基于边坡支护技术的水工环地质灾害治理要点分析

2024-02-19欧阳斌峰肖琦瑞

农业灾害研究 2024年11期

摘要：随着水利工程建设规模的扩大和地质灾害防治要求的提高，边坡支护技术在水工环地质灾害治理中发挥着越来越重要的作用。以某省山区水库除险加固工程为例，分析了工程中的坝肩滑坡灾害特征，阐述了边坡支护技术的实施要点，包括现场勘察与评估、支护结构设计与优化、施工与监测和长期维护管理等方面。通过12个月的跟踪监测，结果表明该支护方案显著提升了边坡稳定性，深层位移速率降至0.023 mm/d以下，边坡整体安全系数由1.15提升至1.52，验证了所采用支护技术的可靠性和有效性，为类似工程的水工环地质灾害治理提供了参考。

关键词：边坡支护技术；水工环地质灾害；灾害治理；边坡稳定性

中图分类号：TV551.4 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）11–0-03

随着我国水利工程建设规模的不断扩大和基础设施建设的快速发展，水工环地质灾害的防治工作面临着日益严峻的挑战，而边坡失稳已成为水利工程中最为常见且危害性较大的地质灾害之一。在这一背景下，边坡支护技术的应用与创新显得尤为重要。边坡失稳不仅直接威胁着工程结构的安全，还可能引发次生灾害，如滑坡诱发洪水、泥石流等，危及周边生态环境和社会经济活动。传统的边坡治理方法，如简单的削坡、堆载以及重力挡墙等，虽然在一定程度上能够改善局部边坡的稳定性，但在适应性和长期可靠性方面存在明显不足。因此，深入研究和优化边坡支护技术，对确保水利工程安全运行、提升地质灾害防治水平具有重要意义。研究系统分析了边坡支护技术在水工环地质灾害治理中的应用要点，旨在为同类工程提供技术参考，推动水利工程建设的安全发展。

1 工程概况

某省山区水库除险加固工程位于省内西部山区，总库容586万m3，死库容86万m3，正常蓄水位385 m，

死水位365 m，校核洪水位388.5 m。水库工程等级为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级。大坝为均质土坝，坝高

32 m，坝顶长度386 m，坝顶宽度4.5 m，坝顶高程390 m。

2 水工环地质灾害概述

水工环地质灾害是指在水利工程建设和运行过程中，由于自然或人为因素引发的与工程地质条件相关的灾害现象。主要表现形式包括滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降等[1]。本工程中的坝肩滑坡体属于浅层堆积层滑坡，滑动面多呈弧形或复合形。钻探揭示，滑坡体基岩面起伏较大，基岩为中风化板岩，节理裂隙发育，岩体基本质量等级为Ⅳ级。水文地质条件显示，场地地下水位埋深3.5～6.8 m，年变幅约2.3 m，主要受降雨和库水位的影响。

3 边坡支护技术的实施要点

3.1 现场勘察与评估

本工程采用地质测绘、钻探取芯、原位测试等手段开展现场勘察。工程地质测绘比例尺采用1∶500，重点区域加密至1∶200，共布设钻孔15个，累计进尺463 m，取芯率达到90%以上[2]。工程采用静力触探、标准贯入试验等原位测试方法，获取边坡土体物理力学参数。地质勘探结果表明，边坡体总体呈舌状，详细数值见表1。

工程地质评估重点关注以下几个方面：（1）滑带土物理力学特性，剪切强度参数随含水率变化的敏感性；（2）基岩面起伏形态与软弱结构面的空间展布特征；（3）地下水补给来源及其动态变化规律；（4）边坡变形发展趋势与影响因素。

通过综合分析，确定该边坡属于水文地质作用主导型滑坡，需重点考虑降雨入渗和库水位变化对边坡稳定性的影响。根据现场勘察与评估结果，工程采用了系统性的支护方案，以抗滑桩为主体支挡结构，配合预应力锚索、排水工程等措施，布设多层次监测系统，实现对边坡全生命周期的动态监控与预警[3]。在雨季或水位变化期间，工程还会增加监测频次，并对重点监测区段实施自动化监测技术，以提高预警的及时性和准确性，为工程的长期安全提供可靠保障。

