水利水電工程邊坡地質(zhì)穩(wěn)定性分析及支護(hù)施工工藝

羅正全

（四川省水利規(guī)劃研究院，成都618000）

1 引言

水利水電工程作為與人們生產(chǎn)生活密切相關(guān)的基建工程，在保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平穩(wěn)定提高的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。在工程建設(shè)過(guò)程中涉及土方開(kāi)挖、邊坡支護(hù)等，開(kāi)挖過(guò)程改變了坡體要素，坡體因產(chǎn)生了應(yīng)力重分布，所以，在巖土體自重以及外力作用下，將產(chǎn)生切向應(yīng)力，而當(dāng)切應(yīng)力大于邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，坡體就會(huì)產(chǎn)生剪切破壞。坡體巖土體剪切破壞是孕育滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的重要源頭因素。

我國(guó)幅員遼闊、地形復(fù)雜且不同地域地質(zhì)狀況相差較大，增加了水利水電工程的復(fù)雜性，導(dǎo)致實(shí)際工程中會(huì)面臨一定的施工難度。由于邊坡的穩(wěn)定性直接影響到水工建筑物的使用壽命及周邊環(huán)境的安全性，也直接決定項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益，因此，在實(shí)際工作中必須深入研究邊坡穩(wěn)定性及處理措施，對(duì)坡體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析，以便及時(shí)預(yù)測(cè)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害，及時(shí)采取有效的邊坡失穩(wěn)防護(hù)措施，確保邊坡穩(wěn)定。利用信息技術(shù)建立長(zhǎng)效的監(jiān)測(cè)手段，使水利水電工程充分發(fā)揮其最大經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

2 邊坡地質(zhì)穩(wěn)定性分析

邊坡通常是指人類(lèi)活動(dòng)形成的一定傾斜坡度的傾斜坡體，邊坡在地質(zhì)上可分為土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡，本身具有一定的傾斜度，這導(dǎo)致邊坡極容易在自重及外界作用力等因素的綜合作用下失衡，進(jìn)而造成滑坡、坍塌、崩解和泥石流等災(zāi)害的發(fā)生[1]。

2.1 影響邊坡穩(wěn)定性的因素

影響邊坡穩(wěn)定性的因素可以分為內(nèi)在因素和外在因素2個(gè)方面：

1）內(nèi)在因素包括地形地貌條件、構(gòu)成邊坡巖（土）體的物理力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、巖（土）體結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造等。

2）外在因素包括水文氣象、風(fēng)化作用、水流的作用、地震及人為因素等。

其中，內(nèi)因在邊坡的變形中起決定性的控制作用，外因起促進(jìn)作用；故而在邊坡的穩(wěn)定性分析中，應(yīng)在研究各因素的基礎(chǔ)上，找出這些因素間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而再評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。

2.2 評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性方法

常用的評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性方法有定性分析法、極限平衡分析法、數(shù)值分析法、工程地質(zhì)類(lèi)比法4類(lèi)。

1）定性分析法。是指通過(guò)對(duì)邊坡的尺寸和坡形、邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、所處的地質(zhì)環(huán)境、形成的地質(zhì)歷史、變形破壞形跡，以及影響其穩(wěn)定性的各種因素的研究，以判斷邊坡演變階段和穩(wěn)定狀況。

2）極限平衡分析法。把可能滑動(dòng)的巖、土體假定為剛體，通過(guò)分析可能的滑動(dòng)面，并把滑動(dòng)面上的應(yīng)力簡(jiǎn)化為均勻分布，進(jìn)而計(jì)算出邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。

3）數(shù)值分析法。利用有限單元分析法，先計(jì)算出邊坡位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，然后，利用巖體、土體強(qiáng)度準(zhǔn)則，計(jì)算出各單元與可能滑動(dòng)面的穩(wěn)定性系數(shù)。

