输水管道大开挖工程边坡稳定性及现场施工分析

夏 堃

(辽宁宏禹水利工程建设监理有限公司，辽宁 沈阳 110006)

1 工程概况

某输水管道工程起点位于辽宁省清河水库右岸泄洪洞出口，终点为开原市娄相屯净水厂，主要任务是解决铁岭市清河区及开原市生活、生产用水，设计输水规模30.8万t/d，工程等别为Ⅲ等。输水管线采用φ4.0 m钢管与右岸泄洪洞出口段连接，穿过右岸上坝路后改为2条PCCP管(规格为DN1400)。本次大开挖输水管道总长度110 m，设计土方开挖90 248 m3，石方开挖911 m3，开挖线顶宽64 m，开挖深度20 m。

2 开挖边坡稳定性计算分析

本项目所处地形属堆积阶地，表层为人工堆填物压覆，开挖岩性以素填土、可塑状粉质黏土、强～弱风化安山岩为主。地形起伏较大，地面标高113.00 m，基底设计标高92.45 m，基坑挖深20.55 m，岩性以弱风化安山岩为主，承载力建议值1000 kPa。地下水埋深0～17.70 m，类型主要为地表水，以大气降水补给为主。

2.1 开挖边坡稳定性计算原理分析

本项目利用“土坡极限平衡法”进行边坡稳定评价，采用“瑞典圆弧滑动面条分法”分析计算见图1。为方便计算，作以下两点假设：(1)假设滑动面为圆柱面，滑动土体为不变形刚体；(2)假设土条两侧上的作用力为零[1]。

该方法将土坡土体沿竖直方向分成若干个土条，从土条中任意取出第i条作力学分析，具体作用力包括：土条自重、土条弧面法向反力、土条圆弧面切向阻力。安全系数FS计算见式(1)，按照《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386—2007)要求，FS≥1.3才能满足要求[2]。

(1)

式中：Wi为第i条土条自重,kN/m3；βi为第i条土条到滑动圆弧圆心与竖直方向夹角,(°)；φi为第i条土条内摩擦角,(°)；сi为土条黏聚力,kPa；li为第i条土条圆弧长度,m。

图1 “瑞典圆弧滑动面条分法”计算示意

2.2 开挖边坡稳定性计算分析

(1)土层力学参数和边坡计算模型

通过委托专业单位实地勘测，得出本工程大开挖段土层相关参数值，部分见表1所示。大开挖段边坡计算模型见图2，其中放坡高度5.00 m，放坡宽度6.25 m，台阶宽度2.00 m。

表1 大开挖段土层计算参数

图2 边坡计算模型左右对称(单位：mm)

(2)三种计算工况下边坡稳定性分析

将现场测得各参数值代入式(1)，通过循环计算，求得最小的安全系数FS，本项目利用理正岩土软件进行辅助分析。为寻求地下水对边坡稳定的影响，计算中考虑以下三种计算工况。

①不考虑地下水作用

将模型图的圆点坐标(0，0)位置设计在坡脚处，通过理正软件计算结果见表2。从表中数据可知：不考虑地下水作用时，施工期大开挖边坡滑动安全系数FS=1.354>1.3，边坡处于稳定状态[3]。

表2 无地下水时计算结果

②地下水埋深较大

当地下水埋深较大时，通过理正软件计算结果见表3。从表中数据可知：地下水埋深较大时，施工期大开挖边坡滑动安全系数FS=1.315>1.3，边坡处于稳定状态。

表3 地下水埋深较大时(坡底5 m，坡顶8.5 m)计算结果

③地下水埋深较小

地下水埋深较小时，通过理正软件计算结果见表4。从表中数据可知：地下水埋深较小时，施工期大开挖边坡滑动安全系数FS=1.302>1.3，边坡处于稳定状态。

表4 地下水埋深较小时(坡底0.5 m，坡顶5.5 m)计算结果

综合以上三种工况结果：大开挖边坡都处于稳定状态，但安全系数逐步减小(由1.354下降至1.302)；大开挖边坡稳定性受地下水影响非常大，与地下水埋深呈正比关系，因此需做好雨季施工安全预案；由于当坡底地下水埋深为0.5 m时，滑动安全系数FS=1.302非常接近规范值1.3，因此当坡底地下水埋深小于0.5 m时，开挖边坡不再稳定，需采取加固措施[4]。

