水利水电工程施工中边坡开挖支护技术的应用研究

杨明辉,罗超

（1.云南省滇中引水工程建设管理局红河分局，云南 个旧 661017；2.中国水利水电建设工程咨询中南有限公司，长沙 410014）

1 工程概况

某水利水电工程，库容为2 120 m3，正常蓄水位为1 567.00 m，水库调节库容为2 030 m3，总库容为2 359 m3。该水利水电工程由拦河大坝、防水洞、水库电力系统组成，大坝坝顶长度为380 m，坝顶高程为1 820 m，大坝宽度、高度分别为8 m、89 m。大坝左右边坡区域需要设置支护体系，如预应力锚索、砂浆锚杆、挂钢筋网、喷射混凝土，边坡土方开挖时的设计深度为120 m，实际开挖值约为150 m。为使该水利水电工程如期竣工，相关人员在边坡开挖支护中提前分析建设区域的地质条件，制订更完善的边坡开挖支护技术方案，保障水利水电边坡施工整体质量。

2 水利水电工程边坡开挖支护的相关要求

边坡开挖作为水利水电工程建设中的基础工作，边坡开挖时施工人员应提前对边坡区域的地质条件进行勘测，利用完整、有价值的地质信息与环境系数分析边坡的地质构成情况，了解边坡环境，夯实水利水电工程边坡开挖支护基础。对于岩土、土方、槽沟需要采用不同的开挖技术。土方开挖时应重点控制开挖顺序，并坚持分层挖掘的基本原则。边坡支护时，同样应根据边坡区域的实际情况合理选用边坡支护技术。水利水电工程中边坡支护时，对于部分土质较差的区域，还应联合使用多个支护技术，如在喷射混凝土的前提下，将边坡锚杆、锚索布设在边坡结构上，以此确保边坡支护的可靠性[1]。边坡支护前期，相关人员还应基于边坡地质勘察结果计算边坡岩体抗剪强度τf，计算公式为：

式中，c为边坡的有效黏聚力；σ为边坡的法向有效应力；φ为边坡岩体的有效内摩擦角。之后，施工人员还应计算边坡支护后的抗滑稳定性，分析边坡支护的变形风险，使边坡支护后其抗滑稳定性符合水利水电工程边坡的抗滑稳定安全系数标准。

3 水利水电工程施工中边坡开挖技术要点

3.1 土质边坡开挖技术

水利水电工程建设所处的区域较为复杂，开挖土质边坡时，还应重视环境因素对边坡开挖施工的影响[2]。通常情况下，土质开挖作业应避免在雨天、雪天进行。正式开挖时，施工人员应依据水利水电工程边坡开挖目标、边坡结构的整体设计，规划边坡开挖线路。开挖过程中应严格遵守土质边坡开挖施工设计方案，控制各环节的施工工序，预防塌方、渗漏风险。必要时应同步进行开挖、压实作业，增强边坡区域的稳定性。为使边坡开挖施工有序进行，施工人员需要熟悉开挖机械的操作方式。开挖期间重点控制削坡厚度，水利水电工程中土质边坡开挖厚度约为3 m；削坡过程中还应灵活地对边坡进行修坡处理，并使用反铲机压实处理开挖区域的道路，保证土质边坡开挖的高效性。

3.2 岩质边坡开挖技术

岩质边坡开挖时，重点在于根据岩质边坡的强度选择最佳的开挖方式。由于水利水电工程建设中的岩质土层硬度较高，开挖时需通过爆破的方式辅助开挖。施工人员需要提前计算岩质边坡区域开挖的工程量，筛选爆破方式，制订安全、可靠的爆破方案。

对于水利水电工程岩质边坡地质条件较好的区域，可应用爆破开挖法，包括浅孔爆破和深孔爆破两种。深孔爆破的钻孔深度会大于5 m，钻孔直径约为75 mm，水利水电工程建设中，深孔爆破在岩土边坡开挖中应用较为广泛。施工人员应按照边坡设计方案，用高度约为10 m的平台开展深孔爆破开挖工作，爆破施工前施工人员应基于RMR法获取岩体地质力学、地质强度等指标，计算爆破开挖时的装药量、炮眼深度、填塞长度等。

4 水利水电工程施工中支护技术要点

4.1 浅层支护技术

水利水电工程建设中，边坡浅层支护技术具体包括锚喷支护、喷射混凝土支护等工艺。其中，锚喷支护的基本原理是通过喷射混凝土、插入锚杆的方式，使混凝土与锚杆和边坡围岩成为一个整体，共同承受边坡所承载的应力。在边坡面直接喷射混凝土有助于预防边坡岩石风化，用凝固后的混凝土作为边坡岩层的防护结构，从而增强边坡的安全性与稳定性。

4.1.1 锚喷支护技术

锚喷支护技术是水利水电工程中常用的支护技术手段，是喷射混凝土支护技术、锚杆支护技术联合应用后产生的工艺。水利水电工程建设中，锚喷支护所用的锚杆类别较多，根据边坡围岩、锚杆接触方法可将支护所用的锚杆分为断头锚固型锚杆、全长黏结型锚杆、摩擦型锚杆。按照锚杆张拉力大小对其展开分类处理时，可将支护锚杆分为张拉锚杆、预应力锚杆两种。水利水电工程边坡支护中，张拉锚杆多为Ⅰ级、Ⅱ级的螺纹钢筋，钢筋直径约为25～32 mm，设计锚杆张拉力时，其应力应小于钢筋抗拉强度的70%。

