某水厂高边坡支护设计研究

□刘力鹏

随着经济社会发展，建设用地指标日趋紧张。某水厂建设工程因申请建设用地指标及占地征迁困难，故将水厂选址确定在靠近山体坡脚山包，减少占地征迁，最大程度地保留了当地耕地和基本农田，与此同时，对水厂东北侧山包开挖和边坡支护设计、施工带来诸多困难。如何实现水厂施工安全、进度高效、节能环保的目标，已成为工程技术人员关注的焦点。现通过对水厂东北侧山包边坡开挖、支护的研究，提出合理的开挖支护措施，为同类工程提供借鉴。

1.工程概况

某河流向由北向南，拟建水厂位于该河左岸。厂区大部分位于左岸滩地，地形较平坦，但其东北角位于山包。根据厂区设计地面标高，确定其东北角侵占山体，需对该处山体进行开挖、支护，确保水厂施工、运行安全。

厂区东北侧山包长约100m，高约为3～25m，坡度14～30°。根据地质勘察成果，山包地质结构为土、岩双层结构，上部为砂壤土、壤土、粉砂及卵石地层，下部为强风化黑云斜长片麻岩。设计开挖范围内地质岩性主要为上部覆盖层，厚度2～20m，建议开挖边坡1∶1.25～1∶1.5；设计厂区标高以上4m范围内岩性为强风化黑云斜长片麻岩，建议开挖边坡：1∶0.5～1∶0.75。设计厂区标高以下10m见地下水。

2.开挖设计方案

根据《水利水电工程边坡设计规范》中“土质边坡马道间的高度为5～10m，马道间开挖坡度可陡于1∶0.5”，结合厂区地面标高为932m，厂区东北角地面高程约934～940m，岩土分界线高程为936m左右，确定岩石开挖边坡高4m，一级马道高程为936m，马道宽1m；一级马道以上为土质开挖边坡，每6m高设一马道，宽2m。

根据地质勘察成果可知，厂区东北角位于山包位置，现状山包需要开挖，开挖量较大，边坡较高，永久边坡坡比建议值：强风化基岩1∶0.75，上部的土层和砂卵石层1∶1.5。由此，确定岩石开挖边坡为1∶0.75（一级马道），土质开挖边坡为1∶1.5（一级马道以上）。

3.支护设计方案

根据地质勘察成果，开挖边坡为永久边坡，且高度较高，对于砂卵石层出露部位及其他不稳定部位，应采取适当支护措施。考虑山体雨水冲刷破坏，永久边坡需进行坡面防护，局部尚应增加锚杆。

岩质边坡支护措施主要有挂网喷播客土、喷混凝土或纤维混凝土、挂网喷混凝土等；土质边坡支护措施主要有挂网喷播客土、挂网喷混凝土、锚杆、土钉、抗滑桩、挡土墙、砌石护砌、人工植被等。

本工程开挖边坡紧邻水厂，考虑开挖边坡较高，本工程支护措施比选了挂网喷播客土支护和挂网喷混凝土支护两种方案。

3.1 挂网喷播客土支护方案

岩质和土质边坡均可采用挂网喷播客土支护。客土由水泥、土壤稳定剂、植生土、草种、水配合而成，具有耐雨水、风侵蚀，牢固透气的优点，可在较薄的土壤层，风化的岩坡面上进行喷播，结合当地植物生长特性，喷播当地植物种子，增加坡面绿化效果。

岩石边坡支护:岩质边坡采用系统锚杆支护，锚杆长3m，间距2m×2m呈梅花形布置，钢筋为Ⅲ级螺纹钢筋，直径18mm，钢筋端部对焊连接螺杆，螺杆外径22mm，挂网后用垫板及螺母固定。锚杆注浆采用的水泥砂浆强度不应低于25Mpa。边坡挂网采用镀锌铁丝网居中布置，铁丝网幅宽2.0m，采用机编双纽结六边形，网目尺寸5cm×5cm，铁丝直径4mm。镀锌铁丝网必须张开拉紧，两幅网搭接时，铁丝网之间搭接宽度大于10cm，用直径4mm铁丝绑扎牢固。岩石边坡支护施工顺序为人工清坡→坡面锚杆施工→挂镀锌铁丝网→安装垫板、螺帽→喷射有机基材→喷播植草。边坡喷播客土（基材混合物）厚10cm，并且需慎重养护，养料补充需均匀，防止出现黄绿不均、枯活相间的不良后果。

土质边坡支护:土质边坡采用土钉加筋支护，土钉长4m、8m和12m，钻孔直径10cm，间距2m×2m呈梅花形布置，钢筋为Ⅲ级螺纹钢筋，直径25mm，钢筋端部对焊连接螺杆，螺杆外径22mm，挂网后用垫板及螺母固定。钻孔注浆采用的水泥砂浆强度不应低于25Mpa。边坡挂网采用镀锌铁丝网居中布置，结构型式和支护施工顺序同岩石边坡支护。

3.2 挂网喷混凝土支护方案

岩质和土质边坡均采用挂网喷混凝土支护。见图1。

图1 挂网混凝土支护示意图（单位：mm）

岩石边坡支护:岩质边坡采用系统锚杆支护，锚杆长4m，间距2m×2m梅花形布置，钢筋为Ⅲ级螺纹钢筋，直径18mm，钢筋端部对焊连接螺杆，螺杆外径22mm，挂网后用垫板及螺母固定。边坡挂网采用φ6钢筋网，间距15cm×15cm，喷射混凝土厚12cm。