4）工程地質(zhì)類(lèi)比法。將所研究邊坡或擬設(shè)計(jì)的人工邊坡與已經(jīng)研究過(guò)的或已有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊坡進(jìn)行類(lèi)比，以評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，并提出合理的坡高和坡角。

2.3 實(shí)例分析

以梅峰水庫(kù)為例進(jìn)行分析。梅峰水庫(kù)主壩為混凝土雙曲拱壩，拱壩壩基開(kāi)挖及高邊坡處理以分部工程進(jìn)行，項(xiàng)目歷時(shí)4 a完成。工程中共開(kāi)挖巖石地基土石方125 500.0 m3；共計(jì)對(duì)巖石地基固結(jié)灌漿達(dá)352孔，鉆孔進(jìn)尺總長(zhǎng)5 686.36 m，灌漿達(dá)2 816.0 m；邊坡清理面積達(dá)14 804.76 m2；采用錨桿共計(jì)2 320根（錨桿直徑分別為18/20/28 m 3種不同規(guī)格），錨桿總長(zhǎng)度達(dá)16 669.74 m；噴射C20型混凝土達(dá)1 480.5 m3；制作安裝鋼筋混凝土總質(zhì)量達(dá)64.5 t。該水庫(kù)左右壩肩施工時(shí)均采取自上而下分層開(kāi)挖的順序，按開(kāi)挖方式分為覆蓋層剝離與石方開(kāi)挖2種。壩基開(kāi)挖應(yīng)用YQ-100B型號(hào)的潛孔鉆鉆孔，周邊以預(yù)裂爆破策略采用梯段爆破的形式加以控制。

由于該水庫(kù)邊坡主要以硬質(zhì)地巖石為主，不存在整體滑動(dòng)的邊界條件，因此，在對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算上，采用強(qiáng)度折減法及有限差分軟件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，左岸側(cè)邊坡符合自重作用下邊坡應(yīng)力場(chǎng)分布的一般規(guī)律，即如果從邊坡內(nèi)部開(kāi)挖直至坡表，最大主應(yīng)力方向與坡面平行，最小主應(yīng)力數(shù)值無(wú)限接近于0，邊坡淺表層局部有拉應(yīng)力出現(xiàn)。

在對(duì)右岸進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，右岸坡體的應(yīng)力分布整體上也符合自重作用下邊坡應(yīng)力場(chǎng)分布的一般規(guī)律，且整體上處于受壓狀態(tài)，淺表局部位置出現(xiàn)拉應(yīng)力且小于左岸邊坡。在應(yīng)用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算之后，計(jì)算出的位移曲線發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)為剪應(yīng)變率帶出現(xiàn)明顯的貫通，因而該水庫(kù)右側(cè)邊坡安全系數(shù)略小于左側(cè)。

3 邊坡支護(hù)技術(shù)應(yīng)用的注意事項(xiàng)

通常采用的邊坡支護(hù)技術(shù)可大概分為淺層支護(hù)與深層支護(hù)2種。一般情況下淺層支護(hù)會(huì)用到錨桿支護(hù)策略和掛網(wǎng)噴射混凝土策略等，除此之外，還包括對(duì)排水孔的合理布局與應(yīng)用。在應(yīng)用錨桿支護(hù)策略時(shí)，需在錨孔挖好之后先進(jìn)行灌漿再插桿，但如果遇到開(kāi)挖巖層深度不足的情況，則可能會(huì)調(diào)整施工順序，先插桿再灌漿。此外，深層支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用同樣需要引起重視。針對(duì)部分地質(zhì)不穩(wěn)定，容易受滑坡、地震及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害影響的區(qū)域，可采用鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)的方式來(lái)提升邊坡的牢固程度與穩(wěn)定性，以免邊坡因?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害受到嚴(yán)重影響。鋪網(wǎng)的關(guān)鍵在于使網(wǎng)和坡面之間不存在縫隙，確保鋼筋網(wǎng)充分發(fā)揮作用。排水孔的設(shè)計(jì)比較關(guān)鍵，這是因?yàn)檫吰略谕度胝Ｊ褂弥?，?huì)長(zhǎng)期處于排水狀態(tài)，如果排水孔的設(shè)計(jì)不合理，長(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)對(duì)邊坡質(zhì)量造成影響，因此，需做好排水孔的質(zhì)量控制工作。除了要對(duì)排水孔布局、位置及數(shù)量進(jìn)行嚴(yán)格控制之外，還可在排水孔內(nèi)部加入相關(guān)材料，提升排水孔整體的強(qiáng)度，以免發(fā)生坍塌。