3.2 支护结构的设计与优化

本工程支护结构设计采用抗滑桩—锚索组合支护体系，通过有限元数理分析确定最优布置方案。抗滑桩采用钻孔灌注桩，单桩直径2.0 m，桩长24～28 m，桩间距4.5 m，共设置42根。桩身配筋率为1.2%，主筋选用HRB 400级钢筋，箍筋采用HPB300级钢筋，混凝土强度等级为C30。此外，结合场地地质条件和土体性质，进一步优化桩间布置形式，确保工程经济性与施工可操作性之间的平衡。

工程中，预应力锚索布置采用梅花形布置方案，锚索倾角15°～20°，锚固段长度12～15 m，自由段长度18～22 m，锚索间距水平3.0 m，垂直2.5 m[4]。锚索采用低回缩1860级钢绞线，截面规格为φs15.2 mm×

7根，预应力值设计为1 000 kN，锚固段注浆采用M30水泥浆，注浆压力不小于2.0 MPa。为保证锚索的长期稳定性能，施工过程中采用精确的张拉工艺，并结合监测数据实时调整张拉力，避免过度拉伸或锚索松弛现象。

为优化支护结构受力性能，工程采用双排桩布置，前排桩作为主抗滑桩，后排桩兼顾支挡与稳定功能[5]。桩间设置混凝土连系梁（0.8 m×1.2 m），形成整体性支挡结构体系。通过应力应变分析，计算连系梁配筋率，如式（1）：

ρ=（1）

式（1）中，ρ为配筋率，As为钢筋的截面面积，Ac为混凝土截面的面积。计算剪力配筋率，如式（2）：

ρv=（2）

式（2）中，ρv为剪力配筋率，Asv为剪力钢筋的总面积，b为梁的宽度，d为有效高度。在设计中，工程确定连系梁配筋率为0.85%，剪力配筋率为0.3%。

3.3 支护技术的施工与监测

本工程采用分区分段施工策略，严格按照“先截水、后支护、分级开挖、及时支护”的施工原则进行。在抗滑桩施工过程中，采用反循环钻进工艺，钻孔垂直度控制在1/300以内，成孔后采用超声波检测仪进行孔径检测，确保桩径误差控制在±50 mm范围内。钢筋笼制作采用专用定位架，主筋接头采用电渣压力焊，箍筋采用双面焊接，保证钢筋笼刚度满足起吊和下放要求[6]。混凝土浇筑采用导管法，采用自密实混凝土，坍落度控制在200±20 mm，确保桩身混凝土质量，同时通过添加适量高效减水剂改善流动性，降低泵送压力。

在锚索施工中，工程采用潜孔锤跟管成孔工艺，成孔直径φ130 mm，偏斜度控制在1.5%以内。锚索张拉采用同步千斤顶，分级张拉，每级张拉力为设计预应力的20%，共分5级完成，锚固段注浆压力严格控制在2.0～2.5 MPa。注浆材料采用P.O 42.5级水泥，水灰比为0.45，每根锚索注浆量不少于2倍理论计算值，确保锚固效果[7]。施工期间，注浆过程中采用智能自动监控设备，实时记录注浆压力、注浆量和温度变化，为后期优化施工技术提供参考数据。

此外，工程建立了完善的监测系统，包括深层位移、孔隙水压力、锚索应力等多个监测项目，监测频率与现场施工进度相匹配（表2）。

监测数据采用GPRS无线传输系统，实现远程实时监控。为了确保支护结构长期安全，工程设置了三级报警值：当位移速率达到2 mm/d时为一级预警，5 mm/d为二级预警，10 mm/d为三级预警。同时，建立完善的位移响应机制，制定相应的处置预案，为复杂地质条件下的支护工程提供了强有力的技术支撑。

3.4 长期维护与管理

本工程建立了完整的边坡工程档案数据库，包含支护结构设计参数、施工记录、监测数据等信息，实现工程全寿命周期的数字化管理[8]。此外，该制度于每年汛期前（5—9月）加强巡查频率至每周2次，并计划将巡查数据纳入自动化分析系统，全年常规检查每月1次，重点检查支护结构的变形、开裂、渗水等病害情况。同时，建议通过无人机航测技术覆盖大面积边坡区域，以提高监测效率和巡查覆盖率，减少传统巡检的盲点。

