某水廠高邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)研究

□劉力鵬

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，建設(shè)用地指標(biāo)日趨緊張。某水廠建設(shè)工程因申請(qǐng)建設(shè)用地指標(biāo)及占地征遷困難，故將水廠選址確定在靠近山體坡腳山包，減少占地征遷，最大程度地保留了當(dāng)?shù)馗睾突巨r(nóng)田，與此同時(shí)，對(duì)水廠東北側(cè)山包開挖和邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)、施工帶來諸多困難。如何實(shí)現(xiàn)水廠施工安全、進(jìn)度高效、節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)，已成為工程技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。現(xiàn)通過對(duì)水廠東北側(cè)山包邊坡開挖、支護(hù)的研究，提出合理的開挖支護(hù)措施，為同類工程提供借鑒。

1.工程概況

某河流向由北向南，擬建水廠位于該河左岸。廠區(qū)大部分位于左岸灘地，地形較平坦，但其東北角位于山包。根據(jù)廠區(qū)設(shè)計(jì)地面標(biāo)高，確定其東北角侵占山體，需對(duì)該處山體進(jìn)行開挖、支護(hù)，確保水廠施工、運(yùn)行安全。

廠區(qū)東北側(cè)山包長(zhǎng)約100m，高約為3～25m，坡度14～30°。根據(jù)地質(zhì)勘察成果，山包地質(zhì)結(jié)構(gòu)為土、巖雙層結(jié)構(gòu)，上部為砂壤土、壤土、粉砂及卵石地層，下部為強(qiáng)風(fēng)化黑云斜長(zhǎng)片麻巖。設(shè)計(jì)開挖范圍內(nèi)地質(zhì)巖性主要為上部覆蓋層，厚度2～20m，建議開挖邊坡1∶1.25～1∶1.5；設(shè)計(jì)廠區(qū)標(biāo)高以上4m范圍內(nèi)巖性為強(qiáng)風(fēng)化黑云斜長(zhǎng)片麻巖，建議開挖邊坡：1∶0.5～1∶0.75。設(shè)計(jì)廠區(qū)標(biāo)高以下10m見地下水。

2.開挖設(shè)計(jì)方案

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》中“土質(zhì)邊坡馬道間的高度為5～10m，馬道間開挖坡度可陡于1∶0.5”，結(jié)合廠區(qū)地面標(biāo)高為932m，廠區(qū)東北角地面高程約934～940m，巖土分界線高程為936m左右，確定巖石開挖邊坡高4m，一級(jí)馬道高程為936m，馬道寬1m；一級(jí)馬道以上為土質(zhì)開挖邊坡，每6m高設(shè)一馬道，寬2m。

根據(jù)地質(zhì)勘察成果可知，廠區(qū)東北角位于山包位置，現(xiàn)狀山包需要開挖，開挖量較大，邊坡較高，永久邊坡坡比建議值：強(qiáng)風(fēng)化基巖1∶0.75，上部的土層和砂卵石層1∶1.5。由此，確定巖石開挖邊坡為1∶0.75（一級(jí)馬道），土質(zhì)開挖邊坡為1∶1.5（一級(jí)馬道以上）。

3.支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，開挖邊坡為永久邊坡，且高度較高，對(duì)于砂卵石層出露部位及其他不穩(wěn)定部位，應(yīng)采取適當(dāng)支護(hù)措施。考慮山體雨水沖刷破壞，永久邊坡需進(jìn)行坡面防護(hù)，局部尚應(yīng)增加錨桿。

巖質(zhì)邊坡支護(hù)措施主要有掛網(wǎng)噴播客土、噴混凝土或纖維混凝土、掛網(wǎng)噴混凝土等；土質(zhì)邊坡支護(hù)措施主要有掛網(wǎng)噴播客土、掛網(wǎng)噴混凝土、錨桿、土釘、抗滑樁、擋土墻、砌石護(hù)砌、人工植被等。

本工程開挖邊坡緊鄰水廠，考慮開挖邊坡較高，本工程支護(hù)措施比選了掛網(wǎng)噴播客土支護(hù)和掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)兩種方案。

3.1 掛網(wǎng)噴播客土支護(hù)方案

巖質(zhì)和土質(zhì)邊坡均可采用掛網(wǎng)噴播客土支護(hù)。客土由水泥、土壤穩(wěn)定劑、植生土、草種、水配合而成，具有耐雨水、風(fēng)侵蝕，牢固透氣的優(yōu)點(diǎn)，可在較薄的土壤層，風(fēng)化的巖坡面上進(jìn)行噴播，結(jié)合當(dāng)?shù)刂参锷L(zhǎng)特性，噴播當(dāng)?shù)刂参锓N子，增加坡面綠化效果。

