韓江高陂水利樞紐一期導流工程公路邊坡爆破開挖穩(wěn)定性分析

曾朋偉

(梅州市大埔韓江高陂水利樞紐工程建設(shè)管理處，廣東 梅州 514200)

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，均會出現(xiàn)開挖邊坡的現(xiàn)象。開挖邊坡失穩(wěn)破壞問題是工程建設(shè)過程中經(jīng)常遇到的難題。何巍等[1]采用底摩擦試驗研究開挖邊坡變形破壞特征；結(jié)果表明開挖順層開挖邊坡穩(wěn)定性情況較差，需采取相應的支護措施；施建業(yè)等[2]通過組合賦權(quán)獲取影響開挖邊坡穩(wěn)定性的因素的權(quán)重，結(jié)合云模型方法預測邊坡開挖穩(wěn)定性，結(jié)果較為準確；許建文等[3]使用FLAC數(shù)值模擬方法研究順層開挖邊坡的穩(wěn)定性情況，揭示了邊坡開挖后的變形過程。目前，研究邊坡開挖穩(wěn)定性的方法主要為：物理模擬方法[4-6]和數(shù)值模擬方法[7-9]。其中，物理模擬方法可直接再現(xiàn)邊坡變形破壞過程，數(shù)值模擬方法試驗過程較為簡便，可進行多次試驗。前人研究多集中于邊坡開挖施工后的邊坡穩(wěn)定性情況研究，本文以韓江高陂水利樞紐一期導流工程公路邊坡為例，研究開挖邊坡爆破擾動時的穩(wěn)定性情況及響應特征規(guī)律。

1 工程概況

韓江高陂水利樞紐工程為二等大(2)型工程，位于韓江干流，主要承擔防洪、供水的作用。新建公路工程包括右岸上壩道路(樁號YSK0+000-YSK1+244.04)及右岸庫周道路九龍村前段(樁號YJK0+000-YJK0+550)的右岸道路合計里程為1.794km。起于右岸管理營地入口處的山嘴上游側(cè)附近(即右岸庫周道路九龍村前段樁號YJK0+550)，終于下游河床收窄處的山嘴下游側(cè)附近(即右岸上壩道路YSK1+244.04)，道路兩端與S222省道順暢銜接。道路為二級公路，設(shè)計速度為60km/h，設(shè)2車道，路基寬12m=0.75m(土路肩)+1.5m(硬路肩)+2×3.75m(行車道路面)+1.5m(硬路肩)+0.75m(土路肩)。

2 開挖邊坡概況

使用爆破開挖的方式開挖邊坡石方，為保證開挖面的平整度以及降低對永久邊坡的擾動，采用預裂爆破。邊線控制參照馬道，兩級馬道間隔高度為10.0m，每5.0m即爆破一次。在馬道處鋪設(shè)2.0m厚的爆破緩沖區(qū)，降低爆破震動的擾動。爆破緩沖區(qū)采用少藥量多孔的爆破方式，其他部位使用深孔梯段微差爆破，從而控制爆破殘渣的粒度，降低震動對邊坡的擾動，同時也可以提升爆破效果。爆破是鉆孔使用液壓鉆機造孔，炸藥采用乳化炸藥，起爆方式為非電毫秒雷管起爆。

邊坡巖土體物理力學參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學參數(shù)

3 爆破開挖邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)公路開挖過程中典型斷面建立有限元數(shù)值模擬模型，典型開挖斷面如圖1所示。邊坡開挖分為6級，1～3級開挖坡比為1∶1.5；4～6級開挖坡比為1∶0.5；從上至下為1～6級邊坡，其中1～5級邊坡坡高為10.0m，6級邊坡坡高為19.0m。各級邊坡的坡肩和坡腳均設(shè)置監(jiān)測點，從上至下依次為監(jiān)測點1～12，監(jiān)測位移和速度變化情況。

圖1 典型開挖斷面

3.2 爆破開挖荷載研究

3.2.1加速度時程曲線

通過現(xiàn)場實際調(diào)查，結(jié)合類似工程經(jīng)驗[10]，以加速度的形式表示開挖施工時的爆破荷載，加速度時程曲線如圖2所示，荷載作用與坡表，可傳輸至每個節(jié)點單元。加速度作用時間為1.6s，最大加速度值為9.67m/s2，計算模擬第4級邊坡開挖施工。

