輸水管道大開挖工程邊坡穩定性及現場施工分析

夏 堃

(遼寧宏禹水利工程建設監理有限公司，遼寧 沈陽 110006)

1 工程概況

某輸水管道工程起點位于遼寧省清河水庫右岸泄洪洞出口，終點為開原市婁相屯凈水廠，主要任務是解決鐵嶺市清河區及開原市生活、生產用水，設計輸水規模30.8萬t/d，工程等別為Ⅲ等。輸水管線采用φ4.0 m鋼管與右岸泄洪洞出口段連接，穿過右岸上壩路后改為2條PCCP管(規格為DN1400)。本次大開挖輸水管道總長度110 m，設計土方開挖90 248 m3，石方開挖911 m3，開挖線頂寬64 m，開挖深度20 m。

2 開挖邊坡穩定性計算分析

本項目所處地形屬堆積階地，表層為人工堆填物壓覆，開挖巖性以素填土、可塑狀粉質黏土、強～弱風化安山巖為主。地形起伏較大，地面標高113.00 m，基底設計標高92.45 m，基坑挖深20.55 m，巖性以弱風化安山巖為主，承載力建議值1000 kPa。地下水埋深0～17.70 m，類型主要為地表水，以大氣降水補給為主。

2.1 開挖邊坡穩定性計算原理分析

本項目利用“土坡極限平衡法”進行邊坡穩定評價，采用“瑞典圓弧滑動面條分法”分析計算見圖1。為方便計算，作以下兩點假設：(1)假設滑動面為圓柱面，滑動土體為不變形剛體；(2)假設土條兩側上的作用力為零[1]。

該方法將土坡土體沿豎直方向分成若干個土條，從土條中任意取出第i條作力學分析，具體作用力包括：土條自重、土條弧面法向反力、土條圓弧面切向阻力。安全系數FS計算見式(1)，按照《水利水電工程邊坡設計規范》(SL 386—2007)要求，FS≥1.3才能滿足要求[2]。

(1)

式中：Wi為第i條土條自重,kN/m3；βi為第i條土條到滑動圓弧圓心與豎直方向夾角,(°)；φi為第i條土條內摩擦角,(°)；сi為土條黏聚力,kPa；li為第i條土條圓弧長度,m。

圖1 “瑞典圓弧滑動面條分法”計算示意

2.2 開挖邊坡穩定性計算分析

(1)土層力學參數和邊坡計算模型

通過委托專業單位實地勘測，得出本工程大開挖段土層相關參數值，部分見表1所示。大開挖段邊坡計算模型見圖2，其中放坡高度5.00 m，放坡寬度6.25 m，臺階寬度2.00 m。

表1 大開挖段土層計算參數

圖2 邊坡計算模型左右對稱(單位：mm)

(2)三種計算工況下邊坡穩定性分析

將現場測得各參數值代入式(1)，通過循環計算，求得最小的安全系數FS，本項目利用理正巖土軟件進行輔助分析。為尋求地下水對邊坡穩定的影響，計算中考慮以下三種計算工況。

①不考慮地下水作用

將模型圖的圓點坐標(0，0)位置設計在坡腳處，通過理正軟件計算結果見表2。從表中數據可知：不考慮地下水作用時，施工期大開挖邊坡滑動安全系數FS=1.354>1.3，邊坡處于穩定狀態[3]。

表2 無地下水時計算結果

②地下水埋深較大

當地下水埋深較大時，通過理正軟件計算結果見表3。從表中數據可知：地下水埋深較大時，施工期大開挖邊坡滑動安全系數FS=1.315>1.3，邊坡處于穩定狀態。

表3 地下水埋深較大時(坡底5 m，坡頂8.5 m)計算結果

③地下水埋深較小

地下水埋深較小時，通過理正軟件計算結果見表4。從表中數據可知：地下水埋深較小時，施工期大開挖邊坡滑動安全系數FS=1.302>1.3，邊坡處于穩定狀態。

表4 地下水埋深較小時(坡底0.5 m，坡頂5.5 m)計算結果

綜合以上三種工況結果：大開挖邊坡都處于穩定狀態，但安全系數逐步減小(由1.354下降至1.302)；大開挖邊坡穩定性受地下水影響非常大，與地下水埋深呈正比關系，因此需做好雨季施工安全預案；由于當坡底地下水埋深為0.5 m時，滑動安全系數FS=1.302非常接近規范值1.3，因此當坡底地下水埋深小于0.5 m時，開挖邊坡不再穩定，需采取加固措施[4]。

