水电工程中高边坡施工安全防护设计

朱子瑶 ZHU Zi-yao；王井磊 WANG Jing-lei

（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都611130）

0 引言

随着国民经济的发展，水电工程建设项目日渐增多。市场经济条件下，就必然会使施工单位为加快施工进度而盲目地追求经济利益，导致水电工程项目出现了各种质量问题，不但影响了工程进度，而且耗费了大量的资金。较为频繁出现的是水电工程的边坡坍塌事故。基于水电工程施工中的高边坡问题已经成为了普遍性问题，本论文着重研究高边坡施工安全的防护设计以供参考。

1 工程概况

本工程为某省水电站，地处河口以下5～6公里的河段位置。作为水电站的枢纽工程施工项目，其主要的建筑物为一等工程，重要的组成部分为引水发电系统、砾石土心墙坝以及泄洪系统等。总装机容量为2500兆瓦。高边坡施工项目中，边坡开口线设计高程范围1632米，开挖的最大高度为240米。基坑支护主要包括锚筋、预应力锚索施工、锚杆以及喷混凝土喷户和排水孔施工。在大坝顶部的边坡上为预应力锚索，混凝土板基础面则是锚筋，锚杆分布在其他的部位。在大坝的顶部，混凝土喷护的厚度超过了14厘米，其以下的部分厚度不超过8厘米。排水孔的设计上，岩体较为破碎的部分放置了塑料盲沟。

2 水电工程边坡防护的必要性

在水电工程施工中，对于边坡实施必要的防护施工，特别是在施工中采用新的产品设备和新的工艺设计，可以降低工程资金的投入。与此同时，还能够降低水电施工成本，提高经济效益。从具体的工程建设当中分析边坡防护的必要性看，则是由工程施工现场所在地理环境决定的。本工程所在边坡山体高度为700米，坡度范围局限在60°至85°之间。从坡面地形上来看，其三面临空，坡面有山脊突出出来。整个的山体几乎没有植被，到处有岩石裸露，使山体的坡面上出现了不同程度的坡度拐点。考虑到坡面上还会有隐藏的岩石，就要考虑到山体上部为表层会有掉块，导致山体十分破碎。在工程施工之前，对于施工现场地形勘察，发现在边坡设计范围内的开挖线上都有坡积体存在。开挖工程需要对于山体实施局部爆破，很容易在强烈的震动作用到导致山体出现坍塌。那么，在工程边坡设计上，规定的范围内做好安全防护工作是非常必要的。

3 水电工程边坡防护设计

通过对于水电工程施工现场进行勘察，除了地形地貌以及气候条件要有所了解之外，还探测出边坡设计范围内存在着不稳定性。根据测量结果，存在不稳定性的边坡面积超过了28800平方米，在制定边坡防护方案的时候，就要做到以防御为主，尽量减少扰动。危石的处理上，可以采用轻撬的方法，然后对于边坡上所存在的不稳定坡面使用网面覆盖。边坡的上部使用主动网覆盖，下部设置被动网。

3.1 边坡施工主动柔性安全防护设计 对于边坡病害的防御是建立在“整体承载，局部受力”的基础上的。在山体上选取危石，其质量为1000千克，密度为2.6克/立方厘米，体积为0.37立方米。根据力学原理，危石在山体受到震动后向下滚动时会有静摩擦力产生，其主要来源于山体作用于危石的阻力，同时钢绳网在危石向下滚动的过程中，也会产生一定程度的摩擦力。危石下滑的过程中，所受到的静摩擦力可以用如下公式表示：

公式中的F是危石在山体受到震动之后所受到的最大阻力。m是危石的质量；μ1和μ2都是摩擦系数，前者为危石与山体摩擦的作用下所形成的静摩擦系数；后者为危石与柔性钢绳网相互摩擦摩擦系数。

钢绳网会对危石产生法向的压力，公式中用P表示。

边坡施工中的主动柔性安全防护设计要根据工程的实际情况制定。本段边坡陡峭，山势极其险峻，对于表面的危石，只能够部分清除。虽然在危石的清除上，采用大功率的空压机或者潜孔钻可以实现较深层次的危石清除，但是，山势环境不允许人工作业，并且钻孔的深度也很难保证。根据现场勘察数据，对于主动柔性安全防护设计方案的探讨，可以采用混凝土灌注的方式，使用基础与周边形成一个整体。防护系统的上沿为超过2.5米深度的双排式锚杆，堆积层则所采用的锚杆为2米长，符合抗拔力的规定标准。此外，还需要根据环境特点选择合适的钢绳网。针对工程边坡的复杂程度，此边坡防护使用的钢绳网要具有较高的强度并且密实，以防止由于山势陡峭，山体破碎而导致边坡过早损坏。

3.2 边坡施工被动柔性安全防护设计

3.2.1 被动柔性安全防护系统的能级参数的计算 边坡施工被动柔性安全防护设计要对于系统的能级以及高度有所考虑。边坡的环境状况，坡度、高度以及危石的体积，都会对于被动柔性防护安全系统的设计有所影响。为了提高边坡施工安全防护设计的保险系数，还要将“子弹效应”作为一项测算参数。相比较而言，越是处于边坡高出的危石，其危险系数就越高。设计的被动防护系统与主动防护系统之间要形成大约100米的落差。

选取质量为500千克的危石，体积为0.25立方米，密度为2600千克/立方米。假定危石的落差为100米，处于58°山体坡度，针对于坡面的动摩擦系数为0.7。

此时，如果所选择的被动柔性安全防护系统的能级达到500千焦耳，就可以对于危石有效拦截。

3.2.2 被动柔性安全防护系统的高度确定 被动柔性安全防护系统高度的确定直接关乎到有效拦截，其与系统的能级毫无关系，但是，危石滚动的过程中所弹跳的高度以及速度都会影响到柔性安全防护系统的拦截效果。为了避免危石在弹跳的时候会避开拦截系统，安全防护系统最好是安装在靠近山顶的斜坡位置，此处的地形要平坦，而且落石的动量以及落石弹跳的高度都要有所缓和。被动柔性安全防护系统就被设置在危石弹跳起来之后所形成的抛物线起始点上。

4 水电工程高边坡加固技术

水电工程建设施工现场所处地段往往环境较为复杂，无论是气候环境以及地质环境等等，都会在一定程度上影响到高边坡施工的稳定性。在水电工程建设中，为了防范边坡严重变形，可以通过混凝土挡墙对于坡体的受力进行局部性的改变，以达到受力平衡。在边坡加固的过程中，要尽量保持开挖和锚固施工协调一致，为岩体施加预应力的同时，还要确保边坡的稳定，以缩短锚索作业时间。鉴于边坡加固施工中采用预应力加固技术，不会受到会周围环境的干扰，而且可以根据需要灵活便利地施工作业，因此而不会遭到严重的破坏。

5 结语

综上所述，采用柔性防护网施工，往往会受到地势的限制，特别是在山体陡峭的位置开展施工，由于车辆无法通行，机械设备不方便使用，就会导致施工难度加大。采用边坡施工的主动柔性安全防护设计和被动柔性安全防护设计都能够有效地阻止山体坍塌而有落石滚落下来，以起到边坡防御的作用。实施必要的边坡加固技术，则可以通过对岩体施加预应力，以维持边坡稳定。

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