摘要： 城市给水管道的施工场地狭窄，其沟槽开挖施工受多种因素的影响，容易产生边坡失稳问题。在对给水管道工程的施工技术分析的基础上，通过建立物理模型分析了不同密实度、含水率条件下不同状态土质边坡的稳定性，测试结果表明不同状态的土体边坡稳定性会随着压实程度而提高，边坡土体的含水率应控制在最佳含水率范围内，土质边坡在降雨时应采取防护措施防止其被雨水侵蚀。
关键词： 给水管道；沟槽边坡；含水率；降雨；稳定性
中图分类号：U175 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）16-0144-02
0 引言
给水管网是现代城市市政工程建设的重要内容，城市给水管道工程的铺设需要先开挖沟槽，但由于施工场地通常较为狭窄，一般将管道沟槽按照直壁式或梯形进行开挖施工，受到土体变形、外界自然因素及人为因素的影响，沟槽边坡土体内部的应力场会进行重新分布，可能会导致沟壁土体稳定性的降低，特别是施工单位对其不够重视，不能及时采取相应的支护措施进行加固，容易造成沟槽边坡土体的坍塌，甚至造成人员伤亡[1]。由于管道沟槽边坡稳定性受到多种因素的影响，使得边坡稳定性分析变得十分困难。因此，需要通过试验来获取不同条件下边坡稳定性分析的计算参数，从而根据管道沟槽边坡稳定性分析的结果，提出合理的支护方案。
1 市政给水管道工程的施工技术
与其他市政工程的管道施工一样，给水管道的施工一般也是按照槽开挖、沟壁支撑、管道基础与管道铺设、沟槽回填等施工流程进行[2]。
1.1 沟槽开挖
市政给水管道沟槽开挖主要是确定断面形式与断面尺寸、开挖方法两个重要内容。沟槽断面形式与断面尺寸的确定需要考虑工程现场的土质、地下水位、管道形状与截面尺寸、管道埋深及沟槽开挖方法等影响因素。通常沟槽断面形式有直槽、梯形槽、混合槽和联合槽等四种形式，断面尺寸主要由挖深、底宽、槽帮坡度、槽层和层间留台宽度等参数决定，通过合理确定管道沟槽的形式与断面可以为管道的施工创造良好的条件，从而提高工程的施工进度，并减少施工费用。城市给水管道沟槽的开挖有人工开挖和机械开挖两种施工方法，人工开挖施工适用于管径小、方量少或施工现场狭窄、地下障碍物多的工程，机械开挖施工的速度快、效率高，条件允许时尽量采用机械开挖施工。此外，对于地下水位较高路段的沟槽开挖，还应考虑沟槽开挖或施工降水引起地下水渗流特性改变的影响。
1.2 沟壁支撑
为减少管道沟槽的挖方量、缩小施工占地面积、保证沟槽边坡稳定，需要在市政给水管道沟槽沟壁进行支撑。市政给水管道沟槽沟壁的支撑结构较多，主要有井字撑、稀撑、横板密撑、立板密撑、板桩撑等多种，一般根据工程现场的土质、水文情况、沟槽断面形状与尺寸、地面环境及工程工期等因素综合确定。
1.3 管道基础与管道铺设
市政给水管道的铺设安装主要包括基础施工、下管、稳管、接口、接口检查、质量验收等6项内容。市政给水管道的基础包括地基、基础和管座三个部分，通常采用素土、灰土、砂垫层、混凝土等四种类型的基础，在具体工程施工中，应根据工程的地质条件、管道类型、水文特性及施工条件等因素综合确定。给水管道下管有人工下管法和机械下管法两种，在下管时，需根据具体工程的实际情况选择稳管的方法。管道安装完成后，还应在管道的接口部位采用水泥砂浆、沥青麻布、石棉沥青带等进行包裹与封闭。最后，还需对管道的安装质量进行检测，及时发现和处理出现的问题。
2 给水管道沟槽土质边坡的施工特性
2.1 给水管道工程施工特性 城市给水管道工程是一项综合性很强的工程，其施工场地通常较为狭窄，而且常常与其他管线交错布置，导致其工程施工十分困难。给水管开挖完成的管道沟槽会受到自身重力、槽边积土压力、雨水作用力及渗流作用的影响，而且市政给水管道还会受到相邻构筑物和其他市政管线的影响，导致其沟槽边坡的稳定性问题十分复杂[3]。但在实际工程施工中，许多施工企业为节约成本、加快施工速度，常常会忽视对危险沟槽的支护，反而容易因边坡土体坍塌影响施工质量及进度，甚至造成人员伤亡。因此，需要对不同状态的土体在不同含水率及密实度条件下管道沟槽边坡的稳定性进行分析。
2.2 沟槽土质边坡的破坏过程分析 从土体表现的物理状态来看，主要有松散、中密、密实三种，但不同状态的土体的工程特性存在较大差异，导致不同状态土质边坡的破坏在机理上也有所不同。
2.2.1 松散状态土体 松散状态土体基本上是以单粒结构形式存在的，通常颗粒较为粗大，颗粒之间的接触基本是点接触，颗粒之间的作用力很小。在自然堆积状态下，由于土体颗粒大小差别较大，粗颗粒在土体中起到骨架作用，细颗粒则填充在粗颗粒之间的孔隙中，但细颗粒并不能完全填充粗颗粒之间的孔隙，使得土体的重力基本由粗集料骨架来承受，导致其稳定性较差，容易引起边坡土体的坍塌，破坏横断面通常为斜平面。
