处于不稳定状态且直接威胁工程场地稳定性的黄土质高边坡,应抓紧时间进行工程治理,即作为边坡治理的一期工程;
    (3)对岩质边坡坡面上的松散堆积物滑坡,由于其对整个工程场地不会构成直接威胁,可在上部土质边坡治理后,采取坡体排水固结的措施首先使其自然稳定,然后再采取植草、植树对坡体进行防护;
    (4)对上部土质边坡治理,应结合实际场地条件采取削坡减载、支挡加固、排水阻渗、局部处理、坡面防护(特别是基底风化岩层)等综合治理工程措施进行边坡治理;
    (5)加强边坡治理工程中的地质勘察、信息化施工与动态设计。
    2.场地地质灾害综合治理技术路线
    拟建工程场地地质灾害综合治理技术路线可按图1所示程序进行。

    3.一期土质边坡治理工程设计方案
    对一期土质高边坡治理工程可能采用的主体支护结构方案主要有:抗滑桩、锚喷网、重力式挡土墙和锚杆挡土墙等。
    由于抗滑桩施工难度大,成本高,而且施工时的爆破振动对岩土体的结构强度还会产生一定影响,同时考虑到本边坡治理工程的实际地形、岩性等,对一期土质高边坡治理工程不考虑抗滑桩方案。
    喷锚网技术虽然施工快捷,造价低,但由于喷锚网在永久性边坡支护工程中使用年限与外观对环境的影响等问题,其在永久性高边坡治理工程中目前已不太适用,有逐渐下降的态势,例如京珠高速就很少使用这种支护结构,故在本永久性高边坡治理工程设计中,除对边坡局部加强支护和对边坡坡脚位置的风化岩表层进行网喷混凝土防护外,不作主体支护结构。
      重力式挡土墙虽材料来源丰富、施工技术简单,但其体积大、材料用量多,当支护高度较大时,其经济效果并不明显,甚至变的不经济,而且圬工数量也大,因此,在本边坡治理工程中,除局部地段有适宜的场地条件布设且边坡支护高度不超过5m时,才考虑采用重力式挡土墙支护结构,如本边坡东侧地段,由于该地段受局部“突出地形”的影响,为减少排土方量,且考虑该地段砂砾岩局部北倾,对边坡的稳定性有利,待施工勘察与开挖后的实际边坡高度,可考虑采用重力式挡土墙支护结构型式或目前对该段边坡仅进行护坡治理。
    预应力锚杆、肋柱加横梁挡土墙支护结构(简称锚杆挡土墙)主要是通过钻孔、穿锚、注浆等工艺,将锚杆一端固定于深部稳定土层中,另一端连接在位于坡面上框架结构的节点位置,通过张拉产生的预应力,使坡面框架结构、土体、预应力锚杆体三者形成内力平衡的整体空间稳定结构,互相协调与制约,从而增大边坡不稳定岩土体的水平向应力,使不稳定岩土体处于压紧状态,进而达到稳定边坡的目的。
    锚杆挡土墙支护结构的坡面框架结构主要由肋柱和横梁组成,其作用为:一是作为锚杆外锚头承力结构物;二是作为抑制件本身具有挡土阻滑作用;三是挡土墙与梁形成整体结构,同预应力锚杆组成深层加固的抗滑体系。
    采用锚杆挡土墙支护结构的优点在于:
    ①预应力锚杆柔性可调,能够通过施加一定的预应力,主动控制与适用边坡变形,具有主动受力机制;
    ②可利用岩土体的自身稳定形成土拱,使岩体内应力重分布,达到钢筋混凝土构件和岩土体共同作用的目的,整个支护结构受力明确、合理;
    ③可根据实际边坡地形情况灵活布置,随机补强;
    ④施工对岩土体扰动小、速度快;
    ⑤具有较好的经济性。
     另外,就本治理工程而言,采用锚杆挡土墙方案还可进一步利用锚杆加固的注浆工艺对软弱夹层和地裂缝等实施注浆加固,以改善和提高边坡岩土体本身的力学性能。
    综上所述,根据该边坡现状和边坡加固的永久性要求,本边坡治理工程的主体支护结构采用预应力锚杆、肋柱加横梁的挡土墙加固方案,框架内土质边坡坡面采用混凝土预制块浆砌面层防护方案,坡段平台台面采用现浇混凝土浇注,坡脚风化岩层表面采用网喷混凝土防护方案,对坡面进行防护不仅可防止地表水下渗进入坡体内部软化岩土体,而且可防止雨水、冻融等外部环境因素对坡面的冲刷、风化与剥蚀。
    为减少边坡下滑力,降低锚杆挡土墙支护结构强度,本设计还对边坡采取刷方卸载、坡段间设置安全平台、局部加固处理以及地表防排水等综合工程措施。
    三、边坡治理工程设计的原则与基本内容
    1.设计原则
    (1)一期黄土质高边坡治理工程是建立在其下岩质高边坡和新第三系N与三叠系T不整合面软弱夹层均处于稳定状态为前提条件,本次设计范围是一期土质高边坡治理工程支护结构设计;
    (2)治理工程设计是在本着满足边坡安全要求的前提下,针对边坡各区段的具体情况,分别采取不同的支护参数和坡面防护形式来满足业主对治理工程经济性的要求,同时兼顾美观的原则;
