陽西縣陂底水庫邊坡爆破開挖響應機理及生態(tài)防護措施分析

陸艷雯

(廣東省水利水電建設有限公司，廣東 廣州 510635)

1 引言

水利工程建設對改善地區(qū)水環(huán)境，促進了經(jīng)濟的發(fā)展具有重要作用，但工程建設過程也對生態(tài)環(huán)境產生了一定影響[1-3]。隨著環(huán)境問題日益凸顯，修建過程中土石方開挖、回填造成的環(huán)境問題也逐漸受到重視。挖填方對原有地形、地貌產生了擾動，破壞了原有的平衡狀態(tài)[4-6]。因此，對水利工程建設中的邊坡生態(tài)防護工程不僅僅是為了保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，也是一定程度上的邊坡治理工程。結合陽西縣陂底水庫邊坡爆破開挖及生態(tài)防護工程建設，對其響應機理和防護方案進行分析。

2 石方開挖炸藥爆破技術

采用炸藥爆破開挖邊坡的主要技術包括4種：(1)光面爆破開挖技術。通過控制藥量、抗線從而控制爆破的能量。一般需要在爆破區(qū)域間隔一定距離開挖炮孔，在側面設置臨空面，保證石方爆破后形成表面較為光滑的爆破面。(2)預裂爆破開挖技術。通過預爆在爆破中線形成裂隙，分離爆破區(qū)，之后采用控制炮孔藥量的方式保護永久坡面。(3)毫秒爆破開挖技術。根據(jù)爆破開挖石方特征，采用依次起爆的方式開挖坡面，從而保證單次爆破堆積物厚度便于挖掘。(4)定向爆破開挖技術。可根據(jù)爆破及堆填要求，采用定向爆破技術將開挖石方移至需要堆填的位置，在公路修建工程中較為常用，可大大減少裝卸工程量，降低工程投資。

3 工程邊坡概況及爆破開挖方案

陽西縣陂底水庫邊坡開挖高度為50.0 m，采用6級開挖，從上至下1～3級邊坡高度為8 m，開挖坡比為1∶1.0；4～5級邊坡高度為8 m，開挖坡比為1∶0.5；第6級邊坡高度為10 m，開挖坡比為1∶0.5；其中，1～5級邊坡之間平臺寬度為2.0 m，5級、6級邊坡之間平臺寬度為5.0 m。爆破開挖通常對邊坡擾動較大，造成開挖面不平整。因此，為保證開挖質量，減少擾動，采用預裂爆破的開挖方式。每級邊坡分兩次爆破，為減少爆破的震動影響，在平臺預留2.0 m厚的緩沖區(qū)。在緩沖區(qū)，采用少炸藥多孔的爆破方法，其他區(qū)域采用深孔梯段微差爆破方法，采用不同區(qū)域分區(qū)爆破方法可控制殘渣粒度，減少對邊坡的擾動，提升爆破效果。爆破采用乳化炸藥，液壓鉆機造孔，非電毫秒雷管起爆。邊坡巖體參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖體參數(shù)

4 爆破開挖邊坡響應機理分析

4.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)邊坡開挖斷面建立數(shù)值模擬模型，典型斷面見圖1。在坡體上從上至下布置了1#～8#監(jiān)測點，監(jiān)測爆破開挖后不同部位的位移的變形速率。

圖1 典型開挖斷面

4.2 爆破開挖荷載

4.2.1 加速度時程曲線

在類似的工程經(jīng)驗，可采用加速度反應爆破開挖過程中的爆破荷載，加速度時程曲線見圖2，爆破荷載作用位置為斜坡坡面，作用時間設置為1.6 s，設計最大加速度為9.7 m/s2，模擬第5級邊坡爆破開挖施工。

圖2 加速度時程曲線

4.2.2 等效荷載

利用Geo-studio軟件進行數(shù)值模擬分析過程中設置荷載增大時間為2 ms，衰減時間為4 ms，荷載作用過程曲線見圖3。

圖3 爆破等效荷載曲線

4.3 數(shù)值模擬結果分析

4.3.1 不考慮爆破荷載邊坡穩(wěn)定性研究

根據(jù)建立的模型，分析無爆破荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性情況，計算邊坡安全系數(shù)為1.31>1.20，邊坡穩(wěn)定性較好。

