強降水、高雨頻條件下高邊坡施工及排水技術研究

鐘 坤，閆福根，傅興安，郭建華，張興昊

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.長江設計集團有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

降雨是引發邊坡失穩的主要原因之一，雨水使土體重量增大，粘聚力下降，降低邊坡穩定性，增大滑坡等地質災害發生幾率[1-3]。在特定條件下滑坡還面臨轉化為泥石流災害的風險，對人民群眾財產安全和生態環境造成危害。熱帶雨林地區高雨頻、強降雨條件下高邊坡施工過程中存在停工頻繁、工期滯后等問題，嚴重威脅邊坡的安全穩定，并對社會經濟建設和人民的生命財產造成損失[4-5]。因此，為保證邊坡全生命周期安全穩定，深入開展研究適用于強降雨、高雨頻條件下的快速施工方法及高效排水裝置十分必要。

高邊坡施工時，若發生大強度降雨，坡面將受到強烈沖刷，甚至形成沖刷深溝，嚴重影響邊坡安全；被雨水沖刷帶走的坡面流土沿著天然沖溝最終匯入下游河道，對下游河水也會造成嚴重環境污染。如何在保證安全的前提下快速施工，一直是工程領域研究的課題。丁善鋒等[6]通過對高邊坡分區，科學規劃施工道路，采取分層開挖分層支護的工藝，實現了高邊坡開挖和支護快速施工；秦民生[7]分析了無架施工工藝在水利行業中的應用，提出了一種快速開挖支護的施工工藝；張傳虎等[8]通過研制新型鉆機、創新施工工藝、精確控制鉆孔精度和采用綜合降塵技術，形成了一套高陡邊坡快速、優質開挖施工技術。目前對高邊坡快速施工技術的研究多體現在裝備研制方面，對分區施工次序研究較少，尤其是對熱帶雨林地區強降雨條件下的快速施工技術研究較少。

熱帶雨林地區面對高雨頻氣候條件，如何有效的引排坡面匯水，防止降雨對邊坡沖刷破壞，對保證邊坡局部及整體穩定至關重要。傳統的邊坡排水工程主要采用邊坡“馬道排洪溝+急流槽”[9-12]組合方式對坡面匯水進行引排。其中，馬道排洪溝主要采用現澆混凝土結構型式；急流槽多采用“不設置臺階的混凝土矩形溝”、“設置臺階的混凝土矩形溝”和“具有波紋的半圓型塑料管”3種結構裝置。“不設置臺階的混凝土矩形溝”的急流槽結構裝置使用壽命十分有限，混凝土底板會因高速水流長期沖刷，導致溝內滲水或溝身沖斷，造成坡面排水系統失效，進而引發邊坡局部或整體失穩；“設置臺階的混凝土矩形溝”結構裝置施工工藝復雜，施工工期較長；“具有波紋的半圓型塑料管”結構裝置易發生水流向坡面滲入，造成結構整體失穩問題。排洪溝現場工程實踐表明，3種急流槽結構均不能很好地應用于本工程，需研制一種新型高效排水裝置。

1 工程概況

Mirador銅礦位于南美洲厄瓜多爾國距離第三大城市昆卡市(Cuenca)直線距離約100km的薩莫拉-欽奇佩省(Zamora-Chinchipe)。Wawayme東排土場位于南礦露天采場東北面的Wawayme河谷地，用于排放南礦露天采場開挖廢棄料。排土場用地面積為732hm2，最終堆放標高1500m，排放總高度400m，堆存容積為1.04億m3。

由于Mirador銅礦所在地區雨量充沛，河流發育，坡面匯水面積大，為降低Wawayme東排土場安全風險，需在其上游設置大型排洪溝對山區坡面匯水進行排導。排洪溝所處地理位置位于厄瓜多爾東南部濕潤地區，具有典型的亞馬遜地區濕潤多雨的氣候特點，平均年降水量高達3000mm，所在區域地形均為山區，高海加高山體自然坡度為30～70，地表雨林植被茂密、東西向溝壑密布，地勢陡峭。巖性主要為粘土、砂礫石，部分段落有塊狀花崗閃長巖石外露，覆土厚度較厚。

Mirador銅礦地理位置及排洪溝平面布置如圖1所示。

圖1 Mirador銅礦地理位置及排洪溝平面布置圖

2 強降雨條件下高邊坡分工次序研究

2.1 邊坡施工時序模型構建

邊坡施工時序模型包括降雨強度評價指標模型和分區模型2部分，其中降雨強度評價指標模型包括評價因子、因子尺度和指標值，分區模型主要為分區類別。

(1)建立降雨強度評價指標模型

降雨強度評價模型包括評價因子、因子尺度和指標值。其中，評價因子為降雨強度指標I，本指標可通過氣象預報直接獲取，具有易得性和科學性；因子尺度根據米拉多地區降雨強度對邊坡施工影響程度確定，具體包括I=0mm/24h、0mm/24h0mm/24h四類，對應為無雨類、中雨以下類、中雨-暴雨類和暴雨及以上類；指標值包括：無限制指標、弱限制指標、強限制和禁止指標。具體模型如圖2所示。