边坡支护施工中锚杆布设的方式包括梅花形、菱形、矩形等。支护锚杆间距应控制为锚杆长度的1/2，对于Ⅴ类围岩，锚杆之间的距离应小于1 m；Ⅳ类围岩，锚杆之间的距离应控制在1.25 m。正式钻孔时，施工人员应保持钻头、边坡岩层表面相互垂直；通过试验确定钻孔质量符合设计要求后，将配置好的混凝土浆液灌入孔内；然后将锚杆快速插入边坡岩体内，规范安装锚杆后，养护、管理锚杆，养护3 d后方可进行质量验收。养护期间，施工人员应避免将重物悬挂于锚杆上，避免影响水利水电工程边坡锚杆支护的稳定性。需要注意的是，对于边坡区域，包含严重风化带、断层带的区域，在利用锚杆支护的前提下，还应喷射混凝土、构建钢筋网，同时联合应用钢拱架，保证边坡支护的可靠性。

4.1.2 喷射混凝土支护技术

喷射混凝土支护时，相关人员应提前清理边坡区域松动、开裂的岩土，然后按照水利水电工程边坡设计图纸，将配置好的混凝土砂浆分层喷射在边坡岩石结构上。喷射混凝土时，还应联合应用φ6 mm钢筋布设钢筋网，钢筋网上钢筋间距为150 mm×150 mm。基本支护流程包括：处理受喷面→受喷面挂网→验收受喷面→分层喷射→检测喷射厚度→复喷等。

分层喷射混凝土时，施工人员可选用PH-30混凝土喷射机，自上而下地喷射混凝土。配置的混凝土砂浆无法在1 h内用完时，禁止再次投入使用。分层喷射时，施工人员首次喷射的厚度应彻底覆盖边坡区域的钢筋网，喷射厚度应大于50 mm；确定喷射区域混凝土无坠落、滑移情况后，进行二次喷射；若在混凝土终凝前喷射间隔时间超过1 h，还应使用高压水枪清理喷射面的杂物。需要注意的是，水利水电工程中过水隧洞边坡喷射时，混凝土的厚度应大于80 mm，钢筋网区域的混凝土厚度应大于100 mm。

4.2 深层支护技术

水利水电边坡深层支护技术体系中，预应力锚索技术较为常见，边坡区域的预应力锚索技术是利用锚索加固、支护边坡，改变边坡围岩结构的应力条件，使其具有较强的承载能力。预应力锚索施工前，施工人员还应在边坡上用钢管脚手架作为预应力锚索的支护施工平台。锚索结构是在钻机在边坡区域钻孔后，将提前加工的锚索运输至施工区域，由人工安装锚索链、固定锚具，但预应力锚索中的锚墩可采用现场浇筑的制作方式。

钻孔时，施工人员应依据锚索结构中锚杆位置确定钻孔规格大小，钻孔后检验钻孔质量，清孔操作结束后，用人工将高强度的钢绞线制作成的锚索塞送入钻孔内。然后运用C30混凝土、普通硅酸盐水泥、符合设计要求的砂石制作锚座，张拉锁定锚索。对于水利水电工程中的高边坡，10束锚索的张拉力约为1 200 kN，按照锚索支护设计，分别张拉边坡区域的锚索后将其固定在锚座上。固定后施加与设计值相符的预应力，若锚索稳定支护时间大于5 min，则表示锚索支护符合预期要求。锚索固定后，用配置好的混凝土浆液灌注在锚固区域，同时浇筑锚索结构中的锚墩，增加锚索支护的可靠性。

4.3 边坡开挖支护的基本原则

1）水利水电工程边坡开挖应坚持先清理、后锚固、再开挖的基本原则。将边坡区域的杂物清除后，通过锚固支护、网盖防护、索栓等方式，为后期开挖打好基础。为确保边坡开挖过程中边坡结构的稳定性，减少边坡区域施工安全风险，施工人员还应在开挖时，观察边坡区域地下水是否存在渗漏问题，若地下水漏水情况严重，还应提前设置排水孔，将地下水排出后再次进行边坡开挖、支护工作[3]。

2）边坡爆破开挖时，还应重点关注边坡成型清孔，具体可应用预裂爆破工艺，开挖过程中所设置的台阶高度应大约控制在10 m。应用钻爆开挖工艺时，钻爆孔径约为110 mm；同时严格控制药量，以免扰动边坡结构，影响其稳定性。

3）边坡开挖支护时应坚持自上而下、逐层开挖与支护的基本原则。边坡开挖时需要同时进行边坡支护工作，逐层落实各项开挖支护技术方案；首层开挖、支护质检完毕后方可开挖下一层边坡。

5 结语

为提升水利水电工程建设质量，减少边坡施工中的安全及质量风险，相关人员应结合水利水电工程的实际情况，详细分析其地质条件、环境系数，合理选择边坡开挖技术、支护技术。边坡开挖支护施工过程中，还应明确水利水电工程开挖支护的技术要点，规范边坡开挖、支护流程，使水利水电边坡施工符合工程项目的建设要求。