水利工程中高边坡开挖支护技术研究

段卫娜

（中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西 西安 710016）

0 引言

随着各类建筑施工技术水平不断提升，更多的施工技术被应用到水利工程建设项目中。与一般边坡结构的水利工程相比，高边坡类型水利工程无论是开挖还是后续支护施工的难度都更高，并且结构稳定性更差。上述特性的存在严重影响水利工程项目整体的质量，并且对施工人员的安全也会造成十分恶劣的影响。作为国家基础建设项目中的重要组成部分，水利工程在一定程度上影响着国家经济的发展。同时，后期运行中，水利工程的运行效果直接关系到社会利益。所有水利工程项目中都包括开挖施工和支护施工等工序，而部分水利工程由于所在地理位置的特殊性，因此常常会出现高边坡结构。在这样的特殊结构上进行开挖和支护施工的难度较高，因此如何能够选择合理开挖和支护技术，保证水利工程边坡施工顺利进行是当前该领域研究人员重点关注话题，基于此，该文也将以具体水利工程项目为例，对其高边坡结构上开挖和支护技术进行详细研究。

1 工程概况

该文选择以某地区水利工程项目为例，针对该项目中的高边坡结构进行开挖和支护施工。该水利工程项目的主要功能为周围区域提供灌溉供水，还有发电功能，是一项规模较大的工程项目。该工程施工位置所在地质条件为低山谷地貌，其左岸边坡呈现出上缓下陡变化趋势，边坡高度约为138m，岩层缓倾下游，倾斜角度约为7°，边坡上段主要以泥页岩为主，下段以砂岩为主。由于该水利工程所在位置地理环境特殊，受到了岩性和切割高差的影响，并且在卸荷作用下产生了较大的结构差异，边坡从外到内卸荷裂隙的发育间隔距离在2.6m~6.8m，沿着岩体破碎结构面，呈现出越来越强烈的变化趋势。由于在具体施工中，没有考虑到边坡的稳定性受哪些因素影响的问题，因此导致实际施工中出现了原防护工程设计失效的问题。针对该问题，为提高水利工程施工效果，对其开挖支护技术进行研究。

2 水利工程中高边坡开挖支护施工

2.1 高边坡土方石方开挖

为提升高边坡土方石方开挖效果，需要设定开挖流程，设定如下。清除表面植被→土方开挖→石方开挖。通过以上3个步骤完成相关工作。需要注意的是，在挖掘过程中， 必须严格控制各环节质量，只有上一环节处理妥当后才能开始下一环节。在此基础上以上述水利工程项目为例，在开挖前，针对施工面进行清理，将表面存在的植被、碎石等清除到施工区域以外。在确定清理范围时，根据上述水利工程条件，将清理区域设定为开挖区域以外5.5m范围，以此避免施工中现场杂质对施工质量造成影响，从而为开挖施工提供保障条件。在开挖过程中，针对高边坡的坡面进行截水设施修建，以此避免降水时雨水对边坡开挖造成的影响。与普通边坡相比，高边坡结构由于高程较大，因此雨水下落时产生的压力更大，对开挖结构会造成更严重影响，而通过设立截水设施能够有效阻挡雨水压力对开挖面的作用力，起到保护开挖施工面的作用。

图1 高边坡截水设施基本结构实物图

在土方开挖时，采用从上到下的顺序分层施工，并对每层削坡厚度进行合理控制。针对该文水利工程项目基本工况条件，其削坡厚度应当控制在3m~3.5m。在土方开挖时，采用机械开挖配合人工开挖的方式进行修坡处理，保证高边坡区域形成统一坡度，以此避免积水残留问题产生。

