韓江高陂水利樞紐一期導流工程公路邊坡爆破開挖穩定性分析

曾朋偉

(梅州市大埔韓江高陂水利樞紐工程建設管理處，廣東 梅州 514200)

基礎設施建設過程中，均會出現開挖邊坡的現象。開挖邊坡失穩破壞問題是工程建設過程中經常遇到的難題。何巍等[1]采用底摩擦試驗研究開挖邊坡變形破壞特征；結果表明開挖順層開挖邊坡穩定性情況較差，需采取相應的支護措施；施建業等[2]通過組合賦權獲取影響開挖邊坡穩定性的因素的權重，結合云模型方法預測邊坡開挖穩定性，結果較為準確；許建文等[3]使用FLAC數值模擬方法研究順層開挖邊坡的穩定性情況，揭示了邊坡開挖后的變形過程。目前，研究邊坡開挖穩定性的方法主要為：物理模擬方法[4-6]和數值模擬方法[7-9]。其中，物理模擬方法可直接再現邊坡變形破壞過程，數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定性情況及響應特征規律。

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，設計速度為60km/h，設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2.0m厚的爆破緩沖區，降低爆破震動的擾動。爆破緩沖區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見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學參數

3 爆破開挖邊坡穩定性分析

3.1 數值模擬模型建立

根據公路開挖過程中典型斷面建立有限元數值模擬模型，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置監測點，從上至下依次為監測點1～12，監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

通過現場實際調查，結合類似工程經驗[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 數值模擬結果分析

3.3.1未考慮爆破荷載邊坡穩定性分析

根據建立的數值模擬模型，計算邊坡開挖后的穩定性情況，獲取邊坡安全系數。通過FLAC3D軟件中的強度折減法，計算邊坡安全系數，計算結果為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。

3.3.2爆破荷載影響下邊坡安全系數分析

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

圖4 Fs隨時間變化曲線

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

3.3.3爆破荷載影響下邊坡位移響應

設計爆破位置為第5級邊坡，各個監測點最大位移監測結果見表2。根據表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 各監測點位移

3.3.4爆破荷載影響下邊坡變形速度分析

設計爆破位置為第5級邊坡，均質斜坡中，爆破開挖各監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分析

設計爆破位置為第5級邊坡，邊坡爆破開挖，塑性區主要分布于開挖級邊坡范圍內，隨著開挖過程，塑性變形區逐漸變化。爆破擾動對邊坡整體穩定性影響較小，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，誘發安全事故。

4 結論

(1)結合工程實例，使用數值模擬研究靜態開挖下邊坡安全系數，計算結果表明邊坡穩定性較好。

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

(3)通過監測點監測結果可知，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。