2.2.2 中密状态土体 中密状态的土体通常是受到外力作用，导致土体颗粒产生移动，沿着某一方向重新排列，使得土颗粒相互填充与挤密，使得土体颗粒之间具有一定的联结力，从而形成较为紧密的结构，从而提高土体的力学性质和稳定性。当其产生破坏时，破坏面通常会呈现凹凸不平的曲面状态。
2.2.3 密实状态土体 当土体在较大荷载作用后，土体的物理性质会发生变化，土体可能会由松散状态逐渐向中密状态、密实状态转变。在土体压实的过程中，土体颗粒之间的空隙会减小，土体变得更加密实，使得颗粒之间的摩阻力增加，颗粒间的联结力得到增长。随着土体密实度的增加，土体的稳定性会得到提高。
3 沟槽土质边坡的稳定性分析
3.1 边坡稳定性试验 与一般的致密和均匀材料不同，土体中含有固体颗粒、水和空气三种物相，其力学性质与其自身内部结构的组成密切相关，而且容易因外界条件的改变而发生变化，导致土体内部应力发生变化，可能引起边坡体系稳定性的下降[4]。因此，针对不同状态土体的力学特性，采用22cm×30cm×30cm的模型槽来模拟松散状态土体边坡的受力情况，用30cm×30cm×30cm的立方体模型槽来模拟中密状态和密实状态土体边坡的受力情况。 3.2 含水率对土体稳定性的影响 自然的土质边坡土体均具有含有一定的水，但由于不同土质土体的含水率不同，土质边坡常常会表现出不同的力学特性。同种土体由于含水率的不同，也会导致土体状态和性质的重大变化。但由于在自然环境中，土体中的含水率极易受到外部环境的干扰，导致含水率发生变化，从而导致土体力学性能的变化。因此，含水率的变化对边坡稳定性具有较大的影响，需要对其进行试验分析。
通过在不同含水率条件下细砂的模型槽边坡稳定性的测试结果可以看出，土体的黏聚力会随初始含水率的增大而下降，但内摩擦角受初始含水率变化的影响则较小，随着土体中含水率的增加，土体的黏聚力会增加，但内摩擦角则会减小，土体总体稳定性得到增加。当土体的含水率增加到一定限值时，土体的稳定性又会随着含水率的增加而出现降低，这表明土体的含水率对黏聚力与内摩擦角的影响很大，是影响土体稳定性的重要因素。因此，在市政给水管道沟槽的施工中，应严格控制土质边坡合理的含水率，确保其具有较佳的稳定性。
3.3 降雨对土体稳定性的影响 由于砂性土体的渗透性较大，水会沿着砂土的孔隙向土体内部渗透，使得土体颗粒之间的摩擦角下降，并导致土体的孔隙水压力上升，而孔隙水压力又会对土体颗粒产生浮托力，这进一步导致土体颗粒之间相互作用力的减小，而且使得土体的内摩擦力也下降，这就造成了整个土体边坡有效应力减小和抗剪强度的下降。随着含水率的进一步增加，边坡的强度和稳定性都会急剧下降，当下滑力超过土的抗剪强度时，就会导致边坡土体的失稳破坏。
通过对砂土边坡在不同降雨强度时土体下滑量随降雨历时变化情况的测试结果可知，砂土边坡会在80mm/h强降雨后2h～3h时开始下滑，在20mm/h弱降雨后10h左右时开始下滑，这表明不管降雨的强度大小，砂土在降雨量达到一定数值时均会产生滑坡，降雨是导致沟槽边坡产生失稳现象的决定性因素，当降雨强度较高、持续时间较长时，造成边坡坍塌的危害也很大。在中等强度的持续降雨条件下，边坡顶部的雨水会沿着边坡较为均匀地流过，这会使土质边坡表面的土体流失，导致边坡斜坡向后移动，而长时间的降雨会使水流汇集于低凹处，并最终形成线状流使得坡面产生细沟，导致土质边坡坡面的侵蚀由面状侵蚀变为沟状侵蚀，沟状水流的搬运力则远远大于坡面水流。因此，持续高强度的降雨是市政给水管道沟槽边坡破坏和失稳的重要外力，在工程施工时，应采取有效措施进行防护。
城市给水管道沟槽按照直壁式或梯形进行开挖施工，由于施工场地狭窄，沟槽开挖施工受多种因素的影响，极易产生边坡失稳问题。土质边坡的受力特性会随着土体含水率的变化，在工程施工中应特别注意边坡土体含水率的变化，并采取适当的措施保证边坡土体的含水率在合理的范围内，而且管道沟槽边坡受降雨的影响也很大，应避免在雨季进行管道施工。
参考文献：
[1]伍国勤.市政工程污水管道深沟槽开挖施工技术探讨[J].科技致富向导，2010（22）：122～124.
[2]崔小艳.基坑边坡失稳及其防止措施[J].城市建设理论研究（电子版），2012（13）.
[3]李喆.浅谈市政工程沟槽开挖设计及工程质量技术措施[J]. 城市建设理论研究（电子版），2012（1）.
[4]李福荣.公路工程边坡稳定性研究[J].黑龙江交通科技， 2011（7）：87～88.