復雜地質條件下陡峭高邊坡的設計及施工

葉 華 王曉佳 張小洋 行宇陽

1. 中國葛洲壩集團第三工程有限公司 陜西 西安 710077；2. 中國葛洲壩集團勘測設計有限公司 湖北 宜昌 443000

隨著社會經濟水平的持續發展和人類各種生產生活需求的增長，水電站、公路、鐵路等各種土木工程開始越來越多地向著復雜地形地勢區域挺進。邊坡支護作為土木工程中最常見的幾種施工措施之一，其數量和規模也呈現出了非常明顯的增長趨勢，具體表現為不同類型邊坡數量越來越多，高邊坡以及超高邊坡數量的明顯增加，以及邊坡支護手段與方法的不斷完善。

水利工程中的邊坡支護具有復雜性，這不僅由其自身因素所決定，工程所處位置、地質條件、水文條件等也會對邊坡支護施工產生影響。水利工程是一種基于地理條件的施工項目，對施工場地的地質因素具有較高的依賴性[1]。水利工程中的邊坡支護施工是一項重要的施工內容，對工程的整體質量有著重要影響。水利工程中邊坡具有復雜多變的特點，施工作業難度大，在正式施工前需選擇科學合理的支護施工技術，對水利工程所在地的地質地貌、水文特點進行深入分析，確定最佳的邊坡支護施工技術[2]。

1 工程概況

Mohmand水電站項目（以下簡稱“本項目”）位于巴基斯坦KPK省Mohmand地區，由導流隧洞、面板堆石壩、溢洪道、引水洞、地面廠房、地面開關站等主要構筑物組成，由于電站水源Swat河道狹窄，兩側山體呈深“V”形，故本項目涉及大量的邊坡開挖及支護，導流洞出口為本項目首先施工的邊坡開挖及支護工程（以下簡稱“本工程”）。由于本項目設計工程師團隊為以巴基斯坦Nespak公司牽頭的多國聯合體，設計理念較為激進，本項目設計邊坡坡率大于GB 50330—2002《建筑邊坡工程技術規范》中邊坡坡率的允許值，因此，研究本工程的開挖支護手段及方法，可為本項目其他邊坡施工以及類似工程施工提供參考依據。

本工程設計開挖量土方30 000 m3、石方521 000 m3，邊坡開口線最頂部標高435 m，邊坡最底部標高360 m，坡高75 m，梯段高度5～10 m，戧道寬度不小于3 m，如圖1所示。根據DL/T 5353—2006《水利水電工程邊坡設計規范》中關于水利工程邊坡類別和級別的劃分標準，本工程屬于Ⅰ級邊坡，工程安全等級為一級。邊坡支護綜合采用噴射混凝土、掛網、非張拉錨桿等支護手段。

圖1 導流洞出口三角網模型

導流洞出口段巖性主要為二疊系綠泥石云母片巖，風化程度為強風化-中等風化，巖石抗壓強度5～20 MPa。片理、層理非常發育，結構面平直光滑，結構面面間距2～5 cm，為薄層狀構造，主要層理、面產狀為N50°∠65°，巖層傾向、傾角與坡向基本一致，為順向坡，不利于高邊坡的穩定，巖體干燥，未見地下水。

本工程邊坡設計坡率1∶0.4，根據GB 50330—2002《建筑邊坡工程技術規范》中巖質邊坡坡率參考表，本工程地質條件下對應的坡率取值范圍應為1∶0.75～1∶1.00，遠小于本工程邊坡設計坡率。由于包括邊坡坡率過大、地質缺陷處理不到位等在內的各種因素產生的組合作用，會導致邊坡發生滑動、潰屈、傾倒、崩塌、拉裂、流動等失穩現象，進而對構筑物的使用功能或使用安全造成影響。

通過研究本工程的設計、施工、監測等一系列成果，可為類似項目的施工提供類比依據。

2 邊坡治理理論與措施

2.1 巖質邊坡設計理論

縱觀人類社會發展史，特別是工業化之后，隨著人類活動的延伸和各種機械設備的大規模應用，邊坡治理的理念及手段也不斷完善。目前，關于邊坡治理較為常用的措施有：減載、邊坡開挖及壓坡、排水和防滲、坡面防護、邊坡錨固、支擋結構。

