高边坡支护技术在黄土地区河道工程中的应用

王刚1, 沈洁

(1.河南黄河勘测设计研究院,河南 郑州 450003；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003)

0 引言

为提高某县城段抗洪能力，在县城段修建河道整治工程，工程结构采用衡重式浆砌石挡土墙。为保证挡土墙的稳定性，挡土墙基础位需位于坚硬基岩上。根据地质勘查情况，基岩位于现状地面高程以下16 m左右，局部基岩较现状地面深度可达20 m左右，基岩以上大部分都为黄土。工程位置线周边均为居民区、商场等，且许多为高大的建筑物，工程位置线距离建筑物约20 m左右，最近的距离仅建筑物仅10 m。因此，工程施工中边坡的稳定性至关重要。一旦边坡坍塌，不但会威胁工程人员的人身安全，更会影响到附近生活居民的人身、财产安全。

1 黄土特性及地质特性

1.1 黄土特性

黄土是一种多孔隙、弱胶结的第四纪沉积物。中国黄土分布广泛，黄土主要分布在中国中西部地区，其中以西北地区的黄土地层最厚、最完整。黄土具有大孔隙、结构疏松、具直立节理(破坏时能保持直壁)、常含有盐类(主要为碳酸盐与硫酸盐)、成分均匀无层理和遇水具有湿陷性等显著特点。

黄土物理力学性质的特殊性表现为压密性、振陷性和湿陷性这三个方面。黄土在动静荷载及浸水后，均可引起振陷变形、湿陷变形和压密变形，振陷变形与湿陷变形分别以振动和浸湿作为诱发因素，使黄土的结构破坏而发生附加湿陷，有时则表现为黄土液化。黄土的湿陷性变形具有突变性、不可逆性和非连续性。黄土与其它一般土相同，一定压应力作用下黄土会出现弹性变形、压密变形、塑性变形和蠕变变形。

工程位于黄土区，易出现黄土的坍塌，且工程靠近河流，地下水水位较高，如不采取防护措施，开挖边坡极易坍塌。

1.2 地质特性

勘探深度范围内，工程区内的地层主要为第四系全新统冲洪积沉积层(Q4al+pl)。地层岩性以粉砂及卵石为主。各土层空间结构及其分布规律见工程地质剖面图。地层岩性特征详述如下：

第①层：杂填土Q4ml：黄色，以沙壤土为主，稍密，稍湿，含有大量砖块及生活垃圾。分布较广，层厚不均，层厚5.00～13.50 m，平均厚度8.70 m。

第②层：粉砂Q4al+pl：黄色～灰色，稍密～中密，稍湿～饱和，局部夹细砂薄层。在工程场地内分布较广，层厚不均，层厚1.00～6.70 m，平均厚度4.80 m。

第③层：卵石层Q4al+pl：杂色，中密～密实，饱和，成分以砂岩为主，磨圆度以次圆状、圆状为主，一般粒径1～6 cm，含量约占60%，最大粒径11 cm，偶见漂石，充填物以泥沙为主。层厚不均，层厚1.40～4.10 m，平均厚度3.20 m。

第④层：砂岩T：灰白色，灰色，强风化，层状构造，砂质结构，节理裂隙发育。所有钻孔均未揭穿该层。最大揭示厚度2.00 m。

2 支护型式及稳定分析

2.1 边坡支护型式

基坑边坡支护方式有原状土放坡，地下连续墙支护，排桩支护，水泥挡土墙，土钉墙等多种支护方式，但鉴于工程的特点：①开挖区域为典型黄土，黄土易发生湿陷变形；②工程区域靠近河流，地下水水位较高；③开挖高度大；④开挖边坡陡；⑤开挖面荷载较大；⑥临时边坡支护投资不能过大。

根据工程边坡支护的一系列特点，仅有少数边坡支护型式满足需要，最终，经过支护特性对比、稳定计算对比以及经济效益对比，确定基坑支护型式采用复合土钉墙支护。

2.2 稳定分析

为了保证基坑边坡的安全，基坑边坡必须进行稳定性计算，按照简化圆弧滑移面条分法对边坡稳定进行计算。计算简图见图1。

图1 复合土钉墙稳定性计图

1—土钉；2—预应力锚杆；3—截水帷幕；4—微型桩；q—地面附加分布荷载；R—假定圆弧滑移面半径；bi—第i条土条的宽度

复合土钉墙支护边坡的稳定性与各因素之间存在复杂的耦合关系，如与土钉的数量与深度以及布置形式、锚杆的数量与深度以及布置形式，土钉与锚杆的组合形式，截水帷幕、微型桩、挂网喷射混凝土面层的布置参数均有一定的关系。根据理论计算原理，经过多次分析计算，复合土钉墙如构筑截水帷幕、微型桩，其稳定性大大提高，稳定性安全系数可达1.60，但其工程费用也大幅度提升。但如只利用土钉和锚杆之间进行组合，常常不满足边坡稳定性要求，稳定性安全系数<1.10，特殊情况下稳定性安全系数仅0.90。最终通过采用挂网喷射混凝土面层并结合土钉、预应力锚杆的型式，其稳定性安全系数可达1.40，且投资较小，施工简便、快速，适宜河道内高边坡稳固。

2.3 支护型式

依据工程位置地勘成果中黄土的物理力学指标参数，以土力学基本原理，利用简化圆弧滑移面条分法对边坡稳定进行计算，分析确定黄土高边坡河道内复合土钉墙各指标参数。

基坑边坡支护复合土钉墙最终形式确定为：土钉长度6～12 m不等，水平间距1.50 m，纵向间距1.50 m；锚杆长度12 m，水平间距4 m，纵向间距4.50 m。在边坡表面喷射混凝土面层，厚度80 mm。

结构材料：①钢筋：钢筋采用HRB400；②焊条HRB400钢筋采用E50系列焊条；③水泥标号：P.O42.5；④混凝土强度等级：喷射混凝土面层采用C20。

3 边坡监测

为保证基坑施工安全和周边群众安全，必须进行开挖边坡的稳定监测，以确保在出现最小边坡变形时，及时发现并处理。

图2 边坡支护典型断面图

基坑监测采用仪器监测与巡视检查相结合的方法，监测范围为基坑外边线以外1～3倍基坑开挖深度，必要时应扩大监测范围。监测内容主要包括但不限于以下内容：①支护结构坡顶水平位移、沉降位移；②周边道路、建筑物的竖向位移。

监测报警值：①基坑周边坡顶水平位移累计达到40 mm，或单日变形>4.00 mm，或连续3 d的单日变形>预警值的70%；②基坑周边坡顶竖向位移累计达到40，或单日变形>4.00 mm，或连续3 d的单日变形>预警值的70%。

4 结语

水利工程边坡支护有其自身特点，其常常靠近河流等水体，因此，较之于其他工程边坡支护，更加考虑水的作用。文中水利工程位于河道内，地下水水位较高，且开挖坡度较陡，边坡顶部荷载较大，针对工程边坡支护特性，从原理上深入分析，综合考虑支护经济性，确定支护型式及支护结构内各参数。支护技术是对黄土地区河道内高边坡支护的一种探索，为未来此类项目提供了一定的工程实践经验。