水利工程中高邊坡開挖支護技術(shù)研究

段衛(wèi)娜

（中國水電建設(shè)集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

隨著各類建筑施工技術(shù)水平不斷提升，更多的施工技術(shù)被應(yīng)用到水利工程建設(shè)項目中。與一般邊坡結(jié)構(gòu)的水利工程相比，高邊坡類型水利工程無論是開挖還是后續(xù)支護施工的難度都更高，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更差。上述特性的存在嚴重影響水利工程項目整體的質(zhì)量，并且對施工人員的安全也會造成十分惡劣的影響。作為國家基礎(chǔ)建設(shè)項目中的重要組成部分，水利工程在一定程度上影響著國家經(jīng)濟的發(fā)展。同時，后期運行中，水利工程的運行效果直接關(guān)系到社會利益。所有水利工程項目中都包括開挖施工和支護施工等工序，而部分水利工程由于所在地理位置的特殊性，因此常常會出現(xiàn)高邊坡結(jié)構(gòu)。在這樣的特殊結(jié)構(gòu)上進行開挖和支護施工的難度較高，因此如何能夠選擇合理開挖和支護技術(shù)，保證水利工程邊坡施工順利進行是當前該領(lǐng)域研究人員重點關(guān)注話題，基于此，該文也將以具體水利工程項目為例，對其高邊坡結(jié)構(gòu)上開挖和支護技術(shù)進行詳細研究。

1 工程概況

該文選擇以某地區(qū)水利工程項目為例，針對該項目中的高邊坡結(jié)構(gòu)進行開挖和支護施工。該水利工程項目的主要功能為周圍區(qū)域提供灌溉供水，還有發(fā)電功能，是一項規(guī)模較大的工程項目。該工程施工位置所在地質(zhì)條件為低山谷地貌，其左岸邊坡呈現(xiàn)出上緩下陡變化趨勢，邊坡高度約為138m，巖層緩傾下游，傾斜角度約為7°，邊坡上段主要以泥頁巖為主，下段以砂巖為主。由于該水利工程所在位置地理環(huán)境特殊，受到了巖性和切割高差的影響，并且在卸荷作用下產(chǎn)生了較大的結(jié)構(gòu)差異，邊坡從外到內(nèi)卸荷裂隙的發(fā)育間隔距離在2.6m~6.8m，沿著巖體破碎結(jié)構(gòu)面，呈現(xiàn)出越來越強烈的變化趨勢。由于在具體施工中，沒有考慮到邊坡的穩(wěn)定性受哪些因素影響的問題，因此導致實際施工中出現(xiàn)了原防護工程設(shè)計失效的問題。針對該問題，為提高水利工程施工效果，對其開挖支護技術(shù)進行研究。

2 水利工程中高邊坡開挖支護施工

2.1 高邊坡土方石方開挖

為提升高邊坡土方石方開挖效果，需要設(shè)定開挖流程，設(shè)定如下。清除表面植被→土方開挖→石方開挖。通過以上3個步驟完成相關(guān)工作。需要注意的是，在挖掘過程中， 必須嚴格控制各環(huán)節(jié)質(zhì)量，只有上一環(huán)節(jié)處理妥當后才能開始下一環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上以上述水利工程項目為例，在開挖前，針對施工面進行清理，將表面存在的植被、碎石等清除到施工區(qū)域以外。在確定清理范圍時，根據(jù)上述水利工程條件，將清理區(qū)域設(shè)定為開挖區(qū)域以外5.5m范圍，以此避免施工中現(xiàn)場雜質(zhì)對施工質(zhì)量造成影響，從而為開挖施工提供保障條件。在開挖過程中，針對高邊坡的坡面進行截水設(shè)施修建，以此避免降水時雨水對邊坡開挖造成的影響。與普通邊坡相比，高邊坡結(jié)構(gòu)由于高程較大，因此雨水下落時產(chǎn)生的壓力更大，對開挖結(jié)構(gòu)會造成更嚴重影響，而通過設(shè)立截水設(shè)施能夠有效阻擋雨水壓力對開挖面的作用力，起到保護開挖施工面的作用。

圖1 高邊坡截水設(shè)施基本結(jié)構(gòu)實物圖

在土方開挖時，采用從上到下的順序分層施工，并對每層削坡厚度進行合理控制。針對該文水利工程項目基本工況條件，其削坡厚度應(yīng)當控制在3m~3.5m。在土方開挖時，采用機械開挖配合人工開挖的方式進行修坡處理，保證高邊坡區(qū)域形成統(tǒng)一坡度，以此避免積水殘留問題產(chǎn)生。