在完成土方开挖后，开展石方开挖工作，与土方开挖相比，石方开挖难度更大，因此根据需要，本次采用爆裂施工方案。在爆破作业中，根据工程实际情况，选择露天液压钻CM351钻机以及ZQ100D潜孔钻钻孔设备进行施工，并对爆破参数以及炸药用量进行设定。将炮孔深度设置为100 mm，采用机械化装药爆破装药方式。针对不同石方硬度，设定炸药用量如下。石方硬度在0.8f~2f，炸药用量为0.55 kg/m；石方硬度在3f~4f，炸药用量为0.58 kg/m；石方硬度在4f以上，炸药用量为0.60 kg/m。在对爆破炮眼选择时，根据开挖支护需要，选择崩落眼结构。这一结构以岩石破碎作为主要炮孔结构，在爆破过程中崩落眼结构结合自由面可形成较大破碎漏斗结构，开挖完成后利用自卸车将挖掘出的废料和岩碴运送至弃碴场地。

2.2 浅层喷射混凝土支护

在完成对高边坡的土方开挖后，为达到强化高边坡结构目的，针对浅层结构进行支护。采用喷射混凝土支护方案，将浆砌石砌筑在边坡的基础面上，在完成砌筑后，对其表面进行平整处理，确定平整度符合后续水利工程模板安装施工要求后，将模板与基础面紧密连接。将事先制备的混凝土材料以喷射的方式均匀涂抹到模板表面。在制备混凝土材料时，需要严格按照施工方案中设计的配合比完成拌和。喷射用的混凝土设计水灰比以0.4~0.5为宜，设计强度应≥20MPa，喷射1天龄期的抗压强度应≥5MPa。水泥选用硫铝酸盐水泥。这种水泥强度高，喷射后1天的强度相当于普通硅酸盐水泥4周才能达到的强度，在稳定高边坡土方结构方面效果突出。硫铝酸盐水泥初凝时间为10min~1h，终凝时间为15min~1.5h。喷射混凝土的粗骨料平均粒径应大于0.5mm，细骨料的平均粒径为0.25mm~0.5mm。其中细骨料中粒径大于0.075的用量应控制在20%以内，粗细骨料的模数应≥2.5。为提高混凝土强度，混凝土中还应该添加速凝剂、钢纤维。混凝土中速凝剂的掺入量为水泥质量的2.5%~4%；钢纤维的掺入量应为水泥质量的4%，钢纤维直径应控制在0.25mm~0.4mm，长度不超过30mm。

根据该文水利工程项目要求，将喷射厚度控制在10cm~15cm，喷射强度压力为42.5MPa。

2.3 浅层锚杆支护

在完成混凝土喷射后，结合该水利工程项目的工程基本概况，选用规格符合施工要求的扣件和焊管结构，完成对浅层高边坡的锚杆支护施工。在锚杆支护结构上，根据要求设置脚手架，并在施工区域周围设置安全防护措施。锚杆安装前需要利用钻孔设备钻孔。在钻孔时，需要将水利工程所在区域的地质条件和岩石结构的具体走向作为钻孔方向选择的依据。将钻孔的倾斜角度控制在25°~30°，并选择符合标准的焊管和扣件，搭建好临时的脚手架施工平台。在做好安全防护工作后采用孔径为 48cm的焊管，搭设2.2m左右的脚手架作为支护工具，钻孔时需要根据岩石的纹理和走向以及倾角情况对锚杆孔的角度、深度及大小进行及时调整，待钻孔的深度达到施工设计要求后，对孔洞结构中的杂质进行清理，保证锚杆埋设质量，通过加入锚杆结构，提升高边坡承载力。在选择锚杆结构时，可选择预应力锚杆和非预应力锚杆两种结构类型，前者可应用在高边坡地层岩溶裂缝相对发育的位置，并采用一次性高压注浆施工。针对该施工方式，需要在注浆材料中添加适量减水剂，缩短早凝时间，从而实现对注浆饱和的控制。在使用非预应力锚杆进行支护施工时，主要起到对松动岩块和内部稳定岩体的连接作用，以提升高边坡岩体的稳定性。对高边坡中地层相对软弱区域，可采用“坡顶削方——排水——双排抗滑桩”相结合的方式完成锚杆支护施工。

