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影响水利工程边坡稳定的因素及处理措施

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  • 更新时间2022-08-12
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摘    要:

水利工程是由国家投资兴建的民生工程,在水利工程建设中最为突出的问题就是边坡失稳,常表现为岩体或土体发生滑动或崩塌,危害巨大。影响边坡稳定性的因素有多种,在施工前应对边坡的稳定性进行分析,对水利工程边坡失稳可能发生的时间及可能造成的危害进行预判,从而提前制定防治措施,以减轻边坡失稳带来的损失。该文从岩石的力学性质、边坡特性、地质构造、水体作用与外界扰动等几个方面进行了分析,提出了确定影响水利工程边坡稳定性主要因素的方法,并提出针对边坡失稳问题应采取的加固处理方法。


关键词:水利;边坡;稳定性;加固;


导致工程建设成本与维护成本上升,引发一系列的安全问题。一般边坡失稳都是因岩体或者土体受到破坏引起,比如:地质条件发生改变、地震扰动、工程施工、雨水的侵蚀等都会造成边坡失稳。因此,技术人员必须研究导致边坡失稳的相关因素,并对主要因素进行有效识别,为制定科学的加固措施提供数据支撑。


1 影响水利工程边坡稳定性的主要因素

1.1 边坡岩体的力学性质

岩石的组分、结构特征都不相同,因此物理性能也不相同,能够反映岩石物理性能的指标主要的密度、孔隙率、水理等,而岩石的力学性质会受到这些指标的影响[1]。通常粘土成分含量高、吸水率高的岩体容易被软化,或者岩体内含有泥质充填物质,这些类型的岩体强度都比较低,在外因或自身重力的作用下会出现边坡失稳。


1.2 边坡自身的因素

边坡的稳定性在很大程度上受自身因素的影响,一是边坡的高度,通常边坡越高其稳定性就越差;二是边坡的坡度,边坡越陡其稳定性就越差;三是植被的影响,通常在边坡工程施工完成后会对坡面进行绿化,既是生态环境要求,也是为了对边坡起到防护的作用,但如果植被遭到破坏或者植物根系生长到坡面的缝隙中会加速缝隙的发育,导致边坡失稳;四是其他部位出现边坡问题时会产生链式反应,导致边坡失稳情况加剧[2]。


1.3 地质构造的影响

水利工程建设在野外,地质环境复杂,如果水利工程边坡岩层构造存在裂隙发育或者软弱土层等情况时,边坡的稳定性就会受到影响,比如处在断层带上、裂隙发育区,容易出现边坡失稳,一般在水利工程建设中将其确定为危险区域;岩层倾角也是重要影响因素,如果岩层倾角处于25°~55°时一般稳定性就差[3]。


1.4 水流作用的影响

水利工程中接触最多的就是水,边坡工程往往长期处在水流的作用下,久而久之就是引起边坡失稳。一是水体会对边坡起到润滑、软化的作用,吸水性好的岩体长期受到水体的浸润会强度降低,导致边坡失稳;二是边坡长期浸泡在水体中会产生化学破坏,水体的溶蚀作用会侵蚀岩体下部的支撑部位,导致边坡失稳;三是水流的长期冲刷使边坡岩体遭到破坏,边坡的坡度变陡,通常在河道的转弯处易出现;四是边坡截水设施失效,导致大量雨水渗漏进入坡体内部,长时间作用下会形成管涌,导致坡体发展塌陷[4]。


1.5 其他外界因素

外因对于边坡失稳会起到促进作用,会引起边坡内部应力的变化,而出现坡体结构面变形开裂。地震是导致边坡失稳的重要因素,地震时横波会引起坡体水平晃动,纵波会导致坡体上下晃动,对坡体内部结构造成严重破坏,从而引起滑坡或崩塌;如果边坡长期处于荷载作用下,岩土的屈服面会不断发展,坡体内应力发生变化,容易出现裂隙、沉降等问题;水利工程边坡长期裸露在自然环境中,长期受到风力的作用,会导致岩体开裂,结构遭到破坏,且随着时间变长而加深;人们在工程建设中开挖、爆破等行为也是引起边坡失稳的重要因素。


