水利水電工程邊坡地質穩定性分析及支護施工工藝

羅正全

（四川省水利規劃研究院，成都618000）

1 引言

水利水電工程作為與人們生產生活密切相關的基建工程，在保障社會經濟建設水平穩定提高的過程中發揮了重要作用。在工程建設過程中涉及土方開挖、邊坡支護等，開挖過程改變了坡體要素，坡體因產生了應力重分布，所以，在巖土體自重以及外力作用下，將產生切向應力，而當切應力大于邊坡巖土體的抗剪強度時，坡體就會產生剪切破壞。坡體巖土體剪切破壞是孕育滑坡、崩塌等地質災害的重要源頭因素。

我國幅員遼闊、地形復雜且不同地域地質狀況相差較大，增加了水利水電工程的復雜性，導致實際工程中會面臨一定的施工難度。由于邊坡的穩定性直接影響到水工建筑物的使用壽命及周邊環境的安全性，也直接決定項目的經濟效益與生態效益，因此，在實際工作中必須深入研究邊坡穩定性及處理措施，對坡體邊坡穩定性進行定量分析，以便及時預測邊坡的失穩災害，及時采取有效的邊坡失穩防護措施，確保邊坡穩定。利用信息技術建立長效的監測手段，使水利水電工程充分發揮其最大經濟與社會效益。

2 邊坡地質穩定性分析

邊坡通常是指人類活動形成的一定傾斜坡度的傾斜坡體，邊坡在地質上可分為土質和巖質邊坡，本身具有一定的傾斜度，這導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，進而造成滑坡、坍塌、崩解和泥石流等災害的發生[1]。

2.1 影響邊坡穩定性的因素

影響邊坡穩定性的因素可以分為內在因素和外在因素2個方面：

1）內在因素包括地形地貌條件、構成邊坡巖（土）體的物理力學性質、水理性質、水文地質條件、巖（土）體結構與地質構造等。

2）外在因素包括水文氣象、風化作用、水流的作用、地震及人為因素等。

其中，內因在邊坡的變形中起決定性的控制作用，外因起促進作用；故而在邊坡的穩定性分析中，應在研究各因素的基礎上，找出這些因素間的內在聯系，進而再評價其穩定性。

2.2 評價邊坡穩定性方法

常用的評價邊坡穩定性方法有定性分析法、極限平衡分析法、數值分析法、工程地質類比法4類。

1）定性分析法。是指通過對邊坡的尺寸和坡形、邊坡的地質結構、所處的地質環境、形成的地質歷史、變形破壞形跡，以及影響其穩定性的各種因素的研究，以判斷邊坡演變階段和穩定狀況。

2）極限平衡分析法。把可能滑動的巖、土體假定為剛體，通過分析可能的滑動面，并把滑動面上的應力簡化為均勻分布，進而計算出邊坡的穩定系數。

3）數值分析法。利用有限單元分析法，先計算出邊坡位移場和應力場，然后，利用巖體、土體強度準則，計算出各單元與可能滑動面的穩定性系數。

4）工程地質類比法。將所研究邊坡或擬設計的人工邊坡與已經研究過的或已有經驗數據的邊坡進行類比，以評價其穩定性，并提出合理的坡高和坡角。

2.3 實例分析

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

由于該水庫邊坡主要以硬質地巖石為主，不存在整體滑動的邊界條件，因此，在對邊坡穩定安全系數的計算上，采用強度折減法及有限差分軟件進行計算。計算后發現，左岸側邊坡符合自重作用下邊坡應力場分布的一般規律，即如果從邊坡內部開挖直至坡表，最大主應力方向與坡面平行，最小主應力數值無限接近于0，邊坡淺表層局部有拉應力出現。

在對右岸進行計算的過程中發現，右岸坡體的應力分布整體上也符合自重作用下邊坡應力場分布的一般規律，且整體上處于受壓狀態，淺表局部位置出現拉應力且小于左岸邊坡。在應用強度折減法進行計算之后，計算出的位移曲線發生明顯變化，表現為剪應變率帶出現明顯的貫通，因而該水庫右側邊坡安全系數略小于左側。

3 邊坡支護技術應用的注意事項

通常采用的邊坡支護技術可大概分為淺層支護與深層支護2種。一般情況下淺層支護會用到錨桿支護策略和掛網噴射混凝土策略等，除此之外，還包括對排水孔的合理布局與應用。在應用錨桿支護策略時，需在錨孔挖好之后先進行灌漿再插桿，但如果遇到開挖巖層深度不足的情況，則可能會調整施工順序，先插桿再灌漿。此外，深層支護技術的應用同樣需要引起重視。針對部分地質不穩定，容易受滑坡、地震及泥石流等地質災害影響的區域，可采用鋪設鋼筋網的方式來提升邊坡的牢固程度與穩定性，以免邊坡因為地質災害受到嚴重影響。鋪網的關鍵在于使網和坡面之間不存在縫隙，確保鋼筋網充分發揮作用。排水孔的設計比較關鍵，這是因為邊坡在投入正常使用之后，會長期處于排水狀態，如果排水孔的設計不合理，長時間的使用會對邊坡質量造成影響，因此，需做好排水孔的質量控制工作。除了要對排水孔布局、位置及數量進行嚴格控制之外，還可在排水孔內部加入相關材料，提升排水孔整體的強度，以免發生坍塌。