    (3)本边坡治理工程采取卸土减载、支挡加固、防排水、坡面防护以及局部处理等综合措施对边坡进行加固治理;
    (4)由于该边坡本身的复杂性,所采用的主体支护结构应具有布设灵活、方便应急抢险与动态变更设计的特点;
    (5)该边坡治理工程设计是在地质情况揭露程度不充分的情况下进行的,因此,要求边坡治理的全过程必须贯彻信息化施工与动态设计的思想,加强现场试验、安全监测以及施工过程中的地质工作;
    (6)由于边坡沿走向方向很长,再加上该边坡前期滑崩体对坡脚的覆盖以及业主未对边坡治理工程进行专门的详细勘察,给本边坡治理工程的设计计算带来了很大困难,特别是典型计算剖面的选取,因此,本设计是参考已有各类工程地质资料,将第四纪粘土作为均质土层考虑,并根据采用的主体支护结构方案,选取三种典型计算剖面对边坡治理工程进行设计计算(计算坡高分别取8m 、16m和24m);
    (7)边坡支护结构的实际支护高度及支护结构的单元布置应以施工勘察与开挖所揭露地层的实际情况为准,同时考虑地表建筑物可能产生的影响,施工时应适时地对支护结构的支护强度即支护参数进行合理调整。
    2.设计基本内容
    本边坡设计的基本内容主要包括:
    (1)分析已有各类勘察与研究资料,确定边坡设计计算参数;
    (2)对典型计算剖面进行稳定性分析,了解边坡的稳定性程度;
    (3)根据场地条件与边坡稳定要求,设计确定合理坡形;
    (4)根据稳定性分析计算、“工程类比法”、基本试验等,确定总支护荷载强度及肋柱与锚杆的布置参数;
    (5)锚杆设计计算;
    (6)锚固后稳定性验算;
    (7)肋柱内力与配筋;
    (8)防排水系统设计;
    (9)面层防护设计;
    (10)信息化施工与动态设计。
    (11)对边坡治理工程的施工组织和监测方案设计,业主应委托有关施工和监测单位完成。
    四、设计依据与标准
    1.现有各种勘察研究资料
    (1)河南省地质矿产勘查开发局第一地质调查队 “建设用地地质灾害危险性评估报告”;
    (2)中国有色金属工业西安勘察设计研究院“河南义马热电厂2×155MW综合利用电厂场地稳定性评价报告”;
    (3)机械工业部第四设计研究院“义热电厂主厂房岩土工程勘察初步资料”;
    (4)河南洛阳予西水文地质勘察公司洛阳工程处工程地质队“义马热电厂边坡土工试验成果汇总表”;
    (5)义马北露天矿原钻探资料;
    (6)“8.27”及“12.7”专家论证会纪要精神;
        (7)中国科学院武汉岩土力学研究所“工程场地南部土质高边坡稳定性分析与治理工程初步设计”。
    2.各种技术标准规范
    (1)《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002);
    (2)《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001);
    (3)《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002);
    (4)《建筑抗震设计规范》:(GB50021-2001);
       (5)《砌体结构设计规范》(GB5003-2001);
       (6)《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(50086-2001);
       (7)《混凝土结构设计规范》(GB5003-2001)
       (8)《公路排水设计规范》(JTJ018-97)
       3.安全系数
    根据该边坡已产生的滑动面特点,边坡稳定性验算采用平面滑动和圆弧滑动两种破坏模式分别验算,其中平面滑动法稳定安全系数不小于1.35,圆弧滑动法不小于1.3。
    五、设计计算参数与典型计算剖面
        设计边坡为一大型土质高边坡,基于业主提供的已有研究资料,确定下列设计计算参数与典型计算剖面。
    1. 设计计算参数确定
    (1)坡高H
        该边坡治理工程沿走向展布很长,沿线坡高变化较大,根据现有各类地质钻孔资料综合分析,边坡高度预计一般在10-15m,局部可能超过15m,当边坡支护高度不超过8m时,本设计采用一级锚杆挡土墙支护结构,坡高H按8m计算;当坡高为8-16m,采用二级锚杆挡土墙,坡高H按16m计算;当坡高为16-24m,采用三级锚杆挡土墙,坡高H按24m计算,每坡段高度均为8m。