在完成土方開挖后，開展石方開挖工作，與土方開挖相比，石方開挖難度更大，因此根據(jù)需要，本次采用爆裂施工方案。在爆破作業(yè)中，根據(jù)工程實際情況，選擇露天液壓鉆CM351鉆機以及ZQ100D潛孔鉆鉆孔設(shè)備進行施工，并對爆破參數(shù)以及炸藥用量進行設(shè)定。將炮孔深度設(shè)置為100 mm，采用機械化裝藥爆破裝藥方式。針對不同石方硬度，設(shè)定炸藥用量如下。石方硬度在0.8f~2f，炸藥用量為0.55 kg/m；石方硬度在3f~4f，炸藥用量為0.58 kg/m；石方硬度在4f以上，炸藥用量為0.60 kg/m。在對爆破炮眼選擇時，根據(jù)開挖支護需要，選擇崩落眼結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)以巖石破碎作為主要炮孔結(jié)構(gòu)，在爆破過程中崩落眼結(jié)構(gòu)結(jié)合自由面可形成較大破碎漏斗結(jié)構(gòu)，開挖完成后利用自卸車將挖掘出的廢料和巖碴運送至棄碴場地。

2.2 淺層噴射混凝土支護

在完成對高邊坡的土方開挖后，為達到強化高邊坡結(jié)構(gòu)目的，針對淺層結(jié)構(gòu)進行支護。采用噴射混凝土支護方案，將漿砌石砌筑在邊坡的基礎(chǔ)面上，在完成砌筑后，對其表面進行平整處理，確定平整度符合后續(xù)水利工程模板安裝施工要求后，將模板與基礎(chǔ)面緊密連接。將事先制備的混凝土材料以噴射的方式均勻涂抹到模板表面。在制備混凝土材料時，需要嚴格按照施工方案中設(shè)計的配合比完成拌和。噴射用的混凝土設(shè)計水灰比以0.4~0.5為宜，設(shè)計強度應(yīng)≥20MPa，噴射1天齡期的抗壓強度應(yīng)≥5MPa。水泥選用硫鋁酸鹽水泥。這種水泥強度高，噴射后1天的強度相當于普通硅酸鹽水泥4周才能達到的強度，在穩(wěn)定高邊坡土方結(jié)構(gòu)方面效果突出。硫鋁酸鹽水泥初凝時間為10min~1h，終凝時間為15min~1.5h。噴射混凝土的粗骨料平均粒徑應(yīng)大于0.5mm，細骨料的平均粒徑為0.25mm~0.5mm。其中細骨料中粒徑大于0.075的用量應(yīng)控制在20%以內(nèi)，粗細骨料的模數(shù)應(yīng)≥2.5。為提高混凝土強度，混凝土中還應(yīng)該添加速凝劑、鋼纖維?；炷林兴倌齽┑膿饺肓繛樗噘|(zhì)量的2.5%~4%；鋼纖維的摻入量應(yīng)為水泥質(zhì)量的4%，鋼纖維直徑應(yīng)控制在0.25mm~0.4mm，長度不超過30mm。

根據(jù)該文水利工程項目要求，將噴射厚度控制在10cm~15cm，噴射強度壓力為42.5MPa。

2.3 淺層錨桿支護

在完成混凝土噴射后，結(jié)合該水利工程項目的工程基本概況，選用規(guī)格符合施工要求的扣件和焊管結(jié)構(gòu)，完成對淺層高邊坡的錨桿支護施工。在錨桿支護結(jié)構(gòu)上，根據(jù)要求設(shè)置腳手架，并在施工區(qū)域周圍設(shè)置安全防護措施。錨桿安裝前需要利用鉆孔設(shè)備鉆孔。在鉆孔時，需要將水利工程所在區(qū)域的地質(zhì)條件和巖石結(jié)構(gòu)的具體走向作為鉆孔方向選擇的依據(jù)。將鉆孔的傾斜角度控制在25°~30°，并選擇符合標準的焊管和扣件，搭建好臨時的腳手架施工平臺。在做好安全防護工作后采用孔徑為 48cm的焊管，搭設(shè)2.2m左右的腳手架作為支護工具，鉆孔時需要根據(jù)巖石的紋理和走向以及傾角情況對錨桿孔的角度、深度及大小進行及時調(diào)整，待鉆孔的深度達到施工設(shè)計要求后，對孔洞結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)進行清理，保證錨桿埋設(shè)質(zhì)量，通過加入錨桿結(jié)構(gòu)，提升高邊坡承載力。在選擇錨桿結(jié)構(gòu)時，可選擇預(yù)應(yīng)力錨桿和非預(yù)應(yīng)力錨桿兩種結(jié)構(gòu)類型，前者可應(yīng)用在高邊坡地層巖溶裂縫相對發(fā)育的位置，并采用一次性高壓注漿施工。針對該施工方式，需要在注漿材料中添加適量減水劑，縮短早凝時間，從而實現(xiàn)對注漿飽和的控制。在使用非預(yù)應(yīng)力錨桿進行支護施工時，主要起到對松動巖塊和內(nèi)部穩(wěn)定巖體的連接作用，以提升高邊坡巖體的穩(wěn)定性。對高邊坡中地層相對軟弱區(qū)域，可采用“坡頂削方——排水——雙排抗滑樁”相結(jié)合的方式完成錨桿支護施工。

