工程明渠高陡边坡开挖及安全防护设计浅析

工程明渠高陡边坡开挖及安全防护设计浅析

夏伟 1 李六第 2

（ 1.中国水利水电第十四工程局有限公司 云南省 昆明市 650041

2. 中国水利水电第十四工程局有限公司云南省 昆明市 650041）

摘要：龙开口水电站水资源综合利用二期工程大部分明渠建筑处高陡边坡上，渠道下部有农田林地、房屋、公路、饮水管道等设施，边坡开挖过程中存在较大安全隐患，施工过程中必须采取有效的安全防护措施，经实践总结，形成了行之有效的安全防护设计。

关键词：高陡边坡；安全防护

引言

开口水电站水资源综合利用二期工程，输水干渠总长65.085km，起始点为龙开口水电站，终点为中江镇六家村，布置于金沙江右岸，渠道沿约1455m～1408m高程布置，距离金沙江面约208米高差；渠道所经边坡大部分较高较陡（45°～75°），并且渠道下部有农田林地、房屋、公路、农灌渠饮水管道等设施，高陡边坡开挖存在较大的安全隐患，施工过程中必须采取有效的安全防护措施。

1 工程地质

输水线路沿线出露地层有：第四系，三迭系，二叠系等，开挖揭露地层主要为二叠系。

大部分明渠工程区分部有二叠系上统玄武岩组上段（P₂β³）玄武岩，夹凝灰岩，强-弱风化，岩石完整性差，较破碎，镶嵌结构，节理裂隙发育，局部可见完整节理面，大部分节理面细断裂不连续，张开岩屑充填，岩石局部稳定性差。

强风化玄武岩：主要为碎裂结构岩体，岩石破碎成及厘米至几十厘米的岩块，岩体整体性几乎完全丧失，强度低，透水性好，易被侵蚀切割，承载力不够高，稳定性差，与弱风化岩石接触带常为软弱结构面，一般形成弧形滑动面，若软弱结构面倾向与斜坡倾向一致，且有一定倾角，可能发生较大规模的滑动，按普氏硬度划分，其基本质量等级为Ⅳ～Ⅴ，基本质量指标小于等于250，按土石分级划分属次坚岩，土石分级为Ⅶ～Ⅸ，坚固系数4～10。

弱风化玄武岩：岩体新鲜坚硬，承载力等特性较高，地质灾害少见，岩体结构较完整，呈块状、次块状或镶嵌结构，柱状节理发育，剪断破坏仍然以弹性为主，具有较高的模量和一定的结构效应，按土石分级划分属特坚岩，土石分级为10～16，坚固系数10～25，按普氏硬度划分，其基本质量等级为Ⅲ级，基本质量指标为351～450。

玄武岩物理性质如表1和表2：

表1

表2

2 施工设计及规划

根据围岩特性，强风化围岩开挖、弱风化岩石边坡开挖等。典型开挖设计断面如下：

1、强风化围岩设计开挖坡比为1:0.5～1:1.0，可直接使用挖掘机开挖，局部需采用液压破碎锤破碎后才能采用挖掘机开挖。开挖边坡高度大于10米的，每个10米高留1.5米宽马道，开挖典型设计断面及物理性质如下：

表3 强风化围岩物理特性

2、弱风化及微风化岩石边坡根据围岩的自稳情况，设计开挖坡比为1:0.1～1:0.3；此类围岩不能直接采用挖掘机开挖，破碎锤破碎开挖效率低，需采用爆破开挖。开挖典型设计断面及物理性质如下：

表4 弱风化岩体物理特性

3 安全防护设计

根据工程特性及防护对象具体采用的防护设施有：被动防护网、安全防护栏等，针对不同的地形地貌和施工方式对可能在施工过程中存在安全隐患的部位进行性有效的安全防护，确保周边人畜安全，避免农田、林地、房屋、公路及其他设施等受损毁。具体防护防护对象及防护方案见表5。

表5 高边坡开挖安全防护特性表

3.1被动防护网（SNS）设计

SNS被动防护网，主要用于岩石高陡边坡爆破开挖或大方量石方开挖的施工安全防护，保护对象主要为房屋、主要交通道路、其他重要设施、较大面积的农田和林地等。

3.1.1被动防护网（SNS）典型断面图

3.1.2被动防护网设计计算

SNS被动防护网安装具体位置根据边坡陡峭情况确定，SNS被动防护网高不低于4.0m，经过对崩塌落石运动计算、落石最大偏移计算及落石弹跳计算，SNS被动防护网均能满足要求，计算过程如下：