    (2)坡角α
    根据现场勘测,土质边坡自然坡角一般为800-900,取边坡自然坡角平均为850,对不同坡段锚杆挡土墙,设计采用不同的刷方边坡角。
    (3)重度γ
        据河南省洛阳豫西水文地质工程地质勘察公司提供的土工试验成果资料,土层重度γ在19.00-21.20kN/m3之间变化,计算时取其相应土层的加权平均重度,按19.5 kN/m3计算。
    (4)粘聚力c
        根据河南省洛阳豫西水文地质工程地质勘察公司提供的土工试验成果资料,粘聚力c一般在30-50kpa之间变化,计算时综合取值为35.2kpa;
    (5)内摩擦角φ
        根据河南省洛阳豫西水文地质工程地质勘察公司提供的土工试验成果资料,内摩擦角φ一般在12.0-19.30之间变化,计算时综合取值为13.40
    (6)地震力
    根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001),本区抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,地震系数E取值为0.031;
    (7)地下水
      由于义马北露天煤矿开采的影响,地下水不断向采坑中排泄,计算时不考虑地下水的影响;
    (8)附加荷载q
    根据中国有色金属工业西安勘察设计研究院“河南义马热电厂2×155MW综合利用电厂场地稳定性评价报告”:拟建项目中主要建筑物距边坡最近的为主厂房,与边坡相距约100m,距物探判定的稳定边界(南侧)最近为70m,该距离已远远超过了主要建(构)筑物的安全避让距离,故主要建(构)筑物不会对边坡的稳定性产生影响,因此,本设计仅考虑施工荷载q的影响,q综合取值为20kpa。
    对距离边坡较近的局部地段建(构)筑物(如煤场),由于目前缺乏必要的设计资料,将来除尽量降低堆煤高度和保持建筑物与边坡有一定的安全距离外,还应根据地表建筑物所产生的实际附加荷载大小,对边坡支护结构采取局部加强措施。
    (9)膨胀力Pe
    根据中国有色金属工业西安勘察设计研究院“河南义马热电厂2×155MW综合利用电厂场地稳定性评价报告”:该边坡粘性土层具有弱-中等膨胀性,自由膨胀率δef=64.5%,边坡治理前的膨胀力Pe按5kPa考虑。
    2.计算剖面
    锚杆挡土墙支护结构典型计算剖面如图2所示,(a)、(b)、(c)分别为一、二、三级锚杆挡土墙典型计算剖面。

    目录
    一、工程概况 2
    二、边坡治理工程方案 2
    1.治理工程总体方案 3
    2.场地地质灾害综合治理技术路线 3
    3.一期土质边坡治理工程设计方案 4
    三、边坡治理工程设计的原则与基本内容 7
    1.设计原则 7
    2.设计基本内容 8
    四、设计依据与标准 8
    五、设计计算参数与典型计算剖面 10
    1. 设计计算参数确定 10
    2.计算剖面 12
    五、一级锚杆挡土墙支护结构设计计算 12
    1.削方卸载 12
    2.零土压力深度Z0 13
    3.破裂角β 13
    4.边坡塌滑区范围X0估算 14
    5.边坡稳定性系数K 14
    6.支护结构布置与材料 15
    7.锚杆总拉力估算 16
    8.锚杆设计 18
    9.锚固后稳定性验算 19
    10.框架内力与配筋计算 21
    11.连梁设计 25
    六、二级锚杆挡土墙支护结构设计 26
    1.削方卸载 26
    2.零土压力深度Z0 26
    3.破裂角β 26
    4.边坡塌滑区范围X0估算 26
    5.边坡稳定性系数K 27
    6.支护结构布置与材料 29
    7.锚杆总拉力估算 30
    8.锚杆设计 32
    9.锚固后稳定性验算 33
    10.框架内力与配筋计算 35
    七、三级锚杆挡土墙支护结构设计 38
    八、肋柱基础设计 47
    九、坡面防护工程 49
    十、 防排水系统设计 52
    十一、边坡治理工程施工 55
    十三、信息化施工与动态设计 62

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