高邊坡支護技術在黃土地區河道工程中的應用

王剛1, 沈潔

(1.河南黃河勘測設計研究院,河南 鄭州 450003；2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450003)

0 引言

為提高某縣城段抗洪能力，在縣城段修建河道整治工程，工程結構采用衡重式漿砌石擋土墻。為保證擋土墻的穩定性，擋土墻基礎位需位于堅硬基巖上。根據地質勘查情況，基巖位于現狀地面高程以下16 m左右，局部基巖較現狀地面深度可達20 m左右，基巖以上大部分都為黃土。工程位置線周邊均為居民區、商場等，且許多為高大的建筑物，工程位置線距離建筑物約20 m左右，最近的距離僅建筑物僅10 m。因此，工程施工中邊坡的穩定性至關重要。一旦邊坡坍塌，不但會威脅工程人員的人身安全，更會影響到附近生活居民的人身、財產安全。

1 黃土特性及地質特性

1.1 黃土特性

黃土是一種多孔隙、弱膠結的第四紀沉積物。中國黃土分布廣泛，黃土主要分布在中國中西部地區，其中以西北地區的黃土地層最厚、最完整。黃土具有大孔隙、結構疏松、具直立節理(破壞時能保持直壁)、常含有鹽類(主要為碳酸鹽與硫酸鹽)、成分均勻無層理和遇水具有濕陷性等顯著特點。

黃土物理力學性質的特殊性表現為壓密性、振陷性和濕陷性這三個方面。黃土在動靜荷載及浸水后，均可引起振陷變形、濕陷變形和壓密變形，振陷變形與濕陷變形分別以振動和浸濕作為誘發因素，使黃土的結構破壞而發生附加濕陷，有時則表現為黃土液化。黃土的濕陷性變形具有突變性、不可逆性和非連續性。黃土與其它一般土相同，一定壓應力作用下黃土會出現彈性變形、壓密變形、塑性變形和蠕變變形。

工程位于黃土區，易出現黃土的坍塌，且工程靠近河流，地下水水位較高，如不采取防護措施，開挖邊坡極易坍塌。

1.2 地質特性

勘探深度范圍內，工程區內的地層主要為第四系全新統沖洪積沉積層(Q4al+pl)。地層巖性以粉砂及卵石為主。各土層空間結構及其分布規律見工程地質剖面圖。地層巖性特征詳述如下：

第①層：雜填土Q4ml：黃色，以沙壤土為主，稍密，稍濕，含有大量磚塊及生活垃圾。分布較廣，層厚不均，層厚5.00～13.50 m，平均厚度8.70 m。

第②層：粉砂Q4al+pl：黃色～灰色，稍密～中密，稍濕～飽和，局部夾細砂薄層。在工程場地內分布較廣，層厚不均，層厚1.00～6.70 m，平均厚度4.80 m。

第③層：卵石層Q4al+pl：雜色，中密～密實，飽和，成分以砂巖為主，磨圓度以次圓狀、圓狀為主，一般粒徑1～6 cm，含量約占60%，最大粒徑11 cm，偶見漂石，充填物以泥沙為主。層厚不均，層厚1.40～4.10 m，平均厚度3.20 m。

第④層：砂巖T：灰白色，灰色，強風化，層狀構造，砂質結構，節理裂隙發育。所有鉆孔均未揭穿該層。最大揭示厚度2.00 m。

2 支護型式及穩定分析

2.1 邊坡支護型式

基坑邊坡支護方式有原狀土放坡，地下連續墻支護，排樁支護，水泥擋土墻，土釘墻等多種支護方式，但鑒于工程的特點：①開挖區域為典型黃土，黃土易發生濕陷變形；②工程區域靠近河流，地下水水位較高；③開挖高度大；④開挖邊坡陡；⑤開挖面荷載較大；⑥臨時邊坡支護投資不能過大。

根據工程邊坡支護的一系列特點，僅有少數邊坡支護型式滿足需要，最終，經過支護特性對比、穩定計算對比以及經濟效益對比，確定基坑支護型式采用復合土釘墻支護。

2.2 穩定分析

為了保證基坑邊坡的安全，基坑邊坡必須進行穩定性計算，按照簡化圓弧滑移面條分法對邊坡穩定進行計算。計算簡圖見圖1。

圖1 復合土釘墻穩定性計圖

1—土釘；2—預應力錨桿；3—截水帷幕；4—微型樁；q—地面附加分布荷載；R—假定圓弧滑移面半徑；bi—第i條土條的寬度

復合土釘墻支護邊坡的穩定性與各因素之間存在復雜的耦合關系，如與土釘的數量與深度以及布置形式、錨桿的數量與深度以及布置形式，土釘與錨桿的組合形式，截水帷幕、微型樁、掛網噴射混凝土面層的布置參數均有一定的關系。根據理論計算原理，經過多次分析計算，復合土釘墻如構筑截水帷幕、微型樁，其穩定性大大提高，穩定性安全系數可達1.60，但其工程費用也大幅度提升。但如只利用土釘和錨桿之間進行組合，常常不滿足邊坡穩定性要求，穩定性安全系數<1.10，特殊情況下穩定性安全系數僅0.90。最終通過采用掛網噴射混凝土面層并結合土釘、預應力錨桿的型式，其穩定性安全系數可達1.40，且投資較小，施工簡便、快速，適宜河道內高邊坡穩固。

2.3 支護型式

依據工程位置地勘成果中黃土的物理力學指標參數，以土力學基本原理，利用簡化圓弧滑移面條分法對邊坡穩定進行計算，分析確定黃土高邊坡河道內復合土釘墻各指標參數。

基坑邊坡支護復合土釘墻最終形式確定為：土釘長度6～12 m不等，水平間距1.50 m，縱向間距1.50 m；錨桿長度12 m，水平間距4 m，縱向間距4.50 m。在邊坡表面噴射混凝土面層，厚度80 mm。

結構材料：①鋼筋：鋼筋采用HRB400；②焊條HRB400鋼筋采用E50系列焊條；③水泥標號：P.O42.5；④混凝土強度等級：噴射混凝土面層采用C20。

3 邊坡監測

為保證基坑施工安全和周邊群眾安全，必須進行開挖邊坡的穩定監測，以確保在出現最小邊坡變形時，及時發現并處理。

圖2 邊坡支護典型斷面圖

基坑監測采用儀器監測與巡視檢查相結合的方法，監測范圍為基坑外邊線以外1～3倍基坑開挖深度，必要時應擴大監測范圍。監測內容主要包括但不限于以下內容：①支護結構坡頂水平位移、沉降位移；②周邊道路、建筑物的豎向位移。

監測報警值：①基坑周邊坡頂水平位移累計達到40 mm，或單日變形>4.00 mm，或連續3 d的單日變形>預警值的70%；②基坑周邊坡頂豎向位移累計達到40，或單日變形>4.00 mm，或連續3 d的單日變形>預警值的70%。

4 結語

水利工程邊坡支護有其自身特點，其常?？拷恿鞯人w，因此，較之于其他工程邊坡支護，更加考慮水的作用。文中水利工程位于河道內，地下水水位較高，且開挖坡度較陡，邊坡頂部荷載較大，針對工程邊坡支護特性，從原理上深入分析，綜合考慮支護經濟性，確定支護型式及支護結構內各參數。支護技術是對黃土地區河道內高邊坡支護的一種探索，為未來此類項目提供了一定的工程實踐經驗。