4 邊坡支護技術分析

4.1 砂漿錨桿施工

作為基建建設工程之一，水利水電工程在工程開始之前需要進行周密的施工計劃。受條件限制，水利水電工程通常選擇在人煙稀少且地形復雜的地區進行建設，因此，需要注意的關鍵點有以下3個方面。

1）施工計劃制定之前需嚴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錨桿具有腐蝕作用的成分。錨桿鉆孔位置及孔深、孔徑等應滿足技術規范，并在鉆孔完成后利用高壓風機徹底清理孔內的殘渣和水分。錨桿搭設過程中可應用雙排腳手架，并將其距離控制在2.0 m×2.0 m，在距離地面20 cm位置設置掃地桿，并確保掃地桿伸出立桿大約10 cm。注漿操作時可應用GZJB型液壓雙液注漿泵。在完成安裝作業后、砂漿完全凝固之前做好錨桿的保護工作，避免錨桿受到任何程度的碰撞、敲擊等可能導致其位移的影響。

2）在做完以上準備工作之后即可開始砂漿錨桿支護施工。在砂漿錨桿施工執行前，需先做好以下工作：（1）在施工前采取現場試驗的形式確定合理的錨噴支護系數與參數，沒有條件進行現場試驗的情況下則可采用工程類比法確定相關參數；（2）砂漿攪拌、灌注設備及錨桿鋪設設備應當置于安全地帶；（3）對噴射機、注漿器等設備進行安全檢查及試運行工作。

3）完成以上工作后可進行砂漿錨桿施工。在噴射作業面時，需要注意對粉塵濃度的有效控制，如采用濕噴砂漿等方式來實現對粉塵濃度的有效控制。此外，在作業之前也需要檢查巖石的滲水狀態，如果巖石滲水比較嚴重，則需在噴射砂漿之前設法排出巖石中的積水。噴完砂漿后，還要鉆探排水孔，以避免噴層脫落導致人身傷害的情況出現。在選擇錨桿時，需要確保錨桿直徑不大于設計規定的數值，否則不能安裝錨桿。一般來說，錨桿的固定工作通常由人力執行，同時要保證在灌漿之后進行，且灌漿需要保證勻速灌注，以避免灌漿溢出。

4.2 深層支護技術

深層支護技術應用的前提，是確保邊坡開挖程度達到相應技術要求。因而，在施工之前需要固定坡面傾斜度及壁面，可采用導向儀測量邊坡坡面傾斜度并加以校正。通常水利工程施工時，場地內已經存有了一定數量的水泥，水泥價格低廉又具有良好的固壁作用，因此，在深層支護技術中應用，可實現更加理想的深層支護效果。

4.3 預應力錨索施工技術

預應力錨索施工技術，主要體現在借助錨索對邊坡施加預應力，進而達成加固邊坡的目的。在應用預應力錨索施工前，應當配置專業的安全檢查人員，并要求安全檢查人員監督施工的全過程，隨時發現可能導致安全隱患的潛在風險因素，并采用相應的解決策略。

在應用淺孔錘風動鉆進方式為錨索造孔時，則需要采用相應的除塵措施，以避免積灰導致淺孔錘作業位置過熱或影響視線。在開孔過程中，對孔口產生松動的巖塊應及時加以清除，避免巖塊卷入沖擊鉆后彈出傷人。鋼絞線的下料需要應用特制的放料支架，往孔內安裝錨索時則需要由專人進行協調指揮、統一進行，以避免錨索張拉時發生安全事故。

尤其需要注意的是，錨索的施工只有在確保高壓風管及高壓油管接頭連接牢固的前提下方可進行，且在造孔機械、張拉機械的傳動與轉動位置，均需要配備完整的防護罩。

4.4 擋土墻施工技術

常見的擋土墻施工技術包括重力式擋土墻、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方向上的壓力，具有就地取材、施工方便的特點，但如果擋土墻墻體太高會造成擋土墻失穩，或地基質地軟弱時會受到承載力的局限，因而必須慎重考慮地基承載力與擋土墻的整體穩定性與結構強度，可加入其他工程措施來保證擋土墻的穩定性；扶壁式擋土墻是指以一定距離為間隔分別設置扶壁，將立壁與踵板連接起來，本質上是一種鋼筋混凝土薄壁式擋土墻，不僅構造簡單，施工方便，也能充分發揮材料的強度性能，在缺乏石料及地震地區較為常用。但在地質不良地段或地震烈度超過8度的地段不適用；懸臂式擋土墻與扶壁式擋土墻類似，但在墻高較高（超過9 m）時會因為立壁下部彎矩較大導致鋼筋混凝土用量劇增。由此可見，施工時，需根據實際情況酌情應用不同的擋土墻技術。

5 結語

水利水電工程在促進社會穩定發展的過程中發揮了重要作用，因此其相關施工技術也應得到承建單位、施工相關部門乃至整個社會的高度關注。只有在選擇了正確開挖支護技術的前提下，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量提供可靠保障。故而，需充分重視邊坡開挖及支護的應用，并做好施工前的準備工作，從而保障整個工程的穩定進行。