强降水、高雨频条件下高边坡施工及排水技术研究

钟 坤，闫福根，傅兴安，郭建华，张兴昊

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.长江设计集团有限公司，湖北 武汉 430010)

0 引言

降雨是引发边坡失稳的主要原因之一，雨水使土体重量增大，粘聚力下降，降低边坡稳定性，增大滑坡等地质灾害发生几率[1-3]。在特定条件下滑坡还面临转化为泥石流灾害的风险，对人民群众财产安全和生态环境造成危害。热带雨林地区高雨频、强降雨条件下高边坡施工过程中存在停工频繁、工期滞后等问题，严重威胁边坡的安全稳定，并对社会经济建设和人民的生命财产造成损失[4-5]。因此，为保证边坡全生命周期安全稳定，深入开展研究适用于强降雨、高雨频条件下的快速施工方法及高效排水装置十分必要。

高边坡施工时，若发生大强度降雨，坡面将受到强烈冲刷，甚至形成冲刷深沟，严重影响边坡安全；被雨水冲刷带走的坡面流土沿着天然冲沟最终汇入下游河道，对下游河水也会造成严重环境污染。如何在保证安全的前提下快速施工，一直是工程领域研究的课题。丁善锋等[6]通过对高边坡分区，科学规划施工道路，采取分层开挖分层支护的工艺，实现了高边坡开挖和支护快速施工；秦民生[7]分析了无架施工工艺在水利行业中的应用，提出了一种快速开挖支护的施工工艺；张传虎等[8]通过研制新型钻机、创新施工工艺、精确控制钻孔精度和采用综合降尘技术，形成了一套高陡边坡快速、优质开挖施工技术。目前对高边坡快速施工技术的研究多体现在装备研制方面，对分区施工次序研究较少，尤其是对热带雨林地区强降雨条件下的快速施工技术研究较少。

热带雨林地区面对高雨频气候条件，如何有效的引排坡面汇水，防止降雨对边坡冲刷破坏，对保证边坡局部及整体稳定至关重要。传统的边坡排水工程主要采用边坡“马道排洪沟+急流槽”[9-12]组合方式对坡面汇水进行引排。其中，马道排洪沟主要采用现浇混凝土结构型式；急流槽多采用“不设置台阶的混凝土矩形沟”、“设置台阶的混凝土矩形沟”和“具有波纹的半圆型塑料管”3种结构装置。“不设置台阶的混凝土矩形沟”的急流槽结构装置使用寿命十分有限，混凝土底板会因高速水流长期冲刷，导致沟内渗水或沟身冲断，造成坡面排水系统失效，进而引发边坡局部或整体失稳；“设置台阶的混凝土矩形沟”结构装置施工工艺复杂，施工工期较长；“具有波纹的半圆型塑料管”结构装置易发生水流向坡面渗入，造成结构整体失稳问题。排洪沟现场工程实践表明，3种急流槽结构均不能很好地应用于本工程，需研制一种新型高效排水装置。

1 工程概况

Mirador铜矿位于南美洲厄瓜多尔国距离第三大城市昆卡市(Cuenca)直线距离约100km的萨莫拉-钦奇佩省(Zamora-Chinchipe)。Wawayme东排土场位于南矿露天采场东北面的Wawayme河谷地，用于排放南矿露天采场开挖废弃料。排土场用地面积为732hm2，最终堆放标高1500m，排放总高度400m，堆存容积为1.04亿m3。

由于Mirador铜矿所在地区雨量充沛，河流发育，坡面汇水面积大，为降低Wawayme东排土场安全风险，需在其上游设置大型排洪沟对山区坡面汇水进行排导。排洪沟所处地理位置位于厄瓜多尔东南部湿润地区，具有典型的亚马逊地区湿润多雨的气候特点，平均年降水量高达3000mm，所在区域地形均为山区，高海加高山体自然坡度为30～70，地表雨林植被茂密、东西向沟壑密布，地势陡峭。岩性主要为粘土、砂砾石，部分段落有块状花岗闪长岩石外露，覆土厚度较厚。

Mirador铜矿地理位置及排洪沟平面布置如图1所示。

图1 Mirador铜矿地理位置及排洪沟平面布置图

2 强降雨条件下高边坡分工次序研究

2.1 边坡施工时序模型构建

边坡施工时序模型包括降雨强度评价指标模型和分区模型2部分，其中降雨强度评价指标模型包括评价因子、因子尺度和指标值，分区模型主要为分区类别。

(1)建立降雨强度评价指标模型

降雨强度评价模型包括评价因子、因子尺度和指标值。其中，评价因子为降雨强度指标I，本指标可通过气象预报直接获取，具有易得性和科学性；因子尺度根据米拉多地区降雨强度对边坡施工影响程度确定，具体包括I=0mm/24h、0mm/24h0mm/24h四类，对应为无雨类、中雨以下类、中雨-暴雨类和暴雨及以上类；指标值包括：无限制指标、弱限制指标、强限制和禁止指标。具体模型如图2所示。

