鐘 坤，閆福根，傅興安，郭建華，張興昊

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.長江設(shè)計集團有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

降雨是引發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要原因之一，雨水使土體重量增大，粘聚力下降，降低邊坡穩(wěn)定性，增大滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生幾率[1-3]。在特定條件下滑坡還面臨轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害的風(fēng)險，對人民群眾財產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境造成危害。熱帶雨林地區(qū)高雨頻、強降雨條件下高邊坡施工過程中存在停工頻繁、工期滯后等問題，嚴重威脅邊坡的安全穩(wěn)定，并對社會經(jīng)濟建設(shè)和人民的生命財產(chǎn)造成損失[4-5]。因此，為保證邊坡全生命周期安全穩(wěn)定，深入開展研究適用于強降雨、高雨頻條件下的快速施工方法及高效排水裝置十分必要。

高邊坡施工時，若發(fā)生大強度降雨，坡面將受到強烈沖刷，甚至形成沖刷深溝，嚴重影響邊坡安全；被雨水沖刷帶走的坡面流土沿著天然沖溝最終匯入下游河道，對下游河水也會造成嚴重環(huán)境污染。如何在保證安全的前提下快速施工，一直是工程領(lǐng)域研究的課題。丁善鋒等[6]通過對高邊坡分區(qū)，科學(xué)規(guī)劃施工道路，采取分層開挖分層支護的工藝，實現(xiàn)了高邊坡開挖和支護快速施工；秦民生[7]分析了無架施工工藝在水利行業(yè)中的應(yīng)用，提出了一種快速開挖支護的施工工藝；張傳虎等[8]通過研制新型鉆機、創(chuàng)新施工工藝、精確控制鉆孔精度和采用綜合降塵技術(shù)，形成了一套高陡邊坡快速、優(yōu)質(zhì)開挖施工技術(shù)。目前對高邊坡快速施工技術(shù)的研究多體現(xiàn)在裝備研制方面，對分區(qū)施工次序研究較少，尤其是對熱帶雨林地區(qū)強降雨條件下的快速施工技術(shù)研究較少。

熱帶雨林地區(qū)面對高雨頻氣候條件，如何有效的引排坡面匯水，防止降雨對邊坡沖刷破壞，對保證邊坡局部及整體穩(wěn)定至關(guān)重要。傳統(tǒng)的邊坡排水工程主要采用邊坡“馬道排洪溝+急流槽”[9-12]組合方式對坡面匯水進行引排。其中，馬道排洪溝主要采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)型式；急流槽多采用“不設(shè)置臺階的混凝土矩形溝”、“設(shè)置臺階的混凝土矩形溝”和“具有波紋的半圓型塑料管”3種結(jié)構(gòu)裝置?！安辉O(shè)置臺階的混凝土矩形溝”的急流槽結(jié)構(gòu)裝置使用壽命十分有限，混凝土底板會因高速水流長期沖刷，導(dǎo)致溝內(nèi)滲水或溝身沖斷，造成坡面排水系統(tǒng)失效，進而引發(fā)邊坡局部或整體失穩(wěn)；“設(shè)置臺階的混凝土矩形溝”結(jié)構(gòu)裝置施工工藝復(fù)雜，施工工期較長；“具有波紋的半圓型塑料管”結(jié)構(gòu)裝置易發(fā)生水流向坡面滲入，造成結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)問題。排洪溝現(xiàn)場工程實踐表明，3種急流槽結(jié)構(gòu)均不能很好地應(yīng)用于本工程，需研制一種新型高效排水裝置。

1 工程概況

Mirador銅礦位于南美洲厄瓜多爾國距離第三大城市昆卡市(Cuenca)直線距離約100km的薩莫拉-欽奇佩省(Zamora-Chinchipe)。Wawayme東排土場位于南礦露天采場東北面的Wawayme河谷地，用于排放南礦露天采場開挖廢棄料。排土場用地面積為732hm2，最終堆放標高1500m，排放總高度400m，堆存容積為1.04億m3。

由于Mirador銅礦所在地區(qū)雨量充沛，河流發(fā)育，坡面匯水面積大，為降低Wawayme東排土場安全風(fēng)險，需在其上游設(shè)置大型排洪溝對山區(qū)坡面匯水進行排導(dǎo)。排洪溝所處地理位置位于厄瓜多爾東南部濕潤地區(qū)，具有典型的亞馬遜地區(qū)濕潤多雨的氣候特點，平均年降水量高達3000mm，所在區(qū)域地形均為山區(qū)，高海加高山體自然坡度為30～70，地表雨林植被茂密、東西向溝壑密布，地勢陡峭。巖性主要為粘土、砂礫石，部分段落有塊狀花崗閃長巖石外露，覆土厚度較厚。

