水利水电工程施工中边坡开挖支护技术的应用

梁先吉

（中国水利水电建设工程咨询中南有限公司，长沙 410007）

1 引言

“十三五”期间，我国水利投资达到了2.2万亿元。在稳增长、保民生等多重举措下，我国水利水电工程建设进入了加速期，水利水电工程施工也由工业水利工程时代向水资源综合开发时代过渡。我国水利水电工程与社会大众的日常生活存在密切关系，边坡开挖支护是水利水电工程施工中的常用技术，其应用效果直接影响了水利水电工程运行的安全性与稳定性。

2 项目概况

水利水电工程位于一级支流上，坝址以上控制流域面积268 km2，是1座以供水、发电为主，兼顾防洪、灌溉的小（1）型工程。工程包括挡水坝、水电站、发电引水洞几个部分，水电站总装机容量300 kW，拦河枢纽总库容8 560 000 m3，大坝为混凝土重力坝，最大坝高×坝顶长为38 m×289 m。工程等级为IV级，主要建筑物为4级。

大坝左岸坡、右岸坡为边坡开挖支护范围，左岸坡由大坝顶部高程959 m到河床最低位置高程902 m，高度为57 m，右岸坡由大坝顶部高程982 m到河床最低位置高程902 m，高度为80 m，为高边坡。

3 边坡开挖支护技术应用方案

3.1 左岸坡开挖支护方案

左坝肩岸坡岩体岩层较为平缓，稳定性佳。但上部覆盖粉砂岩、Q2del碎裂状砂岩、Q2col+dl混合土块碎石层，倾角为6.5°~13.5°，节理裂隙发育。受节理裂隙切割岩体为顺向坡块体状、泥岩夹层的存在以及人为活动、降水、泥化等不利条件的影响，工程性质较差，极易出现掉块、崩塌情况，需要进行强风化岩层清除（坝肩位置）工作并在弱风化岩体上放置坝体。即在清除左坝肩坍坡积压土体后，利用分层水平开挖的方式开挖边坡坡度为1∶0.35，必要时放缓至1∶0.45，并沿着高度走向每间隔10.0 m进行1个3.0 m宽的平台，总开挖坡度比为1∶0.35~1∶0.45。与此同时，进行坝肩基岩岩体的锚固组装、固结灌浆操作，对坝肩上部破碎岩及土层进行防水+护坡+固结灌浆+支挡锚固施工。

3.2 右岸坡开挖支护方案

坝肩位于单薄山梁中部，坝前单薄含量宽度、梁脊高程分别为365~582 m、959~982 m。右岸坡基座地层岩性为三叠系下统刘家沟组紫红色厚层状细砂岩夹透镜状泥砾岩层、砂质泥岩，上部发育Ⅲ级基座阶地，基座上覆盖Q2pl棕红色低液限黏土以及Q3eol浅红色低液限粉土，厚度分别为0~8.6 m、0~4.5 m；下部覆盖卵石混合层，厚度为0~2.5 m。开挖时，开挖边坡比为1∶0.45~1∶0.65，即在清除强风化层的基础上，进行台阶状开挖。在坝顶高程以上岩体，结合公路建设，开挖边坡坡度1∶0.45，并对出露岩体进行防护，防护方式为喷射混凝土。对于上部土质边坡，则设计开挖边坡坡度为1∶0.65，每一级边坡高度最高为15.0 m，若挖方高度较大则可以摒除挖方台阶设置方式，而是直接应用折线式边坡，并采用锚固支护。

4 边坡开挖支护技术的应用流程

4.1 准备

在边坡开挖支护前，准备2台日立330型挖掘机、1台SD-160型推土机、10台20 t自卸汽车、3台液压破碎锤，为开挖作业提供支持；同时，准备2台CM-351潜孔钻和4台YT-28型手风钻，为钻孔爆破提供支持；准备1台JDY350型搅拌机，为支护操作提供支持。由专业人员对材料、器具、劳动安全防护用品进行检查，并根据工艺操作平面布置图进行各种材料堆码，满足工艺操作周转所需[1]。

