韩江高陂水利枢纽一期导流工程公路边坡爆破开挖稳定性分析

曾朋伟

(梅州市大埔韩江高陂水利枢纽工程建设管理处，广东 梅州 514200)

基础设施建设过程中，均会出现开挖边坡的现象。开挖边坡失稳破坏问题是工程建设过程中经常遇到的难题。何巍等[1]采用底摩擦试验研究开挖边坡变形破坏特征；结果表明开挖顺层开挖边坡稳定性情况较差，需采取相应的支护措施；施建业等[2]通过组合赋权获取影响开挖边坡稳定性的因素的权重，结合云模型方法预测边坡开挖稳定性，结果较为准确；许建文等[3]使用FLAC数值模拟方法研究顺层开挖边坡的稳定性情况，揭示了边坡开挖后的变形过程。目前，研究边坡开挖稳定性的方法主要为：物理模拟方法[4-6]和数值模拟方法[7-9]。其中，物理模拟方法可直接再现边坡变形破坏过程，数值模拟方法试验过程较为简便，可进行多次试验。前人研究多集中于边坡开挖施工后的边坡稳定性情况研究，本文以韩江高陂水利枢纽一期导流工程公路边坡为例，研究开挖边坡爆破扰动时的稳定性情况及响应特征规律。

1 工程概况

韩江高陂水利枢纽工程为二等大(2)型工程，位于韩江干流，主要承担防洪、供水的作用。新建公路工程包括右岸上坝道路(桩号YSK0+000-YSK1+244.04)及右岸库周道路九龙村前段(桩号YJK0+000-YJK0+550)的右岸道路合计里程为1.794km。起于右岸管理营地入口处的山嘴上游侧附近(即右岸库周道路九龙村前段桩号YJK0+550)，终于下游河床收窄处的山嘴下游侧附近(即右岸上坝道路YSK1+244.04)，道路两端与S222省道顺畅衔接。道路为二级公路，设计速度为60km/h，设2车道，路基宽12m=0.75m(土路肩)+1.5m(硬路肩)+2×3.75m(行车道路面)+1.5m(硬路肩)+0.75m(土路肩)。

2 开挖边坡概况

使用爆破开挖的方式开挖边坡石方，为保证开挖面的平整度以及降低对永久边坡的扰动，采用预裂爆破。边线控制参照马道，两级马道间隔高度为10.0m，每5.0m即爆破一次。在马道处铺设2.0m厚的爆破缓冲区，降低爆破震动的扰动。爆破缓冲区采用少药量多孔的爆破方式，其他部位使用深孔梯段微差爆破，从而控制爆破残渣的粒度，降低震动对边坡的扰动，同时也可以提升爆破效果。爆破是钻孔使用液压钻机造孔，炸药采用乳化炸药，起爆方式为非电毫秒雷管起爆。

边坡岩土体物理力学参数见表1。

表1 边坡岩土体物理力学参数

3 爆破开挖边坡稳定性分析

3.1 数值模拟模型建立

根据公路开挖过程中典型断面建立有限元数值模拟模型，典型开挖断面如图1所示。边坡开挖分为6级，1～3级开挖坡比为1∶1.5；4～6级开挖坡比为1∶0.5；从上至下为1～6级边坡，其中1～5级边坡坡高为10.0m，6级边坡坡高为19.0m。各级边坡的坡肩和坡脚均设置监测点，从上至下依次为监测点1～12，监测位移和速度变化情况。

图1 典型开挖断面

3.2 爆破开挖荷载研究

3.2.1加速度时程曲线

通过现场实际调查，结合类似工程经验[10]，以加速度的形式表示开挖施工时的爆破荷载，加速度时程曲线如图2所示，荷载作用与坡表，可传输至每个节点单元。加速度作用时间为1.6s，最大加速度值为9.67m/s2，计算模拟第4级边坡开挖施工。

图2 加速度时程曲线

3.2.2等效荷载研究

在FLAC数值模拟软件中，可假定爆破荷载上升时间为2ms，荷载减弱时间为4ms，总作用时长为6ms。此时荷载作用曲线如图3所示。

图3 爆破等效荷载曲线

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1未考虑爆破荷载边坡稳定性分析

根据建立的数值模拟模型，计算边坡开挖后的稳定性情况，获取边坡安全系数。通过FLAC3D软件中的强度折减法，计算边坡安全系数，计算结果为Fs=1.32>1.20，边坡处于相对安全的情况，不考虑边坡开挖爆破荷载的影响，此时边坡处于相对安全状态。

3.3.2爆破荷载影响下边坡安全系数分析

将爆破加速度时程曲线结果输入至建立的Geo-studio模型中，设计爆破位置为第5级边坡，获取边坡安全系数随时间的变化结果。计算结果显示平均安全系数为1.201>1.20；在爆破荷载影响全过程中，最小安全系数小于0.50，最大安全系数为2.85。安全系数随爆破时间变化曲线如图4所示。该方法获取了安全系数随爆破时间变化的动态过程，其结果可为边坡支护设计提供参考。

图4 Fs随时间变化曲线

由图4可知，安全系数Fs不是一个稳定的值，其大小随时间变化波动较大(0.1 ～ 2.9)。在部分时间段内安全系数Fs大于1.20，这时边坡安全系数较高，处于相对安全的水平，但仍有部分时刻安全系数Fs小于1.20，此时边坡安全性较差。但瞬时的安全系数低于1.20并不能表明边坡将会发生大规模的整体失稳，实际工程中，瞬时安全系数较低，通常发生小规模的局部破坏。

3.3.3爆破荷载影响下边坡位移响应

设计爆破位置为第5级边坡，各个监测点最大位移监测结果见表2。根据表2可知，距离爆破荷载作用面的距离越远，水平方向位移逐渐增大。

表2 各监测点位移

3.3.4爆破荷载影响下边坡变形速度分析

设计爆破位置为第5级边坡，均质斜坡中，爆破开挖各监测点变形速度波动特征基本一致，距离爆破源位置越远，则变形速度最小值越大，但最大变形速度保持一致。在爆破扰动结束后，变形速度逐渐降低，约1.0s后接近于0。

3.3.5爆破荷载影响下边坡塑性区分析

设计爆破位置为第5级边坡，边坡爆破开挖，塑性区主要分布于开挖级边坡范围内，随着开挖过程，塑性变形区逐渐变化。爆破扰动对边坡整体稳定性影响较小，但仍然存在一定扰动，在施工过程中，应当严格控制施工炸药用量，避免造成边坡破坏，诱发安全事故。

4 结论

(1)结合工程实例，使用数值模拟研究静态开挖下边坡安全系数，计算结果表明边坡稳定性较好。

(2)爆破开挖扰动下，部分时间段边坡安全系数较低，可能发生小规模的局部破坏，在施工过程中，需要严格按照爆破标准爆破开挖。

(3)通过监测点监测结果可知，距离爆破源越远边坡响应越明显，边坡位移越大，最小变形速度越大。