水利水电工程边坡开挖技术及支护施工技术

2021-01-03胡美荣

科海故事博览 2021年35期

胡美荣

（宁夏万润建设工程有限公司，宁夏银川 750000）

华夏民族通过对水力资源的开发与利用，来改善自身生存环境的行为可谓历史悠久。中华民族历来坚信人定胜天，水利工程也是祖先们谋求自强自立、摆脱靠天吃饭而改造自然的智慧结晶。在公元前2000年的黄河流域，勤劳勇敢的中华民族就曾经为治理黄河泛滥而努力，“大禹治水”的传奇典故至今仍被人们口口相传。从长远角度来看，水利工程也确确实实有助于当地民众摆脱贫困，也给地方的经济带来了新的增长支撑[1-2]。

1 边坡的开挖与支护对水利工程意义

1.1 为下游的农业生产提供安全保障

水利工程是人类开发资源、改造自然的重要手段。合理的水利工程施工不仅可以改善当地农业种植条件，减少洪涝、干旱灾害的发生频率。还可以提供巨大的动能能量用以发电，创造新的财富，可谓功在当代，利在千秋。由于水利工程是关乎国计民生的关键工程，对当地百姓的日常生活影响较大，也是政府施行执政思路、落实执政计划的重要基础施工项目，其施工安全因此显得格外重要。受自然条件限制，施工场地经常存在复杂而恶劣的施工环境，不仅加大水利工程施工作业的难度，也会严重影响工程施工的稳定性。这就需要以边坡作为堤坝主体来进行施工以确保拦水堤坝具有足够的结构强度。根据施工场地的土质成分，合理的使用边坡加固方式并设计好边坡角度，避免出现结构性坍塌、土石滑塌的地质情况。有效保障边坡开挖尺寸的科学性、合理性，从而提升水利水电工程的工程质量。

1.2 促进堤坝区域的生态系统自然恢复

鉴于水利工程的大型土木施工工程的属性，必然会严重破坏施工区域的地表以及地下生态环境。也就必然会影响到与河流向下游相关联的生态系统。而这也是人类文明发展过程中所必须付出的代价。但是通过一些护坡的保护措施可以让原本遭受严重破坏的环境部分得以恢复。众所周知，在水利工程竣工之后，河流下游的地面径流量会大幅降低，一些水生动植物可能会因此而面临灭绝危机。与之对应的河流上游原本一些陆地生物可能由于水坝堰塞湖的形成而被淹没。在施工工程开始之前，一定会通过一些人工手段，将河流上下游的动植物移植，这一过程会在客观上增强了河流流经区域的生物多样性，丰富了当地的物种基因库。此外，在水利工程投入使用以后，新形成的生态系统的供水情况可以通过水利工程进行有效调节，更加避免了自然灾害对环境的破坏，所以总体而言，水利工程对于自然生态系统的调节仍具有一定的积极意义。

2 影响堤坝边坡安全稳定的主要因素

2.1 地壳运动带来的地质结构改变

影响边坡工程稳定性因素有很多，既包括组成边坡的岩土体类型及性质、边坡地质构造、边坡形态等自身因素，也包含地下水流动、磁场偏移、气候条件、风化作用、坡体植被、人类工程活动等外部环境作用等。对于堤坝边坡而言，当地的地质结构和组成成分是决定其受力结构稳定性的最关键因素，也是分析坡体受力机构的重要凭证。不同地层的岩石形成原因、受挤压的程度和时间都有一定的差异性，这就导致岩石本身的物理性质、化学性质产生变化，这种现象被称之为岩性，而边坡的土壤岩性会在一定程度上影响到边坡地质的褶皱形态、岩层产状、断层和节理裂隙发育特征，这些都与边坡的稳定息息相关。

2.2 自然风化和野生动植物活动

自然风化现象是威胁水利工程边坡安全稳定的另一个关键因素。不同于地壳运动和地质构造对堤坝边坡稳定性立竿见影的影响效果，自然风化更多是通过在细微处破坏其受力结构，通过日积月累的作用，最终摧毁其整体结构，常言道：“千里之堤，溃于蚁穴”正是自然风化对土木工程破坏的直观体现。自然风化主要包含气候风化作用和动植物活动两个方面，其中气候风化主要指风吹雨打、地表径流和地下径流对坡体的冲刷等，这种作用相对较慢且主要作用于外部，通过日常检测巡视可以发现其破损情况。而动植物的活动主要指植物根系的无节制延伸以及昆虫以及老鼠、野兔等啮齿动物筑巢行为对土木工程的破坏，这种损害过程往往很快，且其对坡体产生的损害更多是在硬化层面以下，因此难以发觉，是采取水利工程安全防范措施的主要作用对象。