2.4 深層混凝土鉆孔灌注樁支護

在完成對水利工程高邊坡的淺層支護后，對深層結(jié)構(gòu)進行混凝土鉆孔灌注樁支護施工。在鉆孔時，合理設(shè)置孔位，結(jié)合高邊坡的施工條件以及施工要求，確定具體潛孔位置。在鉆孔過程中，使用鉆機進行施工，在鉆進過程中，對鉆進設(shè)備的垂直度進行控制，避免鉆進出現(xiàn)傾斜問題，保證鉆孔質(zhì)量。在完成鉆孔施工后，針對孔洞中殘留的廢渣進行清理。引入泥漿循環(huán)清孔技術(shù)，根據(jù)孔底中沉渣量的多少，確定清孔次數(shù)和清孔頻率。在完成清孔后，為保證清孔質(zhì)量，需要由現(xiàn)場施工人員對清孔成果進行檢查，保證檢查合格后，才能夠開展后續(xù)灌注工作。在完成施工后，控制混凝土導管的提升速度，根據(jù)工程施工現(xiàn)場的實際需求，進行提升速度的調(diào)控。

3 開挖支護效果分析

按照該文上述技術(shù)應(yīng)用思路，完成對該水利工程高邊坡上的各項施工工序設(shè)計，為實現(xiàn)對技術(shù)應(yīng)用效果的驗證，分別對開挖過程中高邊坡沉降情況和支護后高邊坡的承載力情況進行記錄，對比技術(shù)應(yīng)用前后的各參數(shù)變化，實現(xiàn)對該技術(shù)可行性的檢驗。在分析前，首先將該水利工程高邊坡施工區(qū)域的各個分區(qū)進行設(shè)置，如圖2所示。

圖2 水利工程高邊坡分區(qū)設(shè)置

由圖3可以看出，該水利工程高邊坡施工區(qū)域共分為6個分區(qū)，其中A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、E區(qū)、F區(qū)的高度依次降低，C區(qū)與D區(qū)位于同一個高度上。在進行開挖施工中，對上述六個區(qū)域沉降變化情況進行記錄，并測量得出其開挖前、開挖后以及開挖中的沉降變化情況。沉降測量方式見表1。

表1 高邊坡各區(qū)域沉降測量方式

按照表1中的內(nèi)容對該水利工程高邊坡6個區(qū)域的沉降量進行測定，并求取各個區(qū)域多個測點的平均沉降結(jié)果。在求解平均沉降量時，參與到計算中的數(shù)值全部取絕對值。根據(jù)上述論述得到各個區(qū)域在開挖前、中和后期的沉降變化數(shù)據(jù)，記錄見表2。

由表2中得到的數(shù)據(jù)可以看出，在按照該文開挖支護技術(shù)施工前、中、后，各個區(qū)域的平均沉降量均在0mm~1.50mm，產(chǎn)生的沉降量不會影響高邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對其邊坡整個支撐體系沒有造成影響。并且，在施工完畢后，推測通過支護技術(shù)促進了邊坡承載力的提升，因此沉降增加量沒有呈現(xiàn)出上升的趨勢，反而逐漸降低。為了驗證上述猜想，針對各個區(qū)域的承載力再進行分析，各區(qū)域承載力可通過公式（1）計算得出。

表2 水利工程高邊坡各區(qū)域沉降變化記錄表

式中：表示邊坡承載力；表示穩(wěn)定系數(shù)，基于該文上述水利工程項目的基該工程條件，的取值為0.9；表示邊坡抗壓強度設(shè)計數(shù)值；表示邊坡受力面積；A表示換算面積；A表示受壓正截面面積。根據(jù)上述公式，計算6個不同分區(qū)的承載力，并將支護后的各區(qū)域承載力與支護前進行對比，得到表3。

由表3數(shù)據(jù)得出，應(yīng)用該文上述支護技術(shù)前各個分區(qū)承載力均在9.00 kPa~10.50 kPa，而支護后各個分區(qū)承載力均在20.00 MPa以上。從施工效果可以看出，應(yīng)用該文提出的支護技術(shù)可以達到提高邊坡承載力的作用，通過承載力的提升，使各個分區(qū)沉降得到有效控制，提高水利工程質(zhì)量。

表3 支護技術(shù)應(yīng)用前后各分區(qū)承載力對比

4 結(jié)語

在水利工程項目施工中，開挖必定會造成對巖體結(jié)構(gòu)的破壞，若沒有合理的支護技術(shù)作為支撐，則會造成邊坡承載力降低，導致邊坡沉降量增加，不僅會對施工質(zhì)量造成影響，也會對施工安全造成一定影響。針對該問題，該文以具體水利工程項目為例，針對其開挖支護技術(shù)進行研究，并對施工效果進行分析，驗證了該技術(shù)應(yīng)用的可行性和適應(yīng)性，為類似的水利工程項目施工提供一定借鑒。