4.3.2 爆破荷載影響下邊坡安全系數(shù)研究

將加速度時程曲線輸入數(shù)值模擬軟件，爆破荷載作用位置為第5級邊坡中部，分析邊坡安全系數(shù)的變化序列，見圖4。邊坡平均安全系數(shù)FS為1.21>1.20，但分析安全系數(shù)的整個變化過程可知，邊坡安全系數(shù)在0.3～2.8之間，是一個隨爆破荷載變化的動態(tài)過程。

圖4 安全系數(shù)與時間關系曲線

由圖4可知，邊坡安全系數(shù)與爆破荷載變化關系密切，在大部分時間段內邊坡安全系數(shù)大于1.20，邊坡處于較為安全的工況，但部分時間段內邊坡安全系數(shù)小于1.20，此時邊坡存在一定的安全隱患。安全系數(shù)低于1.20，并不是邊坡將發(fā)生大規(guī)模的破壞，通常情況下，是出現(xiàn)局部破損。

4.3.3 爆破荷載影響下邊坡位移響應

設計爆破位置為第5級邊坡，各監(jiān)測點最大位移見表2。根據(jù)表2可知，距離點距離越遠，水平方向位移越大。

表2 各監(jiān)測點位移

5 生態(tài)邊坡防護

5.1 生態(tài)邊坡防護特點

生態(tài)防護工程與傳統(tǒng)的純工程防護工程是不同的。傳統(tǒng)工程防護工程具有治理效果快、防護費用低、治理效果好等優(yōu)勢。但純工程措施治理忽略了邊坡工程對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響，治理工程措施與當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境不是有機協(xié)調的，采用純工程措施已經(jīng)不能適應當今保護生態(tài)環(huán)境的要求。采用生態(tài)防護工程，通過在坡面種植植被，可在一定程度上恢復當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，保護水土資源，同時也對邊坡穩(wěn)定性產生一定的促進作用。

5.2 生態(tài)邊坡防護機制

邊坡生態(tài)防護工程主要是利用植被防護取代原有的純工程措施防護治理。采用這種方式，即可保證水庫邊坡的穩(wěn)定性，又能在一定程度上防止邊坡自然腐蝕。采用生態(tài)防護工程，充分利用了植被根系對坡面松散土體的錨固作用，實現(xiàn)對邊坡的加固。同時，植被可降低降水對坡面的直接沖刷侵蝕，也有利用保護邊坡。

5.3 生態(tài)邊坡防護方案

根據(jù)本水利建設工程的特點，邊坡生態(tài)防護工程主要采取以下兩種方式。

(1)有機基材植草

沿線坡體開挖過程中，經(jīng)常出現(xiàn)開挖斜坡基巖的情況。基巖開挖后的邊坡整體穩(wěn)定性較好，一般只出現(xiàn)淺表層的侵蝕、沖刷破壞，針對這種情況的邊坡，采用掛鍍鋅鐵絲網(wǎng)噴混植的生態(tài)防護方式。

(2)掛三維網(wǎng)植草

山區(qū)地質情況較為復雜，土質、土石混合邊坡的自身穩(wěn)定性較差，針對這種類型的邊坡僅采用掛鍍鋅鐵絲網(wǎng)噴混植的方式已經(jīng)不能保證邊坡的穩(wěn)定性。因此，采用掛三維網(wǎng)植草的方式加以治理。由于工程挖填方面積大，采用該方式可取得較好的效果。三維網(wǎng)選用C2H3Cl材料，具有良好的耐久性和耐腐蝕性，使用C2H3Cl三維網(wǎng)，網(wǎng)格構造密集，可對土質、土石質邊坡起到良好的加固作用，同時也有利于降水的排泄，緩解降水對邊坡的侵蝕、沖刷作用，同時也可為植被生產提供良好的環(huán)境。

6 結論

(1)根據(jù)工程特點，建立數(shù)值模擬模型，在靜態(tài)開挖工況下，邊坡安全系數(shù)大于1.20，邊坡穩(wěn)定性較好，采用加速度反應爆破荷載，在爆破擾動情況下，邊坡安全系數(shù)是一個動態(tài)變化的過程，在部分時間段內，邊坡安全系數(shù)小于1.20，邊坡可能出現(xiàn)小規(guī)模的破壞。

(2)根據(jù)監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，距離爆破荷載作用位置越遠，邊坡的位移相應越明顯，爆破荷載對邊坡穩(wěn)定性具有一定影響，在施工過程中應嚴格遵循設計方案，控制藥量，減少對工程的擾動。

(3)根據(jù)邊坡特征，提出采用生態(tài)護坡方案，在維持邊坡穩(wěn)定的同時可保證邊坡與周圍生態(tài)環(huán)境相協(xié)調。