3 現場施工要點分析

3.1 現場開挖施工要點分析

本項目在開挖時遵循“一次性開挖、嚴禁超挖”原則，采用階梯狀機械大開挖方式，具體工藝流程如下：測量放線→植被清理→土方開挖→石方開挖，具體施工要點如下：

(1)截水溝開挖及防滲

在開挖線外側，距開挖邊線2.0 m位置采用挖掘機挖梯形截水溝，截水溝尺寸為頂寬2.0 m，底寬0.4 m，深度0.5 m，兩側開挖邊坡為1∶1.25。截水溝開挖完畢后做防滲處理，在其內部及兩側鋪設200 g/m2無紡布，防滲層延伸至截水溝開挖線外1.0 m[5]。

(2)土方開挖

正式開挖前，先將開挖區域上部孤石、險石排除，較大塊石用炮錘拆除。土方開挖從上向下分層施工，同時采用液壓反鏟進行邊坡修整，并留適當余量給人工修整，保證開挖的坡度和平整度，完工后的坡面利用200 g/m2無紡布覆蓋保護[6]。

(3)石方開挖

本工程石方明挖主要集中在與原泄洪洞相接部位，由于開挖方量不大，為減小擾動及對已有構造物保護，石方開挖采用“炮錘鑿除+人工風鎬清除”施工，從上向下分層開挖。根據各區段不同部位、不同開挖厚度等實際情況，沿設計邊坡線進行鑿除。

(4)施工降水

根據地質和氣象資料，本段開挖無地下水，主要以地表水為主，施工降水采用明排。水泵7.5 kW，揚程15 m，動力由80 kW柴油機提供。開挖底層基槽時在0+110處挖一集水坑集中抽水，由于此處降水點離尾水渠較近，施工降水排入尾水渠。

3.2 現場監測要點分析

3.2.1 裂縫監測

(1)人工巡視發現裂縫后及時埋設測點(1～2 d內完成)，測點間距沿裂縫20～30 m設計，其方向平行滑坡主滑方向或邊坡位移方向(不一定垂直裂縫)。

(2)在裂縫兩邊穩定土體內分別開挖A4紙平面大小洞，深50 cm。用混凝土澆注至地面高度，兩塊長方形鐵片分別埋設在兩邊混凝土內，并使這兩塊鐵片在裂縫處互相搭接約50 cm長，在搭接處用紅漆涂色。

(3)每隔6 h利用游標卡尺測量鐵板紅漆涂色處縫隙，以該數據作為所測邊坡裂縫增加的寬度[7]。

3.2.2 坡面監測

(1)采用方格形觀測網，觀測點布置在各級邊坡平臺上，每級平臺不少于5個，觀測點間距15～30 m，對地質條件較差區域可加密布點。當同一邊坡上有深層位移觀測點時，坡面上其中一條縱向觀測線與深層位移觀測點在同一直線上，以便觀測數據相互驗證和對比；

(2)在監測點開挖一個50 cm×50 cm×80 cm(長×寬×深)的孔，用鋼筋混凝土澆注至地面高度，在底盤中心埋設一根鋼筋，鋼筋一端伸出底盤約0.5 cm，鋼筋頂端設標記作為監測基點；

(3)待監測基點穩定2～3 d后進行初測，對石質邊坡利用穩固石塊作為觀測標記代替觀測樁。監測基點設置在穩定的區域并遠離監測坡體，測點埋設在邊坡開挖前完成。

4 結 語

很多主輸水管道鋪設都需要開挖大型溝槽，因此均存在保證邊坡穩定問題。若邊坡設計太緩，雖然會增加穩定性，但是開挖成本會迅速上升，所以這就需要設計人員在邊坡穩定和盡量降低開挖量之間尋找一個平衡點，本項目通過理論分析和現場試驗，確定了邊坡開挖模型，驗證了設計的合理性，取得了較好的經濟效益。