4 邊坡支護(hù)技術(shù)分析

4.1 砂漿錨桿施工

作為基建建設(shè)工程之一，水利水電工程在工程開(kāi)始之前需要進(jìn)行周密的施工計(jì)劃。受條件限制，水利水電工程通常選擇在人煙稀少且地形復(fù)雜的地區(qū)進(jìn)行建設(shè)，因此，需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)有以下3個(gè)方面。

1）施工計(jì)劃制定之前需嚴(yán)格控制各種原材料的選用（包括鋼筋、水泥、砂以及添加劑），尤其要注意注漿砂漿所用的添加劑中不能含有對(duì)錨桿具有腐蝕作用的成分。錨桿鉆孔位置及孔深、孔徑等應(yīng)滿足技術(shù)規(guī)范，并在鉆孔完成后利用高壓風(fēng)機(jī)徹底清理孔內(nèi)的殘?jiān)退帧ｅ^桿搭設(shè)過(guò)程中可應(yīng)用雙排腳手架，并將其距離控制在2.0 m×2.0 m，在距離地面20 cm位置設(shè)置掃地桿，并確保掃地桿伸出立桿大約10 cm。注漿操作時(shí)可應(yīng)用GZJB型液壓雙液注漿泵。在完成安裝作業(yè)后、砂漿完全凝固之前做好錨桿的保護(hù)工作，避免錨桿受到任何程度的碰撞、敲擊等可能導(dǎo)致其位移的影響。

2）在做完以上準(zhǔn)備工作之后即可開(kāi)始砂漿錨桿支護(hù)施工。在砂漿錨桿施工執(zhí)行前，需先做好以下工作：（1）在施工前采取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的形式確定合理的錨噴支護(hù)系數(shù)與參數(shù)，沒(méi)有條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的情況下則可采用工程類(lèi)比法確定相關(guān)參數(shù)；（2）砂漿攪拌、灌注設(shè)備及錨桿鋪設(shè)設(shè)備應(yīng)當(dāng)置于安全地帶；（3）對(duì)噴射機(jī)、注漿器等設(shè)備進(jìn)行安全檢查及試運(yùn)行工作。

3）完成以上工作后可進(jìn)行砂漿錨桿施工。在噴射作業(yè)面時(shí)，需要注意對(duì)粉塵濃度的有效控制，如采用濕噴砂漿等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵濃度的有效控制。此外，在作業(yè)之前也需要檢查巖石的滲水狀態(tài)，如果巖石滲水比較嚴(yán)重，則需在噴射砂漿之前設(shè)法排出巖石中的積水。噴完砂漿后，還要鉆探排水孔，以避免噴層脫落導(dǎo)致人身傷害的情況出現(xiàn)。在選擇錨桿時(shí)，需要確保錨桿直徑不大于設(shè)計(jì)規(guī)定的數(shù)值，否則不能安裝錨桿。一般來(lái)說(shuō)，錨桿的固定工作通常由人力執(zhí)行，同時(shí)要保證在灌漿之后進(jìn)行，且灌漿需要保證勻速灌注，以避免灌漿溢出。

4.2 深層支護(hù)技術(shù)