巖石邊坡支護(hù):巖質(zhì)邊坡采用系統(tǒng)錨桿支護(hù)，錨桿長(zhǎng)3m，間距2m×2m呈梅花形布置，鋼筋為Ⅲ級(jí)螺紋鋼筋，直徑18mm，鋼筋端部對(duì)焊連接螺桿，螺桿外徑22mm，掛網(wǎng)后用墊板及螺母固定。錨桿注漿采用的水泥砂漿強(qiáng)度不應(yīng)低于25Mpa。邊坡掛網(wǎng)采用鍍鋅鐵絲網(wǎng)居中布置，鐵絲網(wǎng)幅寬2.0m，采用機(jī)編雙紐結(jié)六邊形，網(wǎng)目尺寸5cm×5cm，鐵絲直徑4mm。鍍鋅鐵絲網(wǎng)必須張開拉緊，兩幅網(wǎng)搭接時(shí)，鐵絲網(wǎng)之間搭接寬度大于10cm，用直徑4mm鐵絲綁扎牢固。巖石邊坡支護(hù)施工順序?yàn)槿斯で迤隆旅驽^桿施工→掛鍍鋅鐵絲網(wǎng)→安裝墊板、螺帽→噴射有機(jī)基材→噴播植草。邊坡噴播客土（基材混合物）厚10cm，并且需慎重養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)料補(bǔ)充需均勻，防止出現(xiàn)黃綠不均、枯活相間的不良后果。

土質(zhì)邊坡支護(hù):土質(zhì)邊坡采用土釘加筋支護(hù)，土釘長(zhǎng)4m、8m和12m，鉆孔直徑10cm，間距2m×2m呈梅花形布置，鋼筋為Ⅲ級(jí)螺紋鋼筋，直徑25mm，鋼筋端部對(duì)焊連接螺桿，螺桿外徑22mm，掛網(wǎng)后用墊板及螺母固定。鉆孔注漿采用的水泥砂漿強(qiáng)度不應(yīng)低于25Mpa。邊坡掛網(wǎng)采用鍍鋅鐵絲網(wǎng)居中布置，結(jié)構(gòu)型式和支護(hù)施工順序同巖石邊坡支護(hù)。

3.2 掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)方案

巖質(zhì)和土質(zhì)邊坡均采用掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)。見圖1。

圖1 掛網(wǎng)混凝土支護(hù)示意圖（單位：mm）

巖石邊坡支護(hù):巖質(zhì)邊坡采用系統(tǒng)錨桿支護(hù)，錨桿長(zhǎng)4m，間距2m×2m梅花形布置，鋼筋為Ⅲ級(jí)螺紋鋼筋，直徑18mm，鋼筋端部對(duì)焊連接螺桿，螺桿外徑22mm，掛網(wǎng)后用墊板及螺母固定。邊坡掛網(wǎng)采用φ6鋼筋網(wǎng)，間距15cm×15cm，噴射混凝土厚12cm。

土質(zhì)邊坡支護(hù):土質(zhì)邊坡土釘長(zhǎng)4m、8m和12m，鉆孔直徑10cm，間距2m×2m梅花形布置，鋼筋為Ⅲ級(jí)螺紋鋼筋，直徑25mm，鋼筋端部采用對(duì)焊連接螺桿，螺桿外徑30mm，掛網(wǎng)后用墊板及螺母固定。邊坡掛網(wǎng)采用φ6鋼筋網(wǎng)，間距15cm×15cm，噴射混凝土厚12cm。

3.3 方案比選分析

掛網(wǎng)噴播客土支護(hù)和掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)兩個(gè)方案，施工工序都較復(fù)雜，需要前期開挖、爆破和鉆孔支護(hù)，后期噴播客土和噴混凝土。從后期施工維護(hù)來看，噴混凝土支護(hù)方案較為簡(jiǎn)單，維護(hù)時(shí)間短；噴播客土支護(hù)方案植被噴播完畢后，需用無紡布覆蓋好，在此期間，需加強(qiáng)管理，適時(shí)適度噴水、補(bǔ)種、清除雜草，當(dāng)幼苗植株長(zhǎng)到5～6cm或2～3片葉子時(shí)便可揭去無紡布，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為半年至一年。

從工程投資來看，本工程掛網(wǎng)噴播客土支護(hù)方案投資比掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)方案少21.89萬元，投資相差不大。

