水利工程中高邊坡開挖支護技術研究

段衛娜

（中國水電建設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水平不斷提升，更多的施工技術被應用到水利工程建設項目中。與一般邊坡結構的水利工程相比，高邊坡類型水利工程無論是開挖還是后續支護施工的難度都更高，并且結構穩定性更差。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。作為國家基礎建設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濟的發展。同時，后期運行中，水利工程的運行效果直接關系到社會利益。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，因此常常會出現高邊坡結構。在這樣的特殊結構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，保證水利工程邊坡施工順利進行是當前該領域研究人員重點關注話題，基于此，該文也將以具體水利工程項目為例，對其高邊坡結構上開挖和支護技術進行詳細研究。

1 工程概況

該文選擇以某地區水利工程項目為例，針對該項目中的高邊坡結構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域提供灌溉供水，還有發電功能，是一項規模較大的工程項目。該工程施工位置所在地質條件為低山谷地貌，其左岸邊坡呈現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生了較大的結構差異，邊坡從外到內卸荷裂隙的發育間隔距離在2.6m~6.8m，沿著巖體破碎結構面，呈現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定性受哪些因素影響的問題，因此導致實際施工中出現了原防護工程設計失效的問題。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，需要設定開挖流程，設定如下。清除表面植被→土方開挖→石方開挖。通過以上3個步驟完成相關工作。需要注意的是，在挖掘過程中， 必須嚴格控制各環節質量，只有上一環節處理妥當后才能開始下一環節。在此基礎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域以外。在確定清理范圍時，根據上述水利工程條件，將清理區域設定為開挖區域以外5.5m范圍，以此避免施工中現場雜質對施工質量造成影響，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，高邊坡結構由于高程較大，因此雨水下落時產生的壓力更大，對開挖結構會造成更嚴重影響，而通過設立截水設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 高邊坡截水設施基本結構實物圖

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，保證高邊坡區域形成統一坡度，以此避免積水殘留問題產生。

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，因此根據需要，本次采用爆裂施工方案。在爆破作業中，根據工程實際情況，選擇露天液壓鉆CM351鉆機以及ZQ100D潛孔鉆鉆孔設備進行施工，并對爆破參數以及炸藥用量進行設定。將炮孔深度設置為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，根據開挖支護需要，選擇崩落眼結構。這一結構以巖石破碎作為主要炮孔結構，在爆破過程中崩落眼結構結合自由面可形成較大破碎漏斗結構，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構目的，針對淺層結構進行支護。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水利工程模板安裝施工要求后，將模板與基礎面緊密連接。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計的配合比完成拌和。噴射用的混凝土設計水灰比以0.4~0.5為宜，設計強度應≥20MPa，噴射1天齡期的抗壓強度應≥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，在穩定高邊坡土方結構方面效果突出。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的用量應控制在20%以內，粗細骨料的模數應≥2.5。為提高混凝土強度，混凝土中還應該添加速凝劑、鋼纖維。混凝土中速凝劑的摻入量為水泥質量的2.5%~4%；鋼纖維的摻入量應為水泥質量的4%，鋼纖維直徑應控制在0.25mm~0.4mm，長度不超過30mm。

根據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，結合該水利工程項目的工程基本概況，選用規格符合施工要求的扣件和焊管結構，完成對淺層高邊坡的錨桿支護施工。在錨桿支護結構上，根據要求設置腳手架，并在施工區域周圍設置安全防護措施。錨桿安裝前需要利用鉆孔設備鉆孔。在鉆孔時，需要將水利工程所在區域的地質條件和巖石結構的具體走向作為鉆孔方向選擇的依據。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2.2m左右的腳手架作為支護工具，鉆孔時需要根據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整，待鉆孔的深度達到施工設計要求后，對孔洞結構中的雜質進行清理，保證錨桿埋設質量，通過加入錨桿結構，提升高邊坡承載力。在選擇錨桿結構時，可選擇預應力錨桿和非預應力錨桿兩種結構類型，前者可應用在高邊坡地層巖溶裂縫相對發育的位置，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，從而實現對注漿飽和的控制。在使用非預應力錨桿進行支護施工時，主要起到對松動巖塊和內部穩定巖體的連接作用，以提升高邊坡巖體的穩定性。對高邊坡中地層相對軟弱區域，可采用“坡頂削方——排水——雙排抗滑樁”相結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，對深層結構進行混凝土鉆孔灌注樁支護施工。在鉆孔時，合理設置孔位，結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，對鉆進設備的垂直度進行控制，避免鉆進出現傾斜問題，保證鉆孔質量。在完成鉆孔施工后，針對孔洞中殘留的廢渣進行清理。引入泥漿循環清孔技術，根據孔底中沉渣量的多少，確定清孔次數和清孔頻率。在完成清孔后，為保證清孔質量，需要由現場施工人員對清孔成果進行檢查，保證檢查合格后，才能夠開展后續灌注工作。在完成施工后，控制混凝土導管的提升速度，根據工程施工現場的實際需求，進行提升速度的調控。

3 開挖支護效果分析

按照該文上述技術應用思路，完成對該水利工程高邊坡上的各項施工工序設計，為實現對技術應用效果的驗證，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，對比技術應用前后的各參數變化，實現對該技術可行性的檢驗。在分析前，首先將該水利工程高邊坡施工區域的各個分區進行設置，如圖2所示。

圖2 水利工程高邊坡分區設置

由圖3可以看出，該水利工程高邊坡施工區域共分為6個分區，其中A區、B區、C區、E區、F區的高度依次降低，C區與D區位于同一個高度上。在進行開挖施工中，對上述六個區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 高邊坡各區域沉降測量方式

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

由表2中得到的數據可以看出，在按照該文開挖支護技術施工前、中、后，各個區域的平均沉降量均在0mm~1.50mm，產生的沉降量不會影響高邊坡結構的穩定性，對其邊坡整個支撐體系沒有造成影響。并且，在施工完畢后，推測通過支護技術促進了邊坡承載力的提升，因此沉降增加量沒有呈現出上升的趨勢，反而逐漸降低。為了驗證上述猜想，針對各個區域的承載力再進行分析，各區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域沉降變化記錄表

式中：表示邊坡承載力；表示穩定系數，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計數值；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。根據上述公式，計算6個不同分區的承載力，并將支護后的各區域承載力與支護前進行對比，得到表3。

由表3數據得出，應用該文上述支護技術前各個分區承載力均在9.00 kPa~10.50 kPa，而支護后各個分區承載力均在20.00 MPa以上。從施工效果可以看出，應用該文提出的支護技術可以達到提高邊坡承載力的作用，通過承載力的提升，使各個分區沉降得到有效控制，提高水利工程質量。

表3 支護技術應用前后各分區承載力對比

4 結語

在水利工程項目施工中，開挖必定會造成對巖體結構的破壞，若沒有合理的支護技術作為支撐，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進行研究，并對施工效果進行分析，驗證了該技術應用的可行性和適應性，為類似的水利工程項目施工提供一定借鑒。