模型中：U為降雨強度評價指標模型；I為雨強指標；D為尺度集，其中D1為無雨類，D2為中雨以下類，D3為中雨-暴雨類，D4為暴雨及以上類；E為指標值類，其中E1為無無限制指標，E2為弱限制指標，E3為強限制指標，E4為禁止制指標。

(2)建立邊坡分區模型

依據邊坡開挖平面布置圖，在坡腳線與開口線之間選擇合適位置進行勘探路開挖，勘探路開挖長度L為300～500m。根據勘探路揭露的地質條件，對開挖范圍L內邊坡地質條件進行分區，具體包括以下3類：①優先區：巖土質邊坡結合部位、土質松散和巖體破碎區域；②次先區：巖體較完整、土質較耐沖部位；③常規區：巖體完整、土質耐沖部位。具體模型如圖3所示。

圖3 地質信息分區模型

模型中：Z為雨強指標，其中Z1為優先區、Z2為次先區、Z3為常規區。

2.2 邊坡施工時序模型構建

根據勘探路揭露的地質情況，對開挖范圍內邊坡分成Z1、Z2和Z3三種區域。通過天氣預報獲取降雨強度，依據降雨強度評價指標模型確定該降雨強度應對的指標值，指標值包括E1、E2、E3、E4四種類型。根據建立的降雨強度評價指標模型和地質信息分區模型，動態確定邊坡最優施工次序，步驟如下：

(1)指標值為E1時，分區施工次序為Z1優先Z2優先Z3；

(2)指標值為E2時，禁止Z1區域施工，分區施工次序Z2優先Z3；

(3)指標值為E3時，禁止Z1、Z2區域施工，僅可對Z3區域施工；

(4)指標值為E4時，禁止對邊坡各分區施工。

依據施工期內降雨強度指標值變換，循環上述(1)—(3)步驟，直至邊坡開挖完成，基于時序模型的邊坡最優施工次序如圖4所示。

圖4 基于時序模型的邊坡最優施工次序

2.3 工程應用及效果

將基于時序模型的邊坡最優施工次序應用于Mirador銅礦排洪溝。排洪溝總長7.37km，其中南區排洪溝總長度為3.37km，北區排洪溝總長度4.0km，沿線邊坡地質條件變化較大，巖土質邊坡交替分布。傳統施工方法在具有高雨頻、大雨強特點的熱帶雨林地區施工過程中存在停工頻繁、施工進度難以滿足工程要求、大強度降雨對巖土質結合部位及土質邊坡沖刷破壞、影響邊坡安全穩定等一系列問題。本工程邊坡施工過程中，全線根據時序模型擬定邊坡分區最優施工次序，工程實踐表明應用效果良好。

(1)根據降雨強度評價指標模型與邊坡分區模型關聯關系，確定合理的邊坡開挖次序，有效的減少了因降雨導致的邊坡停工次數，加快了工程施工進度。

依據南北區排洪溝沿線邊坡分區模型對施工區邊坡進行了合理分區，同時根據降雨強度評價指標模型對降雨強度進行了科學評價，合理地確定了不同降雨強度評價值對應各邊坡分區施工次序，提高了各類降雨強度指標評價值下具有可施工邊坡的最大可能性，有效的減少了因降雨導致的邊坡停工次數，保證了工程施工進度。

(2)從根本上避免了強降雨天氣對土質邊坡和巖土質邊坡結合部位的影響，提高了邊坡穩定性、減少了坡面流土對下游河道的污染。建立的降雨強度評價指標模型與邊坡分區模型關聯結果可知，當降雨強度評價指標模型指標值為E3和E4時，巖土質邊坡結合部位、土質松散和巖體破碎Z1區(例如南區排洪溝0+600～0+900)以及巖體較完整、土質較耐沖區域Z2區(例如北區排洪溝2+300～2+500)為禁止施工區域，從根本上避免了強降雨天氣對巖體較完整、土質較耐沖區域、土質邊坡和巖土質邊坡結合部位的影響，提高了邊坡穩定性、減少了坡面流土對下游河道的污染。

3 強降雨條件下高邊坡排水方法研究

3.1 新型復合式邊坡急流槽結構設計

針對目前急流槽裝置存在的溝槽底板混凝土易被沖刷破壞、使用壽命有限、施工工期長、施工工藝復雜和結構整體易失穩問題，研發了1種簡單實用、高效經濟的復合式邊坡急流槽結構裝置。

(1)支撐體結構設計：為保證裝置整體坐落在原狀地基，確保整體結構穩定，外部支撐體采用混凝土現澆方式制作而成，外輪廓橫斷面為矩形，結構尺寸為60cm×30cm(寬度×高度)，內輪廓橫斷面為半圓形斷面，直徑為42cm，內輪廓縱斷面呈波浪狀。如圖5所示。