2 影响水利工程边坡稳定性的主因素判定

由于引起水利工程边坡失稳的因素较多,关系错综复杂,想要对边坡的稳定性做出科学、准确的评价,需要先对每一个因素进行分析,再确定其中的主要因素,并分析多种因素之间存在的关联性。


2.1 工程类比法

这是一种常用方法,搜集整理水利工程边坡的相关资料、勘查报告等,综合分析边坡的历史稳定性变化情况与当前的基本条件,选择与此边坡情况类似的且已经研究过的工程进行对比分析,从而确定引起边坡失稳的主要因素。在实际中这种方法的具有较高的可操作性,应用也最为广泛。


2.2 可靠性分析法

可靠性理论是为了确定边坡的可靠性而使用的,对水利边坡工程进行现场勘查取样,按照要求选取多个不稳定因素样本,通过分析计算得出这些因素特征参数以及引起边坡失稳的概率分布,确定边坡对某个因素的敏感性。使用可靠性分析法需要按照影响因素收集大量数据资料,并使用相应的分析方法对这些数据资料建立计算模型,然后确定其中敏感度最高的因素。常用的数据分析方法有极大似然估计法、可靠性指标法、统计矩法以及随机有限元法等。


2.3 定性分析法

对水利工程边坡各种数据进行搜集,包括边坡的坡形、坡度、尺寸,还有边坡的地质结构、水文条件,以及地质构造的演变等,对所有能够影响边坡稳定性的因素进行研究,从而对边坡的演变过程做出判断,确定当前边坡的稳定状态。


2.4 极限平衡分析法

在水利工程边坡稳定性分析中常用到极限平衡分析法,其核心是确定边坡的安全系数,计算方法比较简便,通过计算可以定量地得出边坡安全系统的数值[5]。按照极限平衡理论,将可能发生滑动的坡体划分成多个条状块体,并假定为刚性,假定滑面已经处于极限平衡状态,抗剪强度也达到平衡,其安全系数的计算公式为


式中,当Fs=1时达到临界值,也就是达到了极限状态。


2.5 层次分析法

该方法是将定性分析与定量分析结合在一起,对水利工程坡体进行系统的、层次化的分析,其优势在于能够在复杂的问题中直达问题的本质,对影响边坡稳定性的各种因素之间存在的关联性进行深入的分析,然后通过较少的定量信息判定各要素的权重,从复杂的问题中找出简便的解决问题的方法,最终确定影响边坡稳定性的主要因素。


3 水利工程边坡失稳加固措施

3.1 混凝土抗滑桩加固技术

针对失稳边坡,混凝土抗滑桩是一种比较有效的加固技术。抗滑桩应穿过失稳坡体深入滑床内部的稳定层,从而起到加固边坡的作用,具体如图1所示。抗滑桩可采用人工开挖的方式施工,需要注意的是不能通槽施工,相邻桩之间要间隔跳挖,严格按照施工顺序施工。结合失稳边坡的实际情况确定抗滑桩的排布方式为单排或者是多排。按图纸设计要求进行测量定位,确定桩轴线与桩位,标注每个桩的坐标位置。施工过程中遇到地下水需要及时排水,根据地下水量选择合适的排水方法[6]。抗滑桩的应用优势是加固效果好、施工工期短,施工过程中不需要使用到大型设备,土方的挖出量也较少。


3.2 沉井加固技术

沉井的结构主要由套井、井壁和刃角这3个部分组成,其应用原理与抗滑桩类似,但施工方法相对复杂一些。沉井加固施工的主要步骤是沉井下沉、混凝土沉井封底,施工前先对现场进行清理、平整、夯实,熟悉相关资料,然后按照图纸标注的位置进行沉井施工,并做好安全防护[7],具体如图2所示。下沉速度要均匀,避免出现偏斜,减少对外壁的摩擦,防止下沉过程中因摩擦力过大引起沉井悬挂问题。与抗滑桩相比,沉井加固法的效果更加可靠,但是施工过程对技术与设备使用的要求也更高,工艺更复杂,对施工队伍专业素质与技术水平的要求也更高,往往在桩基础施工不方便的区域更适合沉井加固技术。