3 现场施工要点分析

3.1 现场开挖施工要点分析

本项目在开挖时遵循“一次性开挖、严禁超挖”原则，采用阶梯状机械大开挖方式，具体工艺流程如下：测量放线→植被清理→土方开挖→石方开挖，具体施工要点如下：

(1)截水沟开挖及防渗

在开挖线外侧，距开挖边线2.0 m位置采用挖掘机挖梯形截水沟，截水沟尺寸为顶宽2.0 m，底宽0.4 m，深度0.5 m，两侧开挖边坡为1∶1.25。截水沟开挖完毕后做防渗处理，在其内部及两侧铺设200 g/m2无纺布，防渗层延伸至截水沟开挖线外1.0 m[5]。

(2)土方开挖

正式开挖前，先将开挖区域上部孤石、险石排除，较大块石用炮锤拆除。土方开挖从上向下分层施工，同时采用液压反铲进行边坡修整，并留适当余量给人工修整，保证开挖的坡度和平整度，完工后的坡面利用200 g/m2无纺布覆盖保护[6]。

(3)石方开挖

本工程石方明挖主要集中在与原泄洪洞相接部位，由于开挖方量不大，为减小扰动及对已有构造物保护，石方开挖采用“炮锤凿除+人工风镐清除”施工，从上向下分层开挖。根据各区段不同部位、不同开挖厚度等实际情况，沿设计边坡线进行凿除。

(4)施工降水

根据地质和气象资料，本段开挖无地下水，主要以地表水为主，施工降水采用明排。水泵7.5 kW，扬程15 m，动力由80 kW柴油机提供。开挖底层基槽时在0+110处挖一集水坑集中抽水，由于此处降水点离尾水渠较近，施工降水排入尾水渠。

3.2 现场监测要点分析

3.2.1 裂缝监测

(1)人工巡视发现裂缝后及时埋设测点(1～2 d内完成)，测点间距沿裂缝20～30 m设计，其方向平行滑坡主滑方向或边坡位移方向(不一定垂直裂缝)。

(2)在裂缝两边稳定土体内分别开挖A4纸平面大小洞，深50 cm。用混凝土浇注至地面高度，两块长方形铁片分别埋设在两边混凝土内，并使这两块铁片在裂缝处互相搭接约50 cm长，在搭接处用红漆涂色。

(3)每隔6 h利用游标卡尺测量铁板红漆涂色处缝隙，以该数据作为所测边坡裂缝增加的宽度[7]。

3.2.2 坡面监测

(1)采用方格形观测网，观测点布置在各级边坡平台上，每级平台不少于5个，观测点间距15～30 m，对地质条件较差区域可加密布点。当同一边坡上有深层位移观测点时，坡面上其中一条纵向观测线与深层位移观测点在同一直线上，以便观测数据相互验证和对比；

(2)在监测点开挖一个50 cm×50 cm×80 cm(长×宽×深)的孔，用钢筋混凝土浇注至地面高度，在底盘中心埋设一根钢筋，钢筋一端伸出底盘约0.5 cm，钢筋顶端设标记作为监测基点；

(3)待监测基点稳定2～3 d后进行初测，对石质边坡利用稳固石块作为观测标记代替观测桩。监测基点设置在稳定的区域并远离监测坡体，测点埋设在边坡开挖前完成。

4 结 语

很多主输水管道铺设都需要开挖大型沟槽，因此均存在保证边坡稳定问题。若边坡设计太缓，虽然会增加稳定性，但是开挖成本会迅速上升，所以这就需要设计人员在边坡稳定和尽量降低开挖量之间寻找一个平衡点，本项目通过理论分析和现场试验，确定了边坡开挖模型，验证了设计的合理性，取得了较好的经济效益。