其中，減載、邊坡開挖及壓坡、排水和防滲屬于治理措施，坡面防護、邊坡錨固、支擋結構屬于加固措施，不同治理和加固措施又包含多種施工方法。在不同邊坡治理過程中優先采用治理措施，若治理措施無法滿足要求，再考慮加固措施。根據不同邊坡的地形、地質、水文等特點選擇不同的治理及加固措施，并根據項目情況選擇不同的施工方法。

2.2 排水及防滲

根據邊坡抗滑穩定性計算常用的畢肖普法或摩根斯坦-普拉斯法計算方法，巖土中水含量的升高將導致滑動底面有效凝聚力和內摩擦角的降低，從而導致坡體穩定性變差，因此，在邊坡治理中，排水及防滲是一項關鍵的防治措施。本工程設計的邊坡排水措施包括地表排水、坡體排水2種。

地表排水：在本工程開口線頂部設置了一條梯形的截水溝，截水溝縱向坡度2%，將坡體上部的地表水截流至下游沖溝內，自然排放。本工程邊坡共設9個梯段，自上而下第4級馬道設置為一條寬10 m的道路，各馬道及道路靠近坡腳側設置一條截排水溝，用以截流本坡體排水，各馬道截水溝縱向坡度2%，截水溝在馬道最下游側匯入梯段排水溝。在本工程施工期間，匯水經梯段排水溝排入設置在基坑底部的臨時泵站，最后泵送排至圍堰外河道；在本工程使用階段，匯水經梯段排水溝排入導流洞出口的水流之中。

坡體排水：由于本工程所處位置巖石破碎、地質條件較差，在設計邊坡排水時，設計人員分別設置了坡體排水孔及坡面泄流孔。坡體排水孔呈菱形布置，孔距4 m，排距2 m，排水孔長9 m，與水平面呈20°夾角向下傾斜，排水孔內設φ50 mm的PVC排水花管，插入坡體內的PVC管端包裹土工織物作為反濾材料。坡面泄流孔位于梯段邊坡底部，孔距4 m，泄水孔長0.3 m，與坡體排水孔平行，泄水孔內設φ50 mm的PVC排水管，插入坡體內的PVC管端包裹土工織物作為反濾材料。

2.3 邊坡加固

巖石邊坡的破壞具有一定的突發性，通常爆發于瞬間，且破壞力巨大，造成的損失慘重。為此加強邊坡破壞前的防護，很有必要。由于本工程坡體巖石風化強度高，新鮮的開挖面存在淺層崩塌、滑落等風險，影響邊坡的耐久性及正常使用。結合本工程的地質情況，本工程邊坡加固包含了坡面防護及邊坡錨固2種措施。

坡面防護：本項目設計了2條平行的導流洞，根據設計者的初衷，導流洞在完成導流任務后其中一條將改建為沖砂洞，作為永久結構使用，其使用壽命與工程主體一致，為100 a。在本工程運行過程中，邊坡承受的主要外力為雨水沖刷及導流洞（或沖砂洞）尾水的淘刷以及隨時間增長的坡面風化等作用。由于邊坡坡率較大，不適宜種植植被及設置格構梁，故在保證邊坡理論安全的前提下，坡面防護設置了2層噴射混凝土及1層鋼筋網片。底層噴射混凝土厚50 mm，面層噴射混凝土厚75 mm，抗壓強度35 MPa；鋼筋網片網孔100 mm×100 mm，鋼筋直徑6 mm，單根鋼筋抗拉強度不小于540 MPa，網片間搭接20 cm。