3 水利工程中堤坝边坡的主要支护手段

3.1 水坝边坡的几种主要支护形式

水坝边坡的支护起到了保证边坡及其环境安全的作用，其中包括重力式挡墙、扶壁式挡墙、悬臂式支护、板肋式或格构式锚杆挡墙支护、排桩式锚采取的支挡等。常用的支护结构形式有杆挡墙支护、锚喷支护、坡率法等。首先，重力式挡土墙，指的是依靠墙身自重抵抗土体侧压力的挡土墙。它以挡土墙自身重力来维持挡土墙在土压力作用下的稳定，它是我国目前常用的一种挡土墙。重力式挡土墙可用石砌或混凝土建成，一般都做成简单的梯形。重力式挡土墙可用块石、片石、混凝土预制块作为砌体，或采用片石混凝土、混凝土进行整体浇筑。半重力式挡土墙可采用混凝土或少筋混凝土浇筑。重力式挡土墙可用石砌或混凝土建成，一般都做成简单的梯形。它的优点是就地取材，施工方便，经济效果好。但是，对于部分堤坝对承重限制比较敏感或对边坡尺寸有一定要求的，可采用扶壁式挡墙。扶壁式挡土墙指的是沿悬臂式挡土墙的立臂，每隔一定距离加一道扶壁，将立壁与踵板连接起来的挡土墙，其主要特点是构造简单、施工方便、墙身断面较小、自身质量轻，可以较好的发挥材料的强度性能，能适应承载力较低的地基。扶壁式挡土墙适用6～12m高的填方边坡，可有效地防止填方边坡的滑动。

3.2 土石方的开挖加固

对堤坝的养护手段以边坡的开挖加固为主，边坡开挖施工前，首先要做好目标区域的测绘工作，以按照技术及设计图纸为根据进行开挖轮廓测量放线，确保其满足水利工程质量要求。在施工成型后，做好断面检测，如发现工程施工缺陷要按照设计规范要求及时补救；其次是开挖硐室及竖井。开挖过程可以用钻孔爆破的方式进行，爆破需在施工前钻出多个硐室或竖井，便于放置爆破物。若施工区域地质恶劣，需采用短进尺、弱爆破、强支护方式开展施工；最后进行槽挖施工。边坡开挖钻爆设计应开展水质岩质边坡施工，提升开挖施工效率及质量。若发现不合理内容及时有针对性地修复,确保满足所有条件后，进一步开展工作。

3.3 边坡的柔性支护

通过钢绳网巩固护坡土壤，加种植被防止坍塌滑坡的防护模式，被称为柔性支护。整个柔性支护设施一般由钢绳网、固定系统、减压环和钢柱四部分组成。不仅适用于所有开挖后的岩体边坡，还适用于岩体交互发育、坡面整体性差和有岩崩可能的高路堑边坡，特别是存在大量岩堆、软岩、碎裂岩、散体岩、极酸性土岩的混凝土结构边坡有优良的加固效果。另一方面，通过绿色植被的支护，可以有效的缓解水利工程施工带来的环境负面效应，减少对自然环境的影响。

4 水利工程中边坡土方挖掘和支护作业的施工要求

4.1 边坡土方挖掘和支护的施工方案应兼顾考虑多方面影响

通常情况下，水利工程的施工所牵扯的因素极多。不仅对河流上下游的地貌环境、经济态势产生巨大影响，也可能会给周边的道路交通和居民设施带来意想不到的安全风险。因此，在水利项目建设过程中还要对其影响范围内的安全性进行评估。以库容10万（含）～100万立方米（不含）且坝高小于15米（不含）的小型水库为例，根据《水库大坝安全鉴定办法》相关要求，水库安全鉴定前应全面收集流域概况、水文气象、勘察、设计、施工、验收、除险加固、安全监测、安全鉴定及运行管理等资料。其检查范围包括坝体、坝基、坝肩，各类泄洪、输水设施及其闸门，以及对大坝安全有重大影响的近坝区岸坡和其它与大坝安全有直接关系的建筑物和设施。

4.2 各种土方施工作业应满足长远发展需求

水利施工建设对当地的影响不仅局限在空间范围，其影响的时间跨度也相当大。由于地面径流的永久性改变，有可能出现当地河道泥沙淤积导致河道随机性变更的问题，所以在建设过程中就应该将这一问题纳入安全考量范围，在水坝护坡的建设过程中就做好河道疏浚作业的预留设施。另一方面，对施工区域生态环境的自然修复，也是水坝建设过程中需要考虑的问题。应协调发展河道与周边自然生态，相关部门及人员要坚持因地制宜的原则，结合地区实际情况，对自然植被合理种植，将自然植被的水土保持作用充分发挥出来，促使区域生态系统得到改善。