深層支護(hù)技術(shù)應(yīng)用的前提，是確保邊坡開(kāi)挖程度達(dá)到相應(yīng)技術(shù)要求。因而，在施工之前需要固定坡面傾斜度及壁面，可采用導(dǎo)向儀測(cè)量邊坡坡面傾斜度并加以校正。通常水利工程施工時(shí)，場(chǎng)地內(nèi)已經(jīng)存有了一定數(shù)量的水泥，水泥價(jià)格低廉又具有良好的固壁作用，因此，在深層支護(hù)技術(shù)中應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)更加理想的深層支護(hù)效果。

4.3 預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)

預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)，主要體現(xiàn)在借助錨索對(duì)邊坡施加預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而達(dá)成加固邊坡的目的。在應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索施工前，應(yīng)當(dāng)配置專(zhuān)業(yè)的安全檢查人員，并要求安全檢查人員監(jiān)督施工的全過(guò)程，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致安全隱患的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，并采用相應(yīng)的解決策略。

在應(yīng)用淺孔錘風(fēng)動(dòng)鉆進(jìn)方式為錨索造孔時(shí)，則需要采用相應(yīng)的除塵措施，以避免積灰導(dǎo)致淺孔錘作業(yè)位置過(guò)熱或影響視線。在開(kāi)孔過(guò)程中，對(duì)孔口產(chǎn)生松動(dòng)的巖塊應(yīng)及時(shí)加以清除，避免巖塊卷入沖擊鉆后彈出傷人。鋼絞線的下料需要應(yīng)用特制的放料支架，往孔內(nèi)安裝錨索時(shí)則需要由專(zhuān)人進(jìn)行協(xié)調(diào)指揮、統(tǒng)一進(jìn)行，以避免錨索張拉時(shí)發(fā)生安全事故。

尤其需要注意的是，錨索的施工只有在確保高壓風(fēng)管及高壓油管接頭連接牢固的前提下方可進(jìn)行，且在造孔機(jī)械、張拉機(jī)械的傳動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)位置，均需要配備完整的防護(hù)罩。

4.4 擋土墻施工技術(shù)

常見(jiàn)的擋土墻施工技術(shù)包括重力式擋土墻、扶壁式擋土墻與懸臂式擋土墻。其中重力式擋土墻是依靠墻身自重抵抗土體側(cè)方向上的壓力，具有就地取材、施工方便的特點(diǎn)，但如果擋土墻墻體太高會(huì)造成擋土墻失穩(wěn)，或地基質(zhì)地軟弱時(shí)會(huì)受到承載力的局限，因而必須慎重考慮地基承載力與擋土墻的整體穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可加入其他工程措施來(lái)保證擋土墻的穩(wěn)定性；扶壁式擋土墻是指以一定距離為間隔分別設(shè)置扶壁，將立壁與踵板連接起來(lái)，本質(zhì)上是一種鋼筋混凝土薄壁式擋土墻，不僅構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，也能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度性能，在缺乏石料及地震地區(qū)較為常用。但在地質(zhì)不良地段或地震烈度超過(guò)8度的地段不適用；懸臂式擋土墻與扶壁式擋土墻類(lèi)似，但在墻高較高（超過(guò)9 m）時(shí)會(huì)因?yàn)榱⒈谙虏繌澗剌^大導(dǎo)致鋼筋混凝土用量劇增。由此可見(jiàn)，施工時(shí)，需根據(jù)實(shí)際情況酌情應(yīng)用不同的擋土墻技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

水利水電工程在促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，因此其相關(guān)施工技術(shù)也應(yīng)得到承建單位、施工相關(guān)部門(mén)乃至整個(gè)社會(huì)的高度關(guān)注。只有在選擇了正確開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)的前提下，才能有效保證水利水電工程邊坡的安全性，為水利水電的工程質(zhì)量提供可靠保障。故而，需充分重視邊坡開(kāi)挖及支護(hù)的應(yīng)用，并做好施工前的準(zhǔn)備工作，從而保障整個(gè)工程的穩(wěn)定進(jìn)行。