邊坡錨固：錨桿支護是一種主動支護形式，具有支護效果好、支護成本低等諸多優點，在國內外已得到廣泛應用[3]。對于邊坡的淺層錨固，非預應力錨桿的主要作用是將節理裂隙發育、風化嚴重的表層巖體與結構相對穩定的深層基巖進行錨固，防止邊坡沿滑動破壞面發生滑動失穩。本工程采用非預應力錨桿進行邊坡錨固，設計錨桿孔孔徑72 mm，錨桿孔向與坡面垂直，錨桿孔間距4 m×4 m；用于邊坡錨固的非預應力錨桿采用φ32 mm、長10 m的高屈服強度變形鋼筋鍍鋅制作而成，錨桿墊片為厚12 mm、呈正方形（邊長20 cm）的鍍鋅鋼板；錨桿孔采用水泥漿進行灌注，灌注期間無壓力，28 d齡期的水泥灌漿強度不小于28 MPa。

3 主要施工技術

3.1 邊坡開挖

左岸壩肩邊坡開挖采取預裂爆破、梯段微差爆破的方法自上而下分層進行，梯段高度5～10 m。馬道位置預留2.0 m保護層，保護層采用手風鉆造水平孔，光面爆破。主要石渣選用1.6 m3反鏟配合渣土車馬道出渣，其余石渣采用“推渣下坡，下級馬道出渣”的方式進行。邊坡加固緊跟開挖面，有效地解決了不良地質巖面開挖成形困難及巖體淺層穩定等問題[4]。

主爆孔采用金科590C履帶式液壓潛孔鉆造孔，孔距3～5 m，排距3.0～3.5 m，長度根據梯段高度進行調整，一般為梯段坡面長度減去2.0 m，主爆孔從上到下依次分為堵孔段、緩沖段、常規段、加強段。標準邊坡爆破孔各段參數如表1所示，其中，堵孔段采用鉆渣或細砂回填。

表1 主爆孔不同爆段參數

常規爆破段的長度根據主爆孔的長度進行調整，在高度較小的爆破梯段，如果爆破孔的長度小于6 m，則不設緩沖段。

周邊孔孔徑90 mm，其設計方向與長度與當前梯段主爆孔一致，平均線裝藥密度225 g/m，孔底裝藥900 g，所有炸藥均采用φ32 mm的乳化炸藥，堵孔長度1.2 m。

3.2 坡面防護

噴射混凝土采用濕噴法施工，骨料最大粒徑9.5 mm。施工前，對坡面裂縫、凹坑等先勾縫、填補，使得坡面平順整齊，坡面的浮土、碎石等需用濕噴機的氣嘴沖洗干凈，并適當地噴水保持受噴面濕潤。主體施工前需選擇合適地方進行噴射混凝土大板試驗，以確定最佳的配合比。

噴射作業時，應自上而下進行，噴嘴應垂直于坡面，與坡面保持0.6～1.2 m的距離。噴射面周邊與未防護坡面的銜接處應做好封閉處理，防止雨水侵入。經現場試驗，本工程的邊坡選用的噴射工作壓力在350～500 kPa之間較為合適，此時噴射混凝土回彈量為10%～14%。

項目所在區溫度較高，噴射混凝土初凝之后，應立即覆蓋麻袋并灑水養護，防止由于水分揮發過快導致噴射混凝土無法充分凝結，從而導致噴射混凝土強度降低。

3.3 邊坡錨固及排水

底層噴射混凝土施工完成后，采用多臂鉆或者履帶式潛孔鉆進行錨桿孔及排水孔鉆孔，錨桿鉆孔完成之后將孔內粉塵、石渣等用高壓氣管清理干凈。孔軸線應保持順直，其軸向偏差不應超過5 cm。

非張拉錨桿上每隔1.5～2.0 m捆綁一組對中架，每組對中架3片，呈梅花形均布于錨桿周圍，錨桿插入坡體一段設置一組對中架。錨桿放置到位之后采用孔底注漿法注入水泥凈漿，灌漿管應插至距離孔底50～100 mm處，待水泥漿從錨桿孔向外溢出時用麻袋片將錨桿孔與錨桿之間的間隙進行封孔，迅速拔出注漿管。

注漿完成之后3 d內不得敲擊、搖動錨桿，不得在錨桿上懸掛重物，待漿液達到設計強度的75%之后，方可開始安裝網片、墊板等。

排水孔鉆孔前按照圖紙要求將鉆桿調整至設計角度，在鉆孔及網片安裝完成之后，將有坍孔的排水孔進行二次清孔，隨后將排水花管插入坡體一側用土工織物包裹緊密后插入排水孔，外露端用麻袋包裹封孔。待面層噴射混凝土施工完成之后，方可去除排水孔外露端包裹的麻袋。