在维护管理过程中，工程采用定量化评估方法对支护结构进行性能评定。评估指标包括结构完整性指数（SII）、裂缝发育程度（CDD）、锚固体系可靠度（ARS）等参数。其中，结构完整性指数通过式（3）计算：

SII=Wi·Pi（3）

式（3）中，Wi为第i个评价因子的权重值，Pi为对应的性能得分。工程评估结果显示，支护结构的SII值稳定在0.85以上，表明整体性能良好。

针对排水系统的维护，工程采用了智能化的排水监控系统，在排水管网关键节点布设了8组水位监测装置和12组流量检测器，实时监控排水效能[9]。排水沟的设计流量为0.26 m3/s，当实测流量低于设计值的85%时，立即启动清淤维护程序。同时，工程还采用红外热成像技术定期检测排水管网的渗漏情况，若发现管壁温差大于2.5 ℃的异常段，将立即进行修复处理，并对系统运行记录进行数字化归档管理，以便进行后续分析和优化。

为确保支护结构长期稳定性，工程建立了锚索预应力损失补偿机制。当监测到锚索应力损失超过初始预应力的15%时，即进行有针对性的逐级预张拉补偿试验，每级加载增加量为设计初值的10%，直至恢复至原始预应力的95%以上。通过定期执行该策略，将锚索体系的有效工作率维持在正常水平范围内，最终实现支护结构年损失率控制在3.2%以内。

4 治理效果分析

本工程对支护工程实施后12个月的情况进行监测，定量化数据表明边坡整体稳定性得到显著提升。深部位移监测数据显示，边坡体年累计位移量由治理前的56 mm降至8.3 mm，位移速率维持在0.023 mm/d

以下，显著低于变形监测一级预警阈值，表明边坡变形趋于收敛稳定[10-13]。同时，坡体局部位移监测的平均值下降幅度达到93.2%，进一步表明治理效果显著，区域稳定性大幅提升。

工程实施后的地下水动态监测数据显示，场地地下水位年际变幅由2.3 m降至0.8 m，水动力场趋于稳定。排水系统的持续运行使边坡体含水率整体降幅达15.2%，土体有效应力增加明显。土体强度参数测试结果显示，内摩擦角φ由原来的19°～21°提升至24°～26°，黏聚力c由18～25 kPa提高至28～35 kPa。基于极限平衡法计算，边坡整体安全系数由原来的1.15提升至1.52，满足规范要求的稳定性标准。同时，在深层滑移带附近，土压力监测仪记录到的峰值土压力减少了约38%，表明治理后深层应力状态得到了较大的释放和优化。

结构受力监测结果表明抗滑桩—锚索组合支护体系工作性能良好。抗滑桩应力应变监测显示，桩体弯矩分布呈典型抛物线形态，最大弯矩值3 256 kN·m出现在桩身1/3处，未超过设计极限值4 500 kN·m。预应力锚索轴力衰减监测结果显示，锚索轴力损失率稳定在6.8%，低于规范允许值12%，体现了锚固系统的可靠性。混凝土连系梁应变值稳定在185 με以内，最大裂缝宽度仅0.15 mm，远小于控制值0.3 mm，表明支挡结构整体性良好。

综合各项监测指标分析，本工程采用的边坡支护技术方案取得了显著的治理效果，不仅有效控制了边坡变形，还实现了支护结构与边坡体的协同工作，为类似工程的灾害治理提供了可靠的技术参考。

5 结束语

通过深入分析某省山区水库除险加固工程中的水工环地质灾害特征，提出了一套系统的边坡支护技术实施方案。从现场勘察与评估的科学开展，到支护结构设计的优化创新；从施工工艺的精细管控，到监测预警体系的全面建立，这些措施涵盖了边坡支护工程的各个关键环节。研究表明，通过系统实施抗滑桩—锚索组合支护体系，配合完善的排水工程和监测预警措施，工程成功将边坡深层位移速率控制在0.023 mm/d

以下，安全系数提升至1.52，有效解决了坝肩滑坡带来的安全隐患。

参考文献

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