在材料准备完毕后，由技术负责人结合专项方案分解施工测量、边坡开挖、锚杆支护与固结灌浆任务，并对相关任务负责人进行安全技术交底。

在技术交底后，技术人员可以组织专业测量人员进入岸坡开挖范围，结合设计要求开展测量放线以及岸坡开挖轮廓线的标示。同时，在人工配合下，指挥挖掘机由清基工艺操作便道进入开挖最高区域位置。

4.2 开挖

案述工程开挖可以分为左岸、右岸各一个作业面开展，每一个开挖作业面均选择从上层到下层分台阶开挖的方式一次性完成操作。总体工艺操作流程为挖掘机边坡开挖、废弃土渣运输、人工坡面清理及检查。开挖坡面需要事先理顺，依据设计坡比，由上层到下层一次性开挖成型，规避超出开挖体积、重复开挖等对工期、质量造成的影响。考虑到岸坡上存在松散堆积物，可以利用前期准备的挖掘机与人工配合，将包括陡峭部分、边角部分在内的松散堆积物清除，并及时通过自卸汽车将开挖土料运输至推土场。将基层清理到基岩后，面向整个坝基，采用挖掘机+破碎锤的形式，将全部树根、树木、乱石、表层耕植土、覆盖层清除，促使岸坡平整度大体满足要求，无反坡、台阶、急剧变坡以及孤石。

对于石方，可根据石方量先利用挖掘机沿着轮廓线由上层向下层开挖翻动，进而选择CM-351潜孔钻或YT-28手缝钻钻爆，整个过程均需将开挖的弃渣经自卸汽车运输到弃渣场地；也可以选择深孔毫秒微差梯段爆破+手风钻技术，由上层到下层梯段式开挖，每段高度为3.0~5.8 m。根据岩石边坡厚度所选择的爆破方式也具有一定差异，案述工程因面厚不大，主要选择浅孔梯段爆破方式，保护层则选择浅孔松动爆破方式，具体包括工作面清理爆破孔位测量、潜孔钻造孔与清孔、装药爆破几个部分。

4.3 支护

在石方爆破后，可以随机进行锚杆支护，完成边坡安全处理。锚杆造孔需要选择坚硬、平坦、具有排水沟且场地宽度超出4.0 m的作业面场，将钻机维持在立轴（或导杆）、钻杆倾角相同的状态。同时，在人工坡面清理的情况下，结合设计要求完成孔位放样、待造孔孔深标识。钻孔过程中，要合理把控钻进参数，特别是钻进速度，以降低发生卡钻、埋钻事故的概率。钻孔结束后，将孔洞中多余杂质清除，便于锚杆安装前孔深、孔径与孔斜的精确测量。进而在钻孔中心设定隔离架安装锚杆、灌入浆液。

5 边坡开挖支护技术的应用要点

5.1 土方开挖

在土方开挖前期，技术人员应选择边坡开挖线外的区域，进行截水沟修筑，保证防排水操作的顺利开展。在截水沟修筑完毕后，技术人员可以根据图纸要求，从上层到下层开挖到碎落台高度，将现场排水沟、两侧截水沟联通，形成一定坡势，提高排水效果。进而利用挖掘机进行下层边坡范围内土方开挖[2]。每一级边坡完成后喷射混凝土。一般多台阶同时开挖时，上部台阶较之下部台阶开挖进深需超出30.0 m，规避塌方风险。根据具体情况，分层开挖方法也需要进行灵活变化，常用的方法为分层纵挖法、分段纵挖法、横挖法。其中，分层纵挖法主要是依据横断面全宽，沿着纵方向分层进行土方开挖；分段纵挖法主要是将挖方每一个工点划分为几个段落后，分层沿着纵方向进行挖方；横挖法主要是依据横断面全宽，以挖方地段的一端或两端为出发点，逐步向前方开挖。