Mirador銅礦地理位置及排洪溝平面布置如圖1所示。

圖1 Mirador銅礦地理位置及排洪溝平面布置圖

2 強降雨條件下高邊坡分工次序研究

2.1 邊坡施工時序模型構(gòu)建

邊坡施工時序模型包括降雨強度評價指標模型和分區(qū)模型2部分，其中降雨強度評價指標模型包括評價因子、因子尺度和指標值，分區(qū)模型主要為分區(qū)類別。

(1)建立降雨強度評價指標模型

降雨強度評價模型包括評價因子、因子尺度和指標值。其中，評價因子為降雨強度指標I，本指標可通過氣象預(yù)報直接獲取，具有易得性和科學(xué)性；因子尺度根據(jù)米拉多地區(qū)降雨強度對邊坡施工影響程度確定，具體包括I=0mm/24h、0mm/24h0mm/24h四類，對應(yīng)為無雨類、中雨以下類、中雨-暴雨類和暴雨及以上類；指標值包括：無限制指標、弱限制指標、強限制和禁止指標。具體模型如圖2所示。

模型中：U為降雨強度評價指標模型；I為雨強指標；D為尺度集，其中D1為無雨類，D2為中雨以下類，D3為中雨-暴雨類，D4為暴雨及以上類；E為指標值類，其中E1為無無限制指標，E2為弱限制指標，E3為強限制指標，E4為禁止制指標。

(2)建立邊坡分區(qū)模型

依據(jù)邊坡開挖平面布置圖，在坡腳線與開口線之間選擇合適位置進行勘探路開挖，勘探路開挖長度L為300～500m。根據(jù)勘探路揭露的地質(zhì)條件，對開挖范圍L內(nèi)邊坡地質(zhì)條件進行分區(qū)，具體包括以下3類：①優(yōu)先區(qū)：巖土質(zhì)邊坡結(jié)合部位、土質(zhì)松散和巖體破碎區(qū)域；②次先區(qū)：巖體較完整、土質(zhì)較耐沖部位；③常規(guī)區(qū)：巖體完整、土質(zhì)耐沖部位。具體模型如圖3所示。

圖3 地質(zhì)信息分區(qū)模型

模型中：Z為雨強指標，其中Z1為優(yōu)先區(qū)、Z2為次先區(qū)、Z3為常規(guī)區(qū)。

2.2 邊坡施工時序模型構(gòu)建

根據(jù)勘探路揭露的地質(zhì)情況，對開挖范圍內(nèi)邊坡分成Z1、Z2和Z3三種區(qū)域。通過天氣預(yù)報獲取降雨強度，依據(jù)降雨強度評價指標模型確定該降雨強度應(yīng)對的指標值，指標值包括E1、E2、E3、E4四種類型。根據(jù)建立的降雨強度評價指標模型和地質(zhì)信息分區(qū)模型，動態(tài)確定邊坡最優(yōu)施工次序，步驟如下：

(1)指標值為E1時，分區(qū)施工次序為Z1優(yōu)先Z2優(yōu)先Z3；

(2)指標值為E2時，禁止Z1區(qū)域施工，分區(qū)施工次序Z2優(yōu)先Z3；

(3)指標值為E3時，禁止Z1、Z2區(qū)域施工，僅可對Z3區(qū)域施工；

(4)指標值為E4時，禁止對邊坡各分區(qū)施工。

依據(jù)施工期內(nèi)降雨強度指標值變換，循環(huán)上述(1)—(3)步驟，直至邊坡開挖完成，基于時序模型的邊坡最優(yōu)施工次序如圖4所示。

圖4 基于時序模型的邊坡最優(yōu)施工次序

2.3 工程應(yīng)用及效果

將基于時序模型的邊坡最優(yōu)施工次序應(yīng)用于Mirador銅礦排洪溝。排洪溝總長7.37km，其中南區(qū)排洪溝總長度為3.37km，北區(qū)排洪溝總長度4.0km，沿線邊坡地質(zhì)條件變化較大，巖土質(zhì)邊坡交替分布。傳統(tǒng)施工方法在具有高雨頻、大雨強特點的熱帶雨林地區(qū)施工過程中存在停工頻繁、施工進度難以滿足工程要求、大強度降雨對巖土質(zhì)結(jié)合部位及土質(zhì)邊坡沖刷破壞、影響邊坡安全穩(wěn)定等一系列問題。本工程邊坡施工過程中，全線根據(jù)時序模型擬定邊坡分區(qū)最優(yōu)施工次序，工程實踐表明應(yīng)用效果良好。