圖2 加速度時程曲線

3.2.2等效荷載研究

在FLAC數(shù)值模擬軟件中，可假定爆破荷載上升時間為2ms，荷載減弱時間為4ms，總作用時長為6ms。此時荷載作用曲線如圖3所示。

圖3 爆破等效荷載曲線

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1未考慮爆破荷載邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)建立的數(shù)值模擬模型，計算邊坡開挖后的穩(wěn)定性情況，獲取邊坡安全系數(shù)。通過FLAC3D軟件中的強度折減法，計算邊坡安全系數(shù)，計算結(jié)果為Fs=1.32>1.20，邊坡處于相對安全的情況，不考慮邊坡開挖爆破荷載的影響，此時邊坡處于相對安全狀態(tài)。

3.3.2爆破荷載影響下邊坡安全系數(shù)分析

將爆破加速度時程曲線結(jié)果輸入至建立的Geo-studio模型中，設(shè)計爆破位置為第5級邊坡，獲取邊坡安全系數(shù)隨時間的變化結(jié)果。計算結(jié)果顯示平均安全系數(shù)為1.201>1.20；在爆破荷載影響全過程中，最小安全系數(shù)小于0.50，最大安全系數(shù)為2.85。安全系數(shù)隨爆破時間變化曲線如圖4所示。該方法獲取了安全系數(shù)隨爆破時間變化的動態(tài)過程，其結(jié)果可為邊坡支護設(shè)計提供參考。

圖4 Fs隨時間變化曲線

由圖4可知，安全系數(shù)Fs不是一個穩(wěn)定的值，其大小隨時間變化波動較大(0.1 ～ 2.9)。在部分時間段內(nèi)安全系數(shù)Fs大于1.20，這時邊坡安全系數(shù)較高，處于相對安全的水平，但仍有部分時刻安全系數(shù)Fs小于1.20，此時邊坡安全性較差。但瞬時的安全系數(shù)低于1.20并不能表明邊坡將會發(fā)生大規(guī)模的整體失穩(wěn)，實際工程中，瞬時安全系數(shù)較低，通常發(fā)生小規(guī)模的局部破壞。

3.3.3爆破荷載影響下邊坡位移響應

設(shè)計爆破位置為第5級邊坡，各個監(jiān)測點最大位移監(jiān)測結(jié)果見表2。根據(jù)表2可知，距離爆破荷載作用面的距離越遠，水平方向位移逐漸增大。

表2 各監(jiān)測點位移

3.3.4爆破荷載影響下邊坡變形速度分析

設(shè)計爆破位置為第5級邊坡，均質(zhì)斜坡中，爆破開挖各監(jiān)測點變形速度波動特征基本一致，距離爆破源位置越遠，則變形速度最小值越大，但最大變形速度保持一致。在爆破擾動結(jié)束后，變形速度逐漸降低，約1.0s后接近于0。

3.3.5爆破荷載影響下邊坡塑性區(qū)分析

設(shè)計爆破位置為第5級邊坡，邊坡爆破開挖，塑性區(qū)主要分布于開挖級邊坡范圍內(nèi)，隨著開挖過程，塑性變形區(qū)逐漸變化。爆破擾動對邊坡整體穩(wěn)定性影響較小，但仍然存在一定擾動，在施工過程中，應當嚴格控制施工炸藥用量，避免造成邊坡破壞，誘發(fā)安全事故。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合工程實例，使用數(shù)值模擬研究靜態(tài)開挖下邊坡安全系數(shù)，計算結(jié)果表明邊坡穩(wěn)定性較好。

(2)爆破開挖擾動下，部分時間段邊坡安全系數(shù)較低，可能發(fā)生小規(guī)模的局部破壞，在施工過程中，需要嚴格按照爆破標準爆破開挖。

(3)通過監(jiān)測點監(jiān)測結(jié)果可知，距離爆破源越遠邊坡響應越明顯，邊坡位移越大，最小變形速度越大。