水利水电工程边坡地质稳定性分析及支护施工工艺

罗正全

（四川省水利规划研究院，成都618000）

1 引言

水利水电工程作为与人们生产生活密切相关的基建工程，在保障社会经济建设水平稳定提高的过程中发挥了重要作用。在工程建设过程中涉及土方开挖、边坡支护等，开挖过程改变了坡体要素，坡体因产生了应力重分布，所以，在岩土体自重以及外力作用下，将产生切向应力，而当切应力大于边坡岩土体的抗剪强度时，坡体就会产生剪切破坏。坡体岩土体剪切破坏是孕育滑坡、崩塌等地质灾害的重要源头因素。

我国幅员辽阔、地形复杂且不同地域地质状况相差较大，增加了水利水电工程的复杂性，导致实际工程中会面临一定的施工难度。由于边坡的稳定性直接影响到水工建筑物的使用寿命及周边环境的安全性，也直接决定项目的经济效益与生态效益，因此，在实际工作中必须深入研究边坡稳定性及处理措施，对坡体边坡稳定性进行定量分析，以便及时预测边坡的失稳灾害，及时采取有效的边坡失稳防护措施，确保边坡稳定。利用信息技术建立长效的监测手段，使水利水电工程充分发挥其最大经济与社会效益。

2 边坡地质稳定性分析

边坡通常是指人类活动形成的一定倾斜坡度的倾斜坡体，边坡在地质上可分为土质和岩质边坡，本身具有一定的倾斜度，这导致边坡极容易在自重及外界作用力等因素的综合作用下失衡，进而造成滑坡、坍塌、崩解和泥石流等灾害的发生[1]。

2.1 影响边坡稳定性的因素

影响边坡稳定性的因素可以分为内在因素和外在因素2个方面：

1）内在因素包括地形地貌条件、构成边坡岩（土）体的物理力学性质、水理性质、水文地质条件、岩（土）体结构与地质构造等。

2）外在因素包括水文气象、风化作用、水流的作用、地震及人为因素等。

其中，内因在边坡的变形中起决定性的控制作用，外因起促进作用；故而在边坡的稳定性分析中，应在研究各因素的基础上，找出这些因素间的内在联系，进而再评价其稳定性。

2.2 评价边坡稳定性方法

常用的评价边坡稳定性方法有定性分析法、极限平衡分析法、数值分析法、工程地质类比法4类。

1）定性分析法。是指通过对边坡的尺寸和坡形、边坡的地质结构、所处的地质环境、形成的地质历史、变形破坏形迹，以及影响其稳定性的各种因素的研究，以判断边坡演变阶段和稳定状况。

2）极限平衡分析法。把可能滑动的岩、土体假定为刚体，通过分析可能的滑动面，并把滑动面上的应力简化为均匀分布，进而计算出边坡的稳定系数。

3）数值分析法。利用有限单元分析法，先计算出边坡位移场和应力场，然后，利用岩体、土体强度准则，计算出各单元与可能滑动面的稳定性系数。

4）工程地质类比法。将所研究边坡或拟设计的人工边坡与已经研究过的或已有经验数据的边坡进行类比，以评价其稳定性，并提出合理的坡高和坡角。

2.3 实例分析

以梅峰水库为例进行分析。梅峰水库主坝为混凝土双曲拱坝，拱坝坝基开挖及高边坡处理以分部工程进行，项目历时4 a完成。工程中共开挖岩石地基土石方125 500.0 m3；共计对岩石地基固结灌浆达352孔，钻孔进尺总长5 686.36 m，灌浆达2 816.0 m；边坡清理面积达14 804.76 m2；采用锚杆共计2 320根（锚杆直径分别为18/20/28 m 3种不同规格），锚杆总长度达16 669.74 m；喷射C20型混凝土达1 480.5 m3；制作安装钢筋混凝土总质量达64.5 t。该水库左右坝肩施工时均采取自上而下分层开挖的顺序，按开挖方式分为覆盖层剥离与石方开挖2种。坝基开挖应用YQ-100B型号的潜孔钻钻孔，周边以预裂爆破策略采用梯段爆破的形式加以控制。

由于该水库边坡主要以硬质地岩石为主，不存在整体滑动的边界条件，因此，在对边坡稳定安全系数的计算上，采用强度折减法及有限差分软件进行计算。计算后发现，左岸侧边坡符合自重作用下边坡应力场分布的一般规律，即如果从边坡内部开挖直至坡表，最大主应力方向与坡面平行，最小主应力数值无限接近于0，边坡浅表层局部有拉应力出现。

在对右岸进行计算的过程中发现，右岸坡体的应力分布整体上也符合自重作用下边坡应力场分布的一般规律，且整体上处于受压状态，浅表局部位置出现拉应力且小于左岸边坡。在应用强度折减法进行计算之后，计算出的位移曲线发生明显变化，表现为剪应变率带出现明显的贯通，因而该水库右侧边坡安全系数略小于左侧。

3 边坡支护技术应用的注意事项

通常采用的边坡支护技术可大概分为浅层支护与深层支护2种。一般情况下浅层支护会用到锚杆支护策略和挂网喷射混凝土策略等，除此之外，还包括对排水孔的合理布局与应用。在应用锚杆支护策略时，需在锚孔挖好之后先进行灌浆再插杆，但如果遇到开挖岩层深度不足的情况，则可能会调整施工顺序，先插杆再灌浆。此外，深层支护技术的应用同样需要引起重视。针对部分地质不稳定，容易受滑坡、地震及泥石流等地质灾害影响的区域，可采用铺设钢筋网的方式来提升边坡的牢固程度与稳定性，以免边坡因为地质灾害受到严重影响。铺网的关键在于使网和坡面之间不存在缝隙，确保钢筋网充分发挥作用。排水孔的设计比较关键，这是因为边坡在投入正常使用之后，会长期处于排水状态，如果排水孔的设计不合理，长时间的使用会对边坡质量造成影响，因此，需做好排水孔的质量控制工作。除了要对排水孔布局、位置及数量进行严格控制之外，还可在排水孔内部加入相关材料，提升排水孔整体的强度，以免发生坍塌。