（1）崩塌落石运动计算：根据能量守恒定律，滚石在运动过程中做功，即势能转化为动能，则：

M×g×H- M×g×cos a×k×H/sin a =0.5×M×v²

K=0.543-0.0048×a+0.000162 ×a²

F_tt= M×v

（2）落石撞击斜坡最大偏移计算

落石在斜坡上滚落时，遇到障碍物会产生反射最终发生偏移，计算过程如下：

β={200+2×a×（1- a/45）}/v^1/3

La={v²×（tan a-cotβ）²}/{2×g×tan a ×(1+ cotβ²)}

Ha= La×tan a

（3）崩塌落石弹跳计算

落石在斜坡上滚落时，遇到障碍物或遇到防护网时会，因能量未尽，会发生弹跳，现场实际踏勘渠道，选取典型断面进行计算，计算过程如下：

反射角γ(数值)= arctan{tan(a×3.14/180) ×ρ/(1-λ)}

反射角γ（度数）=反射角γ(数值) ×180/3.14

V₀=(1-λ) ×V×cos(a×3.14/180)/cosγ

Lmax= V₀²×sin(2×γ)/10

Hmax= V₀²×sinγ²/20

其中：P：落石重力的切向分力；F：落石重力的法向分力；G：落石重力；f：摩擦力；a：坡度；k：崩落摩擦系数；v：落石的运动速度；F_t：落石冲击力；t：冲击时间，取0.3s；g：重力加速度，9.8N/s；M:落石质量，玄武岩密度为3300kg/m³；β：反射角；La：最大水平偏移；Ha：最大垂直偏移；ρ：恢复系数，取0.5；λ：瞬间摩擦系数，取0.3；γ：弹跳反射角；V₀：反射速度； Lmax：弹跳最远距离； Hmax：弹跳最大高度。具体参数见《被动防护网立面示意图》、《系统横断面图》、

3.2安全防护栏设计

根据实际施工需要和防护对象，防护围栏分重型防护栏和轻型防护栏，主要用于较高陡边坡开挖施工时安全防护，主要保护对象有农田、林地、房屋、道路及其他设施。

3.2.1重型安全防护栏

重型安全防护栏主要用于岩石高陡边坡局部爆破开挖或采用液压破碎开挖施工时的安全防护，主要保护对象有农田、林地、房屋、道路及其他设施。

1、重型防护栏典型断面图。

2、重型防护围栏设计计算

围挡结构自重对围挡抗倾覆是有利荷载，围挡抗倾覆稳定性计算中不予考虑。

开挖土石方荷载作用下围挡容易产生倾覆矢稳，按最不利情况考虑，土石方荷载垂直于围挡方向时风力最大。

荷载传递：土石方荷载→挡板→槽钢立柱→锚筋桩与拉绳。

受力结构主要为钢立柱，对整个围挡抗倾覆稳定的关键点在于结构柱本身的抗弯拉和抗剪强度。

作用在挡板上的土石方荷载传递到型钢立柱上。设计压力=32.34 KN/m²，立柱间隔1.5m，围挡防护有效高度不低于2m，每根立柱受土石方附属面积为3m²，土石方荷载传至立柱为均布荷载，均布荷载q=32.34×3÷2=48.51KN/m。

（1）抗剪强度计算

立柱根部为1根Φ28HRB400E锚筋桩，截面积为A=6.15cm²,钢材强度fv为400Mpa，主结构柱容许剪力[FV]=6.15×10-4×400=246kN。

而立足在土石方荷载作用下最大剪力为FV=ql=48.51×2=97.02kN。

FV= 97.02kN＜[FV]= 246kN

满足要求

（2）结构柱抗弯强度计算

仅考虑土石方荷载产生的弯矩由主结构柱承担。

主荷载作用下固端弯矩为：

M=0.5ql2=0.5×48.51×4=97.02kN·m

钢结构柱所能提供的最大抵抗弯矩为：

[M]= 6.15×10-4×400×0.5=123 kN·m

M=97.02N·m<[M]= 123 kN·m

土石方荷载产生的弯矩仅由主结构柱承担能满足要求，更好提高主结构柱的抗弯矩能力，采用拉绳与拉绳锚筋桩链接为一体，提高抗弯矩能力。

3.2.2轻型安全防护栏

轻型安全防护栏主要用于强风化较高陡边坡的开挖或局部采用液压破碎开挖施工时的安全防护，主要保护对象有农田、林地、房屋、道路及其他设施。

1、轻型防护栏典型断面图

2、轻型防护围栏计算

计算过程同重型防护围栏计算过程，均能满足要求。

4 结论

龙开口水电站水资源综合利用二期工程大部分明渠建设位于典型高陡边坡上，明渠下部存在田地、林地、房屋、公路、饮水设施等，且落差较大，安全防护势在必行，以保证人身及财产安全。在建设过程中，经过施工前设计、施工中实践与调整，证明开挖设计、安全防护网及安全防护栏设计对于高陡边坡的开挖及下部设施的防护卓有成效。