圖5 支撐體結構

(2)消能設計：為降低急流槽內水流流速，防止溝內出現高速水流，設計消能體通過消能作用提高急流槽使用壽命。內部消能體材質為硬質PVC塑料管，縱斷面成波浪狀，浪高5cm，半周期浪長6cm，壁厚1cm；外部支撐體凸起與內部消能體凹槽波紋通過混凝土實現膠結，內部消能體大樣如圖6所示。

圖6 內部消能體大樣圖

(3)銜接體設計：為滿足不同變坡長度條件下內部消能體沿水流方向長度的調整，需要設計銜接體。銜接體由內部消能體端部預留銜接孔、銜接螺栓和螺帽3部分組成。其中，預留銜接孔直徑為1cm，每個端部設置4個，共計8個；銜接螺栓直徑為1cm，長3.25cm；螺母內徑1cm，外徑1.5cm。銜接螺栓穿過預留銜接孔，通過與螺帽的波紋連接，實現內部消能體之間銜接，銜接體大樣如圖7所示。

圖7 銜接體大樣圖

新型復合式邊坡急流槽整體結構如圖8所示。其使用方便快捷，制作過程簡單：①在已開挖矩形溝槽內澆筑5cm厚混凝土，形成外部支撐下部分結構；②根據實際每級邊坡長度，通過銜接體實現內部消能體縱向銜接。③將內部消能體放置于外部支撐下部分結構上方，其作為外部支撐體上部結構內側模板，現場澆筑完成外部支撐體上部結構，完成裝置制作。

圖8 新型復合式邊坡急流槽裝置縱剖面圖

3.2 新型復合式邊坡急流槽結構安裝過程

(1)急流槽槽挖：根據施工圖要求放樣急流槽位置并在邊坡上進行槽挖，槽挖尺寸與急流槽外輪廓尺寸相同。

(2)內部消能體制作：根據實際每級邊坡開挖長度，確定內部消能體數目，并在消能體兩端進行鉆孔，制作預留銜接孔。銜接螺栓穿過預留銜接孔，通過與螺帽的波紋連接，實現內部消能體連接與制作。

(3)外部輪廓體下部結構混凝土澆筑：以坡面已開挖完成的溝槽(步驟(1)完成)為混凝土外輪廓模板，現場澆筑混凝土，澆筑厚度為5cm。

(4)外部輪廓體上部結構混凝土澆筑：將制作完成的內部消能體(步驟(2)完成)放置于外部支撐下部結構(步驟(3)完成)上方，其作為外部支撐體上部結構內側模板，現場澆筑完成外部支撐體上部結構。

(5)通過外部支撐體凸起與內部消能體凹槽波紋混凝土膠結實現連接。

3.3 工程應用及效果

將新型復合式邊坡高效快速排水裝置應用于Mirador銅礦，其可快速施工、高效排水，工程實踐表明其與傳統的排水方式優勢明顯。

(1)與傳統“不設置臺階的混凝土矩形溝”急流槽裝置相比：傳統裝置存在高速水流對急流槽底板混凝土沖刷破壞，進而縮短急流槽使用壽命的問題；新型裝置采用波紋對急流槽內水流進行消能，消能效果好，從南北區排洪溝邊坡應用效果看，其可將急流槽內水流由20m/s降低至10m/s，極大降低高速水流對溝內底板混凝土的沖刷破壞的可能性，從而保證急流槽使用壽命。

(2)與傳統“設置臺階的混凝土矩形溝”急流槽裝置相比：由于傳統裝置需增加架立臺階模板和溝底綁扎鋼筋施工工序，施工工藝復雜，工期長，難以滿足工程要求；新型裝置施工工藝簡單，施工工期短，不需要增加架立臺階模板和溝底綁扎鋼筋施工工序，整體裝置通過外部支撐體凸起與內部消能體凹槽波紋混凝土膠結便可實現連接，施工方便快速，可以滿足排洪溝實際工程對急流槽施工工期的要求。

(3)與傳統“具有波紋的半圓型塑料管”急流槽裝置相比：傳統裝置易發生水流向坡面滲入，造成結構整體失穩問題；新型裝置內部消能體通過外部支撐體坐落至原狀溝槽基礎，并非直接坐落至原狀溝槽基礎，因此，不存在水向開挖坡面滲入問題，整體結構穩定。

4 結語

(1)圍繞快速施工難題，提出的耦合降雨強度和地質信息的施工時序模型在厄瓜多爾Mirador銅礦排洪溝百米級高邊坡成功應用，有效減少了因降雨導致的邊坡停工次數，加快了工程施工進度。

(2)新型復合式邊坡高效快速排水裝置由外部支撐體、內部消能體及銜接體3部分組成。該裝置采用波紋對急流槽內水流進行消能，消能效果好，從厄瓜多爾Mirador銅礦排洪溝7.8km的高邊坡應用效果來看，其可將急流槽內水流由20m/s降低至10m/s，極大降低高速水流對邊坡的沖刷，從而保證邊坡局部及整體穩定。

(3)新型排水裝置施工工藝簡單，施工工期短，施工方便快速，能滿足實際工程對邊坡快速排水的要求。