3.3 喷射混凝土加固技术

喷射混凝土加固技术是借助混凝土喷射机进行施工,利用高压将混凝土干拌合料输送到喷头处,在水环处加水后高速喷射到需要加固的坡体。该加固技术的优势在于工艺简单、施工效率高、质量可靠、成本低。喷射混凝土所使用的原材料与普通混凝土的材料相同,只是在施工工艺上进行了改进,但施工效果更好。施工过程中省去了传统混凝土施工中很多环节,采用机械化施工的方式,利用高压产生较强的冲击速度喷射完成,如果是作为临时支撑使用,施工完成后的强度远远高于木质结构,而经济性方面要优于钢混结构,如果是作为永久性的支撑使用,其早期强度远超现浇混凝土。在水利工程坡体加固中可与其他加固技术配合使用,比如:与锚固技术相结合,既可以充分发挥锚固效果,以可以发挥喷射混凝土的效果,使坡体加固的效能得到大幅提升。如果再配合金属网使用,就会达到钢筋混凝土结构的效果,有效增强坡体的稳定性。


3.4 边坡疏排水防护技术

基于水利工程边坡长期受到地表水的作用,极易造成坡体的滑动,因此在建设时应采用合理的疏排水方案,控制水流,对边坡起到加固防护的作用[8]。一是设置排水沟,排水沟的形状一般是矩形、梯形、U形,为保证排水沟起到防冲和防淤效果,可以通过改变排水沟的方向来调节水流的速度。二是设置截水沟,适合地表径流较大的情况,通过截水沟的拦截将地表水导入自然沟渠或水道内,避免水流过大、过急对边坡造成破坏,截水沟的设置应结合边坡的地形与地质条件。三是解决地下排水,可以设置排水洞、渗沟、盲沟、排水孔等,对地下水形成有效拦截与疏导。如果坡体滑动趋势较明显,应选择滑坡周边外部设置截水沟。采用疏排水的方法是为了控制边坡滑体范围内的地表水流,减少地表水对坡体的冲刷,增强坡体的抗滑力。如果坡体存在裂隙,应进行有效封堵,针对坡体中低洼存水区域做填平处理,针对积水严重区域应设置排水沟。


4 结语

综上所述,边坡的稳定性在水利工程建设中非常重要,但是由于边坡长期受到各种因素的影响,经常发生失稳现象,这就需要水利工程建设部门认真分析引起边坡失稳的各种因素,并采取有针对性的加固措施,提高边坡的稳定性,避免出现边坡滑坡、崩塌的问题。该文先对影响水利工程边坡稳定性的几个重要因素进行分析,提出主因素的判定方法,最后对目前常用的混凝土抗滑桩加固技术、沉井加固技术、喷射混凝土加固技术以及边坡疏排水防护技术进行综述,实践证明,这些加固技术都可以有效增加水利工程边坡的稳定性。


参考文献

[1] 刘慧芳,蒋华忠.浅水波作用下护底块石对斜坡式护岸稳定性影响[J].水运工程,2018(10):122-126.

[2] 徐卫亚,周伟杰,闫龙.降雨型堆积体滑坡渗流稳定性研究进展[J].水利水电科技进展, 2020, 40(4):87-94.

[3] 逄建波.水利水电施工工程中运用边坡开挖支护技术对策探析[J].科技创新导报,2020,17(7):26-27.

[4] 王宇.水利工程堤坝防渗加固施工技术[J].科技创新导报,2019,16(36):42,44.

[5] 李春辉,刘天鹏,王洪洋,等.边坡稳定性分析方法研究进展及展望[J].东北水利水电,2020,38(2):63-65.

[6] 纪云静.震后降雨作用下边坡稳定性数值模拟研究[J].甘肃水利水电技术,2020,56(6):27-32.

[7] 李鹏.有关水利工程中高边坡的加固治理分析[J].科学技术创新,2019(11):126-127.

[8]孙友良.水利水电工程高边坡的加固与治理策略研究[J].产业与科技论坛,2020,19(7):54-55.