2.4 深层混凝土钻孔灌注桩支护

在完成对水利工程高边坡的浅层支护后，对深层结构进行混凝土钻孔灌注桩支护施工。在钻孔时，合理设置孔位，结合高边坡的施工条件以及施工要求，确定具体潜孔位置。在钻孔过程中，使用钻机进行施工，在钻进过程中，对钻进设备的垂直度进行控制，避免钻进出现倾斜问题，保证钻孔质量。在完成钻孔施工后，针对孔洞中残留的废渣进行清理。引入泥浆循环清孔技术，根据孔底中沉渣量的多少，确定清孔次数和清孔频率。在完成清孔后，为保证清孔质量，需要由现场施工人员对清孔成果进行检查，保证检查合格后，才能够开展后续灌注工作。在完成施工后，控制混凝土导管的提升速度，根据工程施工现场的实际需求，进行提升速度的调控。

3 开挖支护效果分析

按照该文上述技术应用思路，完成对该水利工程高边坡上的各项施工工序设计，为实现对技术应用效果的验证，分别对开挖过程中高边坡沉降情况和支护后高边坡的承载力情况进行记录，对比技术应用前后的各参数变化，实现对该技术可行性的检验。在分析前，首先将该水利工程高边坡施工区域的各个分区进行设置，如图2所示。

图2 水利工程高边坡分区设置

由图3可以看出，该水利工程高边坡施工区域共分为6个分区，其中A区、B区、C区、E区、F区的高度依次降低，C区与D区位于同一个高度上。在进行开挖施工中，对上述六个区域沉降变化情况进行记录，并测量得出其开挖前、开挖后以及开挖中的沉降变化情况。沉降测量方式见表1。

表1 高边坡各区域沉降测量方式

按照表1中的内容对该水利工程高边坡6个区域的沉降量进行测定，并求取各个区域多个测点的平均沉降结果。在求解平均沉降量时，参与到计算中的数值全部取绝对值。根据上述论述得到各个区域在开挖前、中和后期的沉降变化数据，记录见表2。

由表2中得到的数据可以看出，在按照该文开挖支护技术施工前、中、后，各个区域的平均沉降量均在0mm~1.50mm，产生的沉降量不会影响高边坡结构的稳定性，对其边坡整个支撑体系没有造成影响。并且，在施工完毕后，推测通过支护技术促进了边坡承载力的提升，因此沉降增加量没有呈现出上升的趋势，反而逐渐降低。为了验证上述猜想，针对各个区域的承载力再进行分析，各区域承载力可通过公式（1）计算得出。

表2 水利工程高边坡各区域沉降变化记录表

式中：表示边坡承载力；表示稳定系数，基于该文上述水利工程项目的基该工程条件，的取值为0.9；表示边坡抗压强度设计数值；表示边坡受力面积；A表示换算面积；A表示受压正截面面积。根据上述公式，计算6个不同分区的承载力，并将支护后的各区域承载力与支护前进行对比，得到表3。

由表3数据得出，应用该文上述支护技术前各个分区承载力均在9.00 kPa~10.50 kPa，而支护后各个分区承载力均在20.00 MPa以上。从施工效果可以看出，应用该文提出的支护技术可以达到提高边坡承载力的作用，通过承载力的提升，使各个分区沉降得到有效控制，提高水利工程质量。

表3 支护技术应用前后各分区承载力对比

4 结语

在水利工程项目施工中，开挖必定会造成对岩体结构的破坏，若没有合理的支护技术作为支撑，则会造成边坡承载力降低，导致边坡沉降量增加，不仅会对施工质量造成影响，也会对施工安全造成一定影响。针对该问题，该文以具体水利工程项目为例，针对其开挖支护技术进行研究，并对施工效果进行分析，验证了该技术应用的可行性和适应性，为类似的水利工程项目施工提供一定借鉴。