土质边坡支护:土质边坡土钉长4m、8m和12m，钻孔直径10cm，间距2m×2m梅花形布置，钢筋为Ⅲ级螺纹钢筋，直径25mm，钢筋端部采用对焊连接螺杆，螺杆外径30mm，挂网后用垫板及螺母固定。边坡挂网采用φ6钢筋网，间距15cm×15cm，喷射混凝土厚12cm。

3.3 方案比选分析

挂网喷播客土支护和挂网喷混凝土支护两个方案，施工工序都较复杂，需要前期开挖、爆破和钻孔支护，后期喷播客土和喷混凝土。从后期施工维护来看，喷混凝土支护方案较为简单，维护时间短；喷播客土支护方案植被喷播完毕后，需用无纺布覆盖好，在此期间，需加强管理，适时适度喷水、补种、清除杂草，当幼苗植株长到5～6cm或2～3片叶子时便可揭去无纺布，养护时间为半年至一年。

从工程投资来看，本工程挂网喷播客土支护方案投资比挂网喷混凝土支护方案少21.89万元，投资相差不大。

从水厂周边生态和保护环境来看，挂网喷播客土支护方案优于挂网喷混凝土支护方案。

综上所述，本工程考虑水厂及其周边绿化，边坡支护措施采用挂网喷播客土支护。

4.排水设计方案

根据地质勘察成果，地下水埋深较深，边坡排水主要为雨水。由此确定，排水系统由坡外截流沟、马道排水沟和边坡排水花管组成。边坡开挖上口线外雨水由截流沟排至边坡以外渠道或山谷沟；边坡坡面雨水通过坡面衬砌排至马道排水沟，边坡表层渗水通过排水花管排至马道排水沟，再由马道排水沟排至坡外截水沟，最后由截水沟排至边坡以外渠道或山谷沟，形成一个闭合的排水系统。

5.边坡稳定设计

根据地质勘察成果，山包地质结构为土、岩双层结构，上部为砂壤土、壤土、粉砂及卵石地层，下部为强风化黑云斜长片麻岩。主要物理力学指标见表1。

表1 现状边坡底层岩土物理力学指标表

根据《岩土锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2015），边坡稳定计算包括锚杆钢筋受拉承载力计算、锚杆锚固段抗拔承载力计算及锚固边坡稳定性分析等内容。

5.1 锚杆钢筋受拉承载力及锚固段抗拔承载力计算

锚杆钢筋受拉承载力应按下式计算：

式中：Nd—锚杆拉力设计值（N）；

fy—普通钢筋抗拉强度设计值（N/mm2）；

As—普通钢筋的截面积（mm2）；

锚杆锚固段抗拔承载力按下式计算：

式中：Nd—锚杆轴向拉力设计值（KN）；

La—锚固段长度（m）；

fmg—锚固段注浆体与地层间极限粘结强度标准值（MPa或kPa），按表1取值；

f′mg—锚固段注浆体与筋体间粘结强度设计值（MPa），可按《规范》表4.6.12取值，取0.8MPa；

D—锚固段钻孔直径（mm），取100mm；

d—钢筋直径（mm），取25mm；

K—锚固段注浆体与地层间粘结抗拔安全系数，按《规范》表4.6.11取值，取2.2；

ξ—采用2根或2根以上钢筋或钢绞线时，界面粘结强度降低系数，取1；

ψ—锚固段长度对极限粘结强度的影响系数，可按《规范》表4.6.13取值，取1.2；

n—钢筋或钢绞线根数，取1。

计算结果：根据边坡支护设计，由计算确定边坡最危险滑面的锚杆钢筋受拉承载力为176.71kN，其他计算结果见表2。

表2 锚固段抗拔承载力成果表

5.2 锚固边坡稳定性分析计算

锚固土质边坡或呈现碎裂结构、散体结构的岩质边坡的稳定性可按瑞典条分法进行计算分析，边坡稳定安全系数K可按下式计算：

式中：K—边坡稳定安全系数；

ΔGni—作用于第i条滑动面上的岩土体的垂直分力（kN）；

ΔGti—作用于第i条滑动面上的岩土体的切向分力（kN）；

f、c—岩土体的摩擦系数标准值与粘 聚 力 标 准 值（kPa），f取0.35，c取11kPa；

ΔLi—第i条滑动面圆弧段长度（m）；

Tdnj—第j根锚杆受拉承载力设计值作用于滑动面上的垂直分量（k N）；

Tdtj—第j根锚杆受拉承载力设计值作用于滑动面上的切向分量（kN）；

计算结果：分别从持久状况(天然状态)和偶然状况(地震力作用状态)两种工况对锚固边坡进行稳定性分析计算，边坡稳定安全系数计算结果见表3。

表3 锚固边坡稳定性分析计算结果

由表2和表3结果可知，边坡支护设计稳定安全系数满足《岩土锚杆喷射混凝土支护技术规范》要求。

6.结语

岩土边坡支护工程是一个综合性很强的岩土工程课题，既涉及岩土力学中的稳定、变形问题，又涉及岩土与支护结构的共同作用，同时还要考虑边坡绿化、防冲刷破坏的问题。本文通过工程实例，结合该工程的特点，经方案比选，提出挂网喷播客土支护设计方案，为同类工程提供借鉴。