模型中：U为降雨强度评价指标模型；I为雨强指标；D为尺度集，其中D1为无雨类，D2为中雨以下类，D3为中雨-暴雨类，D4为暴雨及以上类；E为指标值类，其中E1为无无限制指标，E2为弱限制指标，E3为强限制指标，E4为禁止制指标。

(2)建立边坡分区模型

依据边坡开挖平面布置图，在坡脚线与开口线之间选择合适位置进行勘探路开挖，勘探路开挖长度L为300～500m。根据勘探路揭露的地质条件，对开挖范围L内边坡地质条件进行分区，具体包括以下3类：①优先区：岩土质边坡结合部位、土质松散和岩体破碎区域；②次先区：岩体较完整、土质较耐冲部位；③常规区：岩体完整、土质耐冲部位。具体模型如图3所示。

图3 地质信息分区模型

模型中：Z为雨强指标，其中Z1为优先区、Z2为次先区、Z3为常规区。

2.2 边坡施工时序模型构建

根据勘探路揭露的地质情况，对开挖范围内边坡分成Z1、Z2和Z3三种区域。通过天气预报获取降雨强度，依据降雨强度评价指标模型确定该降雨强度应对的指标值，指标值包括E1、E2、E3、E4四种类型。根据建立的降雨强度评价指标模型和地质信息分区模型，动态确定边坡最优施工次序，步骤如下：

(1)指标值为E1时，分区施工次序为Z1优先Z2优先Z3；

(2)指标值为E2时，禁止Z1区域施工，分区施工次序Z2优先Z3；

(3)指标值为E3时，禁止Z1、Z2区域施工，仅可对Z3区域施工；

(4)指标值为E4时，禁止对边坡各分区施工。

依据施工期内降雨强度指标值变换，循环上述(1)—(3)步骤，直至边坡开挖完成，基于时序模型的边坡最优施工次序如图4所示。

图4 基于时序模型的边坡最优施工次序

2.3 工程应用及效果

将基于时序模型的边坡最优施工次序应用于Mirador铜矿排洪沟。排洪沟总长7.37km，其中南区排洪沟总长度为3.37km，北区排洪沟总长度4.0km，沿线边坡地质条件变化较大，岩土质边坡交替分布。传统施工方法在具有高雨频、大雨强特点的热带雨林地区施工过程中存在停工频繁、施工进度难以满足工程要求、大强度降雨对岩土质结合部位及土质边坡冲刷破坏、影响边坡安全稳定等一系列问题。本工程边坡施工过程中，全线根据时序模型拟定边坡分区最优施工次序，工程实践表明应用效果良好。

(1)根据降雨强度评价指标模型与边坡分区模型关联关系，确定合理的边坡开挖次序，有效的减少了因降雨导致的边坡停工次数，加快了工程施工进度。

依据南北区排洪沟沿线边坡分区模型对施工区边坡进行了合理分区，同时根据降雨强度评价指标模型对降雨强度进行了科学评价，合理地确定了不同降雨强度评价值对应各边坡分区施工次序，提高了各类降雨强度指标评价值下具有可施工边坡的最大可能性，有效的减少了因降雨导致的边坡停工次数，保证了工程施工进度。

(2)从根本上避免了强降雨天气对土质边坡和岩土质边坡结合部位的影响，提高了边坡稳定性、减少了坡面流土对下游河道的污染。建立的降雨强度评价指标模型与边坡分区模型关联结果可知，当降雨强度评价指标模型指标值为E3和E4时，岩土质边坡结合部位、土质松散和岩体破碎Z1区(例如南区排洪沟0+600～0+900)以及岩体较完整、土质较耐冲区域Z2区(例如北区排洪沟2+300～2+500)为禁止施工区域，从根本上避免了强降雨天气对岩体较完整、土质较耐冲区域、土质边坡和岩土质边坡结合部位的影响，提高了边坡稳定性、减少了坡面流土对下游河道的污染。

3 强降雨条件下高边坡排水方法研究

3.1 新型复合式边坡急流槽结构设计

针对目前急流槽装置存在的沟槽底板混凝土易被冲刷破坏、使用寿命有限、施工工期长、施工工艺复杂和结构整体易失稳问题，研发了1种简单实用、高效经济的复合式边坡急流槽结构装置。

(1)支撑体结构设计：为保证装置整体坐落在原状地基，确保整体结构稳定，外部支撑体采用混凝土现浇方式制作而成，外轮廓横断面为矩形，结构尺寸为60cm×30cm(宽度×高度)，内轮廓横断面为半圆形断面，直径为42cm，内轮廓纵断面呈波浪状。如图5所示。