(1)根據(jù)降雨強度評價指標模型與邊坡分區(qū)模型關(guān)聯(lián)關(guān)系，確定合理的邊坡開挖次序，有效的減少了因降雨導(dǎo)致的邊坡停工次數(shù)，加快了工程施工進度。

依據(jù)南北區(qū)排洪溝沿線邊坡分區(qū)模型對施工區(qū)邊坡進行了合理分區(qū)，同時根據(jù)降雨強度評價指標模型對降雨強度進行了科學(xué)評價，合理地確定了不同降雨強度評價值對應(yīng)各邊坡分區(qū)施工次序，提高了各類降雨強度指標評價值下具有可施工邊坡的最大可能性，有效的減少了因降雨導(dǎo)致的邊坡停工次數(shù)，保證了工程施工進度。

(2)從根本上避免了強降雨天氣對土質(zhì)邊坡和巖土質(zhì)邊坡結(jié)合部位的影響，提高了邊坡穩(wěn)定性、減少了坡面流土對下游河道的污染。建立的降雨強度評價指標模型與邊坡分區(qū)模型關(guān)聯(lián)結(jié)果可知，當降雨強度評價指標模型指標值為E3和E4時，巖土質(zhì)邊坡結(jié)合部位、土質(zhì)松散和巖體破碎Z1區(qū)(例如南區(qū)排洪溝0+600～0+900)以及巖體較完整、土質(zhì)較耐沖區(qū)域Z2區(qū)(例如北區(qū)排洪溝2+300～2+500)為禁止施工區(qū)域，從根本上避免了強降雨天氣對巖體較完整、土質(zhì)較耐沖區(qū)域、土質(zhì)邊坡和巖土質(zhì)邊坡結(jié)合部位的影響，提高了邊坡穩(wěn)定性、減少了坡面流土對下游河道的污染。

3 強降雨條件下高邊坡排水方法研究

3.1 新型復(fù)合式邊坡急流槽結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對目前急流槽裝置存在的溝槽底板混凝土易被沖刷破壞、使用壽命有限、施工工期長、施工工藝復(fù)雜和結(jié)構(gòu)整體易失穩(wěn)問題，研發(fā)了1種簡單實用、高效經(jīng)濟的復(fù)合式邊坡急流槽結(jié)構(gòu)裝置。

(1)支撐體結(jié)構(gòu)設(shè)計：為保證裝置整體坐落在原狀地基，確保整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，外部支撐體采用混凝土現(xiàn)澆方式制作而成，外輪廓橫斷面為矩形，結(jié)構(gòu)尺寸為60cm×30cm(寬度×高度)，內(nèi)輪廓橫斷面為半圓形斷面，直徑為42cm，內(nèi)輪廓縱斷面呈波浪狀。如圖5所示。

圖5 支撐體結(jié)構(gòu)

(2)消能設(shè)計：為降低急流槽內(nèi)水流流速，防止溝內(nèi)出現(xiàn)高速水流，設(shè)計消能體通過消能作用提高急流槽使用壽命。內(nèi)部消能體材質(zhì)為硬質(zhì)PVC塑料管，縱斷面成波浪狀，浪高5cm，半周期浪長6cm，壁厚1cm；外部支撐體凸起與內(nèi)部消能體凹槽波紋通過混凝土實現(xiàn)膠結(jié)，內(nèi)部消能體大樣如圖6所示。

圖6 內(nèi)部消能體大樣圖

(3)銜接體設(shè)計：為滿足不同變坡長度條件下內(nèi)部消能體沿水流方向長度的調(diào)整，需要設(shè)計銜接體。銜接體由內(nèi)部消能體端部預(yù)留銜接孔、銜接螺栓和螺帽3部分組成。其中，預(yù)留銜接孔直徑為1cm，每個端部設(shè)置4個，共計8個；銜接螺栓直徑為1cm，長3.25cm；螺母內(nèi)徑1cm，外徑1.5cm。銜接螺栓穿過預(yù)留銜接孔，通過與螺帽的波紋連接，實現(xiàn)內(nèi)部消能體之間銜接，銜接體大樣如圖7所示。

圖7 銜接體大樣圖

新型復(fù)合式邊坡急流槽整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。其使用方便快捷，制作過程簡單：①在已開挖矩形溝槽內(nèi)澆筑5cm厚混凝土，形成外部支撐下部分結(jié)構(gòu)；②根據(jù)實際每級邊坡長度，通過銜接體實現(xiàn)內(nèi)部消能體縱向銜接。③將內(nèi)部消能體放置于外部支撐下部分結(jié)構(gòu)上方，其作為外部支撐體上部結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)模板，現(xiàn)場澆筑完成外部支撐體上部結(jié)構(gòu)，完成裝置制作。