從水廠周邊生態(tài)和保護(hù)環(huán)境來看，掛網(wǎng)噴播客土支護(hù)方案優(yōu)于掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)方案。

綜上所述，本工程考慮水廠及其周邊綠化，邊坡支護(hù)措施采用掛網(wǎng)噴播客土支護(hù)。

4.排水設(shè)計(jì)方案

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，地下水埋深較深，邊坡排水主要為雨水。由此確定，排水系統(tǒng)由坡外截流溝、馬道排水溝和邊坡排水花管組成。邊坡開挖上口線外雨水由截流溝排至邊坡以外渠道或山谷溝；邊坡坡面雨水通過坡面襯砌排至馬道排水溝，邊坡表層滲水通過排水花管排至馬道排水溝，再由馬道排水溝排至坡外截水溝，最后由截水溝排至邊坡以外渠道或山谷溝，形成一個(gè)閉合的排水系統(tǒng)。

5.邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，山包地質(zhì)結(jié)構(gòu)為土、巖雙層結(jié)構(gòu)，上部為砂壤土、壤土、粉砂及卵石地層，下部為強(qiáng)風(fēng)化黑云斜長(zhǎng)片麻巖。主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 現(xiàn)狀邊坡底層巖土物理力學(xué)指標(biāo)表

根據(jù)《巖土錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB50086-2015），邊坡穩(wěn)定計(jì)算包括錨桿鋼筋受拉承載力計(jì)算、錨桿錨固段抗拔承載力計(jì)算及錨固邊坡穩(wěn)定性分析等內(nèi)容。

5.1 錨桿鋼筋受拉承載力及錨固段抗拔承載力計(jì)算

錨桿鋼筋受拉承載力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Nd—錨桿拉力設(shè)計(jì)值（N）；

fy—普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）；

As—普通鋼筋的截面積（mm2）；

錨桿錨固段抗拔承載力按下式計(jì)算：

式中：Nd—錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值（KN）；

La—錨固段長(zhǎng)度（m）；

fmg—錨固段注漿體與地層間極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa或kPa），按表1取值；

f′mg—錨固段注漿體與筋體間粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa），可按《規(guī)范》表4.6.12取值，取0.8MPa；

D—錨固段鉆孔直徑（mm），取100mm；

d—鋼筋直徑（mm），取25mm；

K—錨固段注漿體與地層間粘結(jié)抗拔安全系數(shù)，按《規(guī)范》表4.6.11取值，取2.2；

ξ—采用2根或2根以上鋼筋或鋼絞線時(shí)，界面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)，取1；

ψ—錨固段長(zhǎng)度對(duì)極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)，可按《規(guī)范》表4.6.13取值，取1.2；

n—鋼筋或鋼絞線根數(shù)，取1。

計(jì)算結(jié)果：根據(jù)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)，由計(jì)算確定邊坡最危險(xiǎn)滑面的錨桿鋼筋受拉承載力為176.71kN，其他計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 錨固段抗拔承載力成果表

5.2 錨固邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算

錨固土質(zhì)邊坡或呈現(xiàn)碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性可按瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算分析，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K可按下式計(jì)算：

式中：K—邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；

ΔGni—作用于第i條滑動(dòng)面上的巖土體的垂直分力（kN）；

ΔGti—作用于第i條滑動(dòng)面上的巖土體的切向分力（kN）；

f、c—巖土體的摩擦系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值與粘 聚 力 標(biāo) 準(zhǔn) 值（kPa），f取0.35，c取11kPa；

ΔLi—第i條滑動(dòng)面圓弧段長(zhǎng)度（m）；

Tdnj—第j根錨桿受拉承載力設(shè)計(jì)值作用于滑動(dòng)面上的垂直分量（k N）；

Tdtj—第j根錨桿受拉承載力設(shè)計(jì)值作用于滑動(dòng)面上的切向分量（kN）；

計(jì)算結(jié)果：分別從持久狀況(天然狀態(tài))和偶然狀況(地震力作用狀態(tài))兩種工況對(duì)錨固邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 錨固邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果

由表2和表3結(jié)果可知，邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)穩(wěn)定安全系數(shù)滿足《巖土錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求。

6.結(jié)語

巖土邊坡支護(hù)工程是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的巖土工程課題，既涉及巖土力學(xué)中的穩(wěn)定、變形問題，又涉及巖土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用，同時(shí)還要考慮邊坡綠化、防沖刷破壞的問題。本文通過工程實(shí)例，結(jié)合該工程的特點(diǎn)，經(jīng)方案比選，提出掛網(wǎng)噴播客土支護(hù)設(shè)計(jì)方案，為同類工程提供借鑒。