4 边坡支护技术分析

4.1 砂浆锚杆施工

作为基建建设工程之一，水利水电工程在工程开始之前需要进行周密的施工计划。受条件限制，水利水电工程通常选择在人烟稀少且地形复杂的地区进行建设，因此，需要注意的关键点有以下3个方面。

1）施工计划制定之前需严格控制各种原材料的选用（包括钢筋、水泥、砂以及添加剂），尤其要注意注浆砂浆所用的添加剂中不能含有对锚杆具有腐蚀作用的成分。锚杆钻孔位置及孔深、孔径等应满足技术规范，并在钻孔完成后利用高压风机彻底清理孔内的残渣和水分。锚杆搭设过程中可应用双排脚手架，并将其距离控制在2.0 m×2.0 m，在距离地面20 cm位置设置扫地杆，并确保扫地杆伸出立杆大约10 cm。注浆操作时可应用GZJB型液压双液注浆泵。在完成安装作业后、砂浆完全凝固之前做好锚杆的保护工作，避免锚杆受到任何程度的碰撞、敲击等可能导致其位移的影响。

2）在做完以上准备工作之后即可开始砂浆锚杆支护施工。在砂浆锚杆施工执行前，需先做好以下工作：（1）在施工前采取现场试验的形式确定合理的锚喷支护系数与参数，没有条件进行现场试验的情况下则可采用工程类比法确定相关参数；（2）砂浆搅拌、灌注设备及锚杆铺设设备应当置于安全地带；（3）对喷射机、注浆器等设备进行安全检查及试运行工作。

3）完成以上工作后可进行砂浆锚杆施工。在喷射作业面时，需要注意对粉尘浓度的有效控制，如采用湿喷砂浆等方式来实现对粉尘浓度的有效控制。此外，在作业之前也需要检查岩石的渗水状态，如果岩石渗水比较严重，则需在喷射砂浆之前设法排出岩石中的积水。喷完砂浆后，还要钻探排水孔，以避免喷层脱落导致人身伤害的情况出现。在选择锚杆时，需要确保锚杆直径不大于设计规定的数值，否则不能安装锚杆。一般来说，锚杆的固定工作通常由人力执行，同时要保证在灌浆之后进行，且灌浆需要保证匀速灌注，以避免灌浆溢出。

4.2 深层支护技术

深层支护技术应用的前提，是确保边坡开挖程度达到相应技术要求。因而，在施工之前需要固定坡面倾斜度及壁面，可采用导向仪测量边坡坡面倾斜度并加以校正。通常水利工程施工时，场地内已经存有了一定数量的水泥，水泥价格低廉又具有良好的固壁作用，因此，在深层支护技术中应用，可实现更加理想的深层支护效果。

4.3 预应力锚索施工技术

预应力锚索施工技术，主要体现在借助锚索对边坡施加预应力，进而达成加固边坡的目的。在应用预应力锚索施工前，应当配置专业的安全检查人员，并要求安全检查人员监督施工的全过程，随时发现可能导致安全隐患的潜在风险因素，并采用相应的解决策略。

在应用浅孔锤风动钻进方式为锚索造孔时，则需要采用相应的除尘措施，以避免积灰导致浅孔锤作业位置过热或影响视线。在开孔过程中，对孔口产生松动的岩块应及时加以清除，避免岩块卷入冲击钻后弹出伤人。钢绞线的下料需要应用特制的放料支架，往孔内安装锚索时则需要由专人进行协调指挥、统一进行，以避免锚索张拉时发生安全事故。

尤其需要注意的是，锚索的施工只有在确保高压风管及高压油管接头连接牢固的前提下方可进行，且在造孔机械、张拉机械的传动与转动位置，均需要配备完整的防护罩。

4.4 挡土墙施工技术

常见的挡土墙施工技术包括重力式挡土墙、扶壁式挡土墙与悬臂式挡土墙。其中重力式挡土墙是依靠墙身自重抵抗土体侧方向上的压力，具有就地取材、施工方便的特点，但如果挡土墙墙体太高会造成挡土墙失稳，或地基质地软弱时会受到承载力的局限，因而必须慎重考虑地基承载力与挡土墙的整体稳定性与结构强度，可加入其他工程措施来保证挡土墙的稳定性；扶壁式挡土墙是指以一定距离为间隔分别设置扶壁，将立壁与踵板连接起来，本质上是一种钢筋混凝土薄壁式挡土墙，不仅构造简单，施工方便，也能充分发挥材料的强度性能，在缺乏石料及地震地区较为常用。但在地质不良地段或地震烈度超过8度的地段不适用；悬臂式挡土墙与扶壁式挡土墙类似，但在墙高较高（超过9 m）时会因为立壁下部弯矩较大导致钢筋混凝土用量剧增。由此可见，施工时，需根据实际情况酌情应用不同的挡土墙技术。

5 结语

水利水电工程在促进社会稳定发展的过程中发挥了重要作用，因此其相关施工技术也应得到承建单位、施工相关部门乃至整个社会的高度关注。只有在选择了正确开挖支护技术的前提下，才能有效保证水利水电工程边坡的安全性，为水利水电的工程质量提供可靠保障。故而，需充分重视边坡开挖及支护的应用，并做好施工前的准备工作，从而保障整个工程的稳定进行。