5.2 石方爆破

在深孔毫秒微差梯段爆破+手风钻技术应用过程中，因爆破操作风险系数较高，技术人员应事先进行爆破试验，设计恰当的爆破参数（钻孔直径、梯段高度、钻孔深度、前排炮孔单位岩石用药量、前排炮孔间距、前排炮孔堵塞长度等）、爆破规模与防护措施，进行现场模拟。案述工程梯段高度小于12.0 m，垂直钻孔直径为115 mm，超钻深度为1.00 m，钻孔深度为11.0 m，台阶坡面角为75°，钻机中心到坡顶线的安全距离为4.7 m。而前排炮孔单位岩石用药量为0.45 kg/m3，前排炮孔间距为4.3 m，前排炮孔堵塞长度为4.0 m。同时，在考虑前排爆破岩石对后排炮孔阻碍作用的情况下，后排炮孔单位岩石用药量应为0.55 kg/m3，后排炮孔按三角形布置，间距为4.25 m，排距为3.85 m，后排炮孔堵塞长度为4.2 m。具体布置时，出于爆破规模控制需要，应限制每次深孔梯段炮孔个数在30个、3排以下。装药时选择连续装药结构，装填炸药为φ90 mm卷装乳化炸药、散装铵油炸药，从炮孔底部开始逐层密实、均匀装填，并在中部装入2发非电毫秒雷管起爆药包，最后，利用钻孔岩粉、黄土堵塞炮孔。

在挖掘机+潜孔钻/手风钻钻爆技术应用过程中，技术人员可以以控制二次爆破对现场作业环境的干扰为重点，利用孔径为35.00 mm的潜孔钻破碎大岩块，促使大块孤石上部“开花”、底部炸碎，以达到有效控制飞石的效果。一般在孔深低于0.50 m时，最小抵抗线、孔间距均与孔深相等，堵塞长度为4/5孔深；孔深为0.5~1.0 m时，最小抵抗线、孔间距均与孔深相等，堵塞长度为3/5孔深；孔深为1.0~1.5 m时，最小抵抗线为0.8~1.2 m，孔间距为0.8~1.0 m，堵塞长度为1/2孔深；而在孔深超出1.5 m时，最小抵抗线为1.0~1.2 m，孔间距为1.0~1.2 m，堵塞长度为0.75~1.00 m。

需要注意的是，因案述工程边坡开挖面高差较大，坡度较陡峭，坍塌、滑坡风险较多，需要注意边坡开挖、支护间隔时间的衔接。

5.3 锚杆组装要点

在钻孔完毕后，技术人员可以利用清水完全冲洗孔底沉渣至清水返回。进而沿着轴线方向，利用粗钢筋杆体每间隔1.50~2.00 m进行1个定中架设置。在锚杆杆体自由段，需要牢固包扎塑料管、塑料布，并利用沿丝绑扎杆体自由段锚固体连接位置。将注浆管、锚杆共同放入前期钻设孔内，促使管端部、孔底部之间距离为50.00 mm，且在锚杆体放入角度、钻孔倾角数值相同，避免锚杆体出现压弯曲或扭曲情况。

5.4 固结灌浆要点

案述工程边坡支护采用水泥与砂比例为1.2，水灰比为0.45的浆液，技术人员可以根据设计配比，放入前期准备材料，均匀搅拌、过筛，边搅拌边使用。在砂浆泵驱动下，经压浆管将浆液传输到钻孔底部，边灌注边拔出注浆管，控制注浆管口处于灌浆面以下，并活动浆液灌入管道。进而由钻孔底部返回到钻孔端部，在浆液初次凝结前使用完毕，保证浆液灌注管道时处于畅通状态[3]。

6 结语

水利水电工程是通过修建多种类型水工建筑物以实现水资源利用的工程。加强水利水电工程建设不仅是强化城乡防洪、供水、供电的需要，还是增强水生态治理与保护的重要抓手。因此，在工程建设过程中，技术人员应加强对边坡开挖与边坡支护的关注，选择恰当的边坡开挖与边坡支护手段，沿着正确的步骤操作，开挖一级、防护加固一级，逐级开挖、逐级防护，严格把控技术应用要点，以保证边坡的稳定性，为水利水电工程的安全、稳定提供保障。