圖8 新型復(fù)合式邊坡急流槽裝置縱剖面圖

3.2 新型復(fù)合式邊坡急流槽結(jié)構(gòu)安裝過程

(1)急流槽槽挖：根據(jù)施工圖要求放樣急流槽位置并在邊坡上進行槽挖，槽挖尺寸與急流槽外輪廓尺寸相同。

(2)內(nèi)部消能體制作：根據(jù)實際每級邊坡開挖長度，確定內(nèi)部消能體數(shù)目，并在消能體兩端進行鉆孔，制作預(yù)留銜接孔。銜接螺栓穿過預(yù)留銜接孔，通過與螺帽的波紋連接，實現(xiàn)內(nèi)部消能體連接與制作。

(3)外部輪廓體下部結(jié)構(gòu)混凝土澆筑：以坡面已開挖完成的溝槽(步驟(1)完成)為混凝土外輪廓模板，現(xiàn)場澆筑混凝土，澆筑厚度為5cm。

(4)外部輪廓體上部結(jié)構(gòu)混凝土澆筑：將制作完成的內(nèi)部消能體(步驟(2)完成)放置于外部支撐下部結(jié)構(gòu)(步驟(3)完成)上方，其作為外部支撐體上部結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)模板，現(xiàn)場澆筑完成外部支撐體上部結(jié)構(gòu)。

(5)通過外部支撐體凸起與內(nèi)部消能體凹槽波紋混凝土膠結(jié)實現(xiàn)連接。

3.3 工程應(yīng)用及效果

將新型復(fù)合式邊坡高效快速排水裝置應(yīng)用于Mirador銅礦，其可快速施工、高效排水，工程實踐表明其與傳統(tǒng)的排水方式優(yōu)勢明顯。

(1)與傳統(tǒng)“不設(shè)置臺階的混凝土矩形溝”急流槽裝置相比：傳統(tǒng)裝置存在高速水流對急流槽底板混凝土沖刷破壞，進而縮短急流槽使用壽命的問題；新型裝置采用波紋對急流槽內(nèi)水流進行消能，消能效果好，從南北區(qū)排洪溝邊坡應(yīng)用效果看，其可將急流槽內(nèi)水流由20m/s降低至10m/s，極大降低高速水流對溝內(nèi)底板混凝土的沖刷破壞的可能性，從而保證急流槽使用壽命。

(2)與傳統(tǒng)“設(shè)置臺階的混凝土矩形溝”急流槽裝置相比：由于傳統(tǒng)裝置需增加架立臺階模板和溝底綁扎鋼筋施工工序，施工工藝復(fù)雜，工期長，難以滿足工程要求；新型裝置施工工藝簡單，施工工期短，不需要增加架立臺階模板和溝底綁扎鋼筋施工工序，整體裝置通過外部支撐體凸起與內(nèi)部消能體凹槽波紋混凝土膠結(jié)便可實現(xiàn)連接，施工方便快速，可以滿足排洪溝實際工程對急流槽施工工期的要求。

(3)與傳統(tǒng)“具有波紋的半圓型塑料管”急流槽裝置相比：傳統(tǒng)裝置易發(fā)生水流向坡面滲入，造成結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)問題；新型裝置內(nèi)部消能體通過外部支撐體坐落至原狀溝槽基礎(chǔ)，并非直接坐落至原狀溝槽基礎(chǔ)，因此，不存在水向開挖坡面滲入問題，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 結(jié)語

(1)圍繞快速施工難題，提出的耦合降雨強度和地質(zhì)信息的施工時序模型在厄瓜多爾Mirador銅礦排洪溝百米級高邊坡成功應(yīng)用，有效減少了因降雨導(dǎo)致的邊坡停工次數(shù)，加快了工程施工進度。

(2)新型復(fù)合式邊坡高效快速排水裝置由外部支撐體、內(nèi)部消能體及銜接體3部分組成。該裝置采用波紋對急流槽內(nèi)水流進行消能，消能效果好，從厄瓜多爾Mirador銅礦排洪溝7.8km的高邊坡應(yīng)用效果來看，其可將急流槽內(nèi)水流由20m/s降低至10m/s，極大降低高速水流對邊坡的沖刷，從而保證邊坡局部及整體穩(wěn)定。

(3)新型排水裝置施工工藝簡單，施工工期短，施工方便快速，能滿足實際工程對邊坡快速排水的要求。