水利水电工程高边坡开挖与支护施工技术及稳定性监测

一、引言

在水利水电工程建设中，常常会遇到高边坡的处理难题。这些高边坡具有坡度高、地质复杂等特点，其稳定性不仅关系到工程施工的安全与进度，还对周边环境有着重要影响。一旦发生失稳破坏，可能导致严重的人员伤亡和财产损失。因此，研究高边坡的开挖与支护施工技术以及建立完善的稳定性监测体系至关重要。

二、高边坡的特点及挑战

（一）特点

1. 高度大：通常高度远超普通土质边坡，有的甚至达到百米以上，这使得重力作用下的下滑力巨大。

2. 地质条件复杂多样：可能穿越多种岩层，如岩石、破碎带、软弱夹层等，不同岩层的物理力学性质差异著，增加了设计和施工的难度。

3. 临空面暴露时间长：由于施工周期较长，边坡长时间处于临空状态，受风化、雨水侵蚀等自然因素的影响较大。

（二）挑战

1. 安全性要求极高：必须确保在整个施工过程中边坡保持稳定，防止坍塌、滑坡等事故的发生。

2. 施工难度大：复杂的地质条件限制了大型机械设备的使用，且对施工工艺和操作精度提出了更高的要求。3. 环境保护压力大：施工过程中产生的扬尘、噪声以及对植被的破坏等都可能对周边生态环境造成不良影响。

三、高边坡开挖施工技术（一）分层分段开挖

1. 原理与方法：按照从上到下、逐层递减的原则进行分层开挖，每层厚度根据地质情况和设备能力确定。同时，将整个边坡划分为若干个段落，交替进行开挖作业。这样可以有效分散应力，避免一次性大面积揭露导致边坡失稳。例如，在某水电站工程中，采用分层高度为5 - 8 米的开挖方式，每段长度控制在20 - 30 米之间。2. 优势：有利于及时进行支护结构的施工，缩短边坡暴露时间；便于控制开挖质量和进度；能够更好地适应地质变化，灵活调整施工方案。

（二）预裂爆破技术

1. 原理与参数设计：在主体爆破前，先沿设计轮廓线进行预裂爆破，形成一条贯穿裂缝，使得主爆区的地震波得到衰减，减少对保留岩体的扰动。预裂孔间距一般为0.5 - 1.0 倍孔径，装药量控制在适当范围内，以确保预裂效果良好。在实际工程中，通过试验确定最佳的预裂参数，如某工程中预裂孔间距取0.8 米，采用不耦合装药结构。

2. 作用效果：保护了边坡岩体的完整性，降低了爆破振动对周边建筑物的影响；提高了边坡成型质量，减少了超挖和欠挖现象。

（三）光面爆破技术

1. 工艺要点：周边孔采用密布小直径药卷的方式，严格控制单孔装药量和起爆顺序，使爆破后的边坡表面平整光滑。同时，配合使用缓冲材料包裹炸药，进一步减轻爆炸冲击波对岩体的破坏。在一些对外观质量有较高要求的水利水电工程中广泛应用。

2. 质量标准：要求半孔残留率不低于一定比例（通常为 90%以上），超欠挖量控制在允许范围内，以保证边坡的稳定性和美观性。

四、高边坡支护施工技术

（一）锚喷支护

1. 组成与工作原理：由锚杆、喷射混凝土和钢筋网组成。锚杆深入岩体内部，将不稳定的岩块锚固在稳定的岩层上；喷射混凝土封闭坡面，防止风化和雨水冲刷；钢筋网则增强了喷射混凝土的整体性和抗弯能力。三者协同作用，共同提高边坡的稳定性。例如，在某水库大坝上游边坡采用了全长粘结型锚杆与C25 喷射混凝土相结合的支护方式。

2. 设计与施工要点：根据边坡的高度、坡度、地质条件等因素确定锚杆的长度、间距和直径，以及喷射混凝土的厚度和配合比。施工时要确保锚杆注浆饱满，喷射混凝土均匀密实。

（二）格构梁支护

1. 结构形式与功能：用混凝土浇筑成网格状的结构框架覆盖在边坡表面，形似格栅。它可以有效地分割坡面，增强坡体的整体性和抗滑能力，同时便于排水沟渠的设置。常用于处理浅表层滑坡或松散堆积体的加固。2. 施工流程：先进行基础开挖和平整，然后绑扎钢筋骨架，立模浇筑混凝土形成格构梁。在节点处加强配筋，以提高结构的强度和稳定性。

（三）抗滑桩支护

1. 适用场景与设计原则：当边坡存在深层滑动面时，采用抗滑桩进行治理。抗滑桩穿过潜在滑动面深入稳定地层，利用桩身的摩阻力和端承力来抵抗滑坡推力。设计时要准确计算滑坡推力大小和方向，合理选择桩的位置、尺寸和数量。某大型水利枢纽工程下游边坡因存在深层软弱夹层而设置了多排抗滑桩。

2. 施工关键技术：包括成孔工艺（如人工挖孔、机械钻孔）、钢筋笼制作安装、混凝土灌注等环节。要保证成孔质量，防止塌孔和缩径；确保钢筋笼位置准确，混凝土连续浇筑不间断。

五、高边坡稳定性监测技术（一）监测项目与仪器选型

1. 位移监测：使用全站仪、GPS 接收机等测量边坡表面的水平和垂直位移变化。对于重点部位，可埋设多点位移计进行内部位移观测。这些数据能够直观反映边坡的整体变形趋势。

2. 应力应变监测：通过在关键部位安装应变计、应力计等传感器，实时采集岩土体的应力应变状态信息。有助于了解边坡内部的受力情况，判断是否存在安全隐患。

3. 地下水位监测：设置水位观测井，定期测量地下水位高度变化。因为地下水位波动会影响岩土体的抗剪强度和重度，进而影响边坡稳定性。

（二）数据采集与分析方法

1. 自动化采集系统：利用数据采集仪连接各类传感器，实现数据的自动采集和传输。该系统可以大大提高数据采集的效率和准确性，减少人为误差。

2. 数据分析软件应用：运用专业的数据处理软件对监测数据进行处理和分析，绘制位移 - 时间曲线、应力应变云图等图表。通过对曲线形态和数值大小的解读，评估边坡的稳定性状况，预测发展趋势。

（三）预警机制建立

1. 阈值设定依据：根据设计规范、类似工程经验和理论计算结果，设定各项监测指标的预警阈值。当监测数据接近或超过阈值时，及时发出警报信号。例如，规定水平位移速率大于一定数值时启动预警程序。

2. 应急响应措施：制定详细的应急预案，包括人员疏散路线、抢险物资储备、应急救援队伍组建等内容。一旦收到预警信息，立即组织实施相应的应急措施，确保人员安全和工程安全。

六、结论与展望

综上所述，水利水电工程高边坡开挖与支护施工是一项极具挑战性的工作。通过合理选择开挖技术和支护结构形式，并辅以科学有效的稳定性监测手段，能够确保高边坡在施工期间的稳定性。然而，随着工程建设规模的不断扩大和技术要求的不断提高，未来还需要进一步加强新技术的研发和应用，如智能化施工设备、高精度监测仪器等；同时，注重多学科交叉融合，提高工程设计和施工的科学性和合理性。只有这样，才能更好地应对日益复杂的高边坡工程问题，推动水利水电事业的发展。

参考文献

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[2] 李焯芬,陈祖煜.岩土工程极限分析有限元法入门与精通[M].武汉:武汉大学出版社,2009.

[3] 周德培,戚昌济.现代边坡工程学[M].南京:河海大学出版社,2014.