图5 支撑体结构

(2)消能设计：为降低急流槽内水流流速，防止沟内出现高速水流，设计消能体通过消能作用提高急流槽使用寿命。内部消能体材质为硬质PVC塑料管，纵断面成波浪状，浪高5cm，半周期浪长6cm，壁厚1cm；外部支撑体凸起与内部消能体凹槽波纹通过混凝土实现胶结，内部消能体大样如图6所示。

图6 内部消能体大样图

(3)衔接体设计：为满足不同变坡长度条件下内部消能体沿水流方向长度的调整，需要设计衔接体。衔接体由内部消能体端部预留衔接孔、衔接螺栓和螺帽3部分组成。其中，预留衔接孔直径为1cm，每个端部设置4个，共计8个；衔接螺栓直径为1cm，长3.25cm；螺母内径1cm，外径1.5cm。衔接螺栓穿过预留衔接孔，通过与螺帽的波纹连接，实现内部消能体之间衔接，衔接体大样如图7所示。

图7 衔接体大样图

新型复合式边坡急流槽整体结构如图8所示。其使用方便快捷，制作过程简单：①在已开挖矩形沟槽内浇筑5cm厚混凝土，形成外部支撑下部分结构；②根据实际每级边坡长度，通过衔接体实现内部消能体纵向衔接。③将内部消能体放置于外部支撑下部分结构上方，其作为外部支撑体上部结构内侧模板，现场浇筑完成外部支撑体上部结构，完成装置制作。

图8 新型复合式边坡急流槽装置纵剖面图

3.2 新型复合式边坡急流槽结构安装过程

(1)急流槽槽挖：根据施工图要求放样急流槽位置并在边坡上进行槽挖，槽挖尺寸与急流槽外轮廓尺寸相同。

(2)内部消能体制作：根据实际每级边坡开挖长度，确定内部消能体数目，并在消能体两端进行钻孔，制作预留衔接孔。衔接螺栓穿过预留衔接孔，通过与螺帽的波纹连接，实现内部消能体连接与制作。

(3)外部轮廓体下部结构混凝土浇筑：以坡面已开挖完成的沟槽(步骤(1)完成)为混凝土外轮廓模板，现场浇筑混凝土，浇筑厚度为5cm。

(4)外部轮廓体上部结构混凝土浇筑：将制作完成的内部消能体(步骤(2)完成)放置于外部支撑下部结构(步骤(3)完成)上方，其作为外部支撑体上部结构内侧模板，现场浇筑完成外部支撑体上部结构。

(5)通过外部支撑体凸起与内部消能体凹槽波纹混凝土胶结实现连接。

3.3 工程应用及效果

将新型复合式边坡高效快速排水装置应用于Mirador铜矿，其可快速施工、高效排水，工程实践表明其与传统的排水方式优势明显。

(1)与传统“不设置台阶的混凝土矩形沟”急流槽装置相比：传统装置存在高速水流对急流槽底板混凝土冲刷破坏，进而缩短急流槽使用寿命的问题；新型装置采用波纹对急流槽内水流进行消能，消能效果好，从南北区排洪沟边坡应用效果看，其可将急流槽内水流由20m/s降低至10m/s，极大降低高速水流对沟内底板混凝土的冲刷破坏的可能性，从而保证急流槽使用寿命。

(2)与传统“设置台阶的混凝土矩形沟”急流槽装置相比：由于传统装置需增加架立台阶模板和沟底绑扎钢筋施工工序，施工工艺复杂，工期长，难以满足工程要求；新型装置施工工艺简单，施工工期短，不需要增加架立台阶模板和沟底绑扎钢筋施工工序，整体装置通过外部支撑体凸起与内部消能体凹槽波纹混凝土胶结便可实现连接，施工方便快速，可以满足排洪沟实际工程对急流槽施工工期的要求。

(3)与传统“具有波纹的半圆型塑料管”急流槽装置相比：传统装置易发生水流向坡面渗入，造成结构整体失稳问题；新型装置内部消能体通过外部支撑体坐落至原状沟槽基础，并非直接坐落至原状沟槽基础，因此，不存在水向开挖坡面渗入问题，整体结构稳定。

4 结语

(1)围绕快速施工难题，提出的耦合降雨强度和地质信息的施工时序模型在厄瓜多尔Mirador铜矿排洪沟百米级高边坡成功应用，有效减少了因降雨导致的边坡停工次数，加快了工程施工进度。

(2)新型复合式边坡高效快速排水装置由外部支撑体、内部消能体及衔接体3部分组成。该装置采用波纹对急流槽内水流进行消能，消能效果好，从厄瓜多尔Mirador铜矿排洪沟7.8km的高边坡应用效果来看，其可将急流槽内水流由20m/s降低至10m/s，极大降低高速水流对边坡的冲刷，从而保证边坡局部及整体稳定。

(3)新型排水装置施工工艺简单，施工工期短，施工方便快速，能满足实际工程对边坡快速排水的要求。