4 試驗及監測

4.1 錨桿拉拔試驗

在錨桿施工前，選擇1#導流洞出口永久邊坡最頂部的梯段進行了3組錨桿抗拉拔力試驗。本試驗所選用的拉力器為最大荷載300 kN的錨桿拉拔儀。第1、2組（RB01、RB02）試驗分7級加載荷載，第3組（RB03）試驗分6級加載荷載。本試驗加荷速度為60～80 kN/min，每級持荷時間為3 min，卸荷速度為180～250 kN/min。

在規定的持荷時間內，3組試驗錨桿或單元錨桿的位移增量均未超過規范規定標準，也未出現明顯的錨桿拉脫現象，且錨桿桿體均未出現破壞的跡象，因此，本次抗拉拔試驗是成功的。

本工程邊坡施工完成之后，按照每100根錨桿為一個抽樣單元進行了單循環張拉驗收試驗，試驗結果均滿足設計要求。

4.2 噴射混凝土試驗

在邊坡支護前，需進行28 d強度的噴射混凝土試驗，包含抗壓強度試驗、黏結強度試驗、抗彎強度試驗3種。

在邊坡支護前，選擇與施工現場環境條件一致的地方進行噴射混凝土生產性試驗，試驗模具為長寬均為1 m、高0.2 m的鋼板模具，共2組，每組模具2個，擺放角度與水平面分別呈60°、75°（本工程邊坡主要坡度為68°），模具內表面涂刷模板油。噴模前，先在模具周邊的坡面進行噴射，待操作穩定后將濕噴機噴頭移至模具位置，自下而上逐層噴混凝土，直至模具噴滿。模具中的噴射混凝土在與現場等同的環境下養護3 d后脫模，轉移至試驗室進行標準養護，此時要特別注意的是，噴射完成之后3 d內禁止對模具進行明顯移動或對其有較為明顯的振動影響。

噴射混凝土試驗取樣范圍為除模具周邊12 cm以外的其他區域，根據技術條款要求，抗壓強度試塊取樣為直徑100 mm的圓柱體，高100 mm，采用鉆心法制取，試塊尺寸允許偏差不超過10 mm，試驗過程加荷速率為5 kN/s；抗折強度試塊取樣為75 mm×125 mm×600 mm的長方體，采用小梁試驗驗證其抗彎強度。

4.3 邊坡變形監測

本工程邊坡監測主要采用了施工期爆破振動監測及邊坡坡體變形監測2種手段。通過爆破振動監測，對爆破參數進行了優化，有效降低了爆破施工對永久邊坡造成的二次危害。通過坡體變形監測，針對部分變形區域提前采取了加固支護措施，有效地控制了邊坡的滑動，降低了邊坡失穩風險。

5 結語

Mohmand水電站項目地質條件復雜，主河道與兩側山體呈“V”字形布置，涉及大量的邊坡開挖及支護，邊坡巖石情況破碎，風化強度較高。按照歐美工程師較為激進理念設計的，由中國承包商施工的強風化片巖陡峭高邊坡在本工程中得到了成功的應用。

導流洞出口邊坡開挖及支護的成功實施，不僅驗證了工程師較為激進的設計理念，同時，對本項目其他邊坡施工以及類似工程施工提供了一定的類比依據。

[1] 羅俊,劉運鳳,秦敏.水利工程施工中邊坡開挖支護技術的應用研究 [J].珠江水運,2015(2):72-73.

[2] 陳建華.關于水利水電施工工程中邊坡開挖支護技術研究[J].華東 科技:學術版,2016(8):110.

[3] 孫曉明,王冬,王聰,等.恒阻大變形錨桿拉伸力學性能及其應用研 究[J].巖石力學與工程學報,2014(9):1765-1771.

[4] 周強,王學斌,劉學.錦屏一級水電站壩肩高陡邊坡開挖施工技術 [J].人民長江,2009(18):40-41.