高陡岩质坝肩开挖卸荷效应及边坡长期稳定性评价方法

引言

在高山峡谷型水电工程中，坝肩及岸坡通常呈高陡分布，岩体完整性及稳定性直接关系到工程的安全与寿命。由于坝肩开挖需在高差大、边坡陡的条件下进行，岩体原有的应力场被扰动，常伴随卸荷裂隙的产生与扩展。这一过程不仅改变了岩体力学性质，还可能诱发崩塌、滑坡等地质灾害。高海拔地区复杂的气候条件及长期水文作用，使卸荷效应与边坡变形呈现出时空叠加的复杂特征。因此，建立一套科学的卸荷效应分析与长期稳定性评价方法，对指导设计优化、施工控制及运行期安全管理具有重要意义。本文结合某高海拔水电站坝肩开挖支护施工方案，系统研究高陡岩质边坡在开挖过程中的卸荷机理、控制措施及稳定性评价方法，为类似工程提供理论与实践参考。

一、坝肩地质与工程特征分析

（1）地形地貌特征

研究区位于青藏高原南缘高山峡谷地貌带，地势险峻，河谷横断面呈典型的“V”形结构，谷底狭窄，两岸山体高差悬殊，景观与地质特征鲜明。坝肩区最大开挖高度可达 60 米，坡比为 1:0.5，为保证施工安全与边坡稳定，每隔 20 米设置一道马道，形成分级开挖与分层支护的条件。左岸地形较为平缓，坡面连续性好，施工机械通行与作业相对便利；右岸则表现为高差大、坡度陡、地表起伏强烈，局部存在陡壁与碎石堆积区，对施工组织、设备布置及安全防护提出了更高要求。整体地形条件决定了施工过程中需结合地形变化灵活布设支护与防护体系，保障开挖稳定性与作业安全，同时在交通组织、材料运输及作业平台布置方面也需进行精细化设计与管理。

（2）地质构造特征

根据设计相关地质资料，坝肩区域内未发现具有区域性规模的大断层，但可以见到多条小型断层及挤压破碎带，局部还存在强风化夹层。这些不连续面与软弱带在空间上的分布较为复杂，对岩体整体结构完整性造成一定影响。节理裂隙发育程度较高，走向与倾向多样，构成了复杂的结构面网络。该区岩体主要由中粒黑云二长花岗岩组成，岩性坚硬致密，整体力学性质优良，局部区域可见中细粒岩体出露，纹理清晰，矿物颗粒结合紧密。然而，在强风化作用和结构面切割的共同影响下，部分岩体力学性能出现明显下降，抗剪与抗压强度减弱。局部破碎带内岩块松散，节理面开口度增大，易在外力或地下水作用下产生滑移、剥落等失稳现象，这对坝肩区工程建设与长期稳定性提出了更高要求。

（3）水文地质条件

坝址区内地下水类型以裂隙水为主，主要补给来源包括大气降水、季节性融雪以及来自周边地区的地下径流。由于地质条件复杂，地下水埋深存在较大变化，不同地段的水位差异明显，这种不均匀性在工程开挖过程中会对边坡稳定性造成影响。在强卸荷与强风化带内，岩体结构疏松、力学强度降低，裂隙的发育为地下水渗流提供了通道，易引发局部水压力升高。当裂隙中有水长期作用时，岩体节理面及风化层可能发生软化，抗剪强度显著下降，从而诱发滑移、坍塌等失稳现象。尤其在降雨集中期或雪融水补给期，渗水量骤增，软化破坏风险显著提高，需要在设计与施工阶段采取有效的排水与支护措施，以降低地下水对边坡稳定的不利作用。

高陡岩质坝肩卸荷效应机理

（1）卸荷效应成因

坝肩开挖作业打破了原岩体长期形成的应力平衡状态，使坡面裸露，导致原先处于受压状态的节理面逐渐张开。随着岩体表层的约束条件被削弱，内部应力重新分布，形成由表向内逐渐衰减的卸荷带。应力释放过程中，岩体原有的弹性应变部分转化为不可逆的永久变形，使局部结构发生调整与松弛。在这一过程中，受拉区域可能出现张性裂隙，裂隙的产生不仅改变了岩体的力学性质，还为后续水体入渗、风化作用及进一步破坏提供了通道。卸荷带的形成与节理结构、坡面形态及地质条件密切相关，其分布范围和强度对边坡稳定性具有重要影响。通过监测应力变化及裂隙发育情况，可以为坝肩边坡的支护设计和长期稳定性评估提供可靠依据，确保工程运行的安全性与耐久性。

（2）卸荷带分布特征

右岸强卸荷带的水平延伸深度通常在 30～60m 之间，左岸则多为 20～40m ，表现出一定的岸别差异。弱卸荷带的分布范围更大，可延伸至 50～100m ，在整体结构中形成由强到弱的渐变格局。观察发现，边坡高程越高的部位，其卸荷深度往往更大，这与坡体所具有的自由面数量及其构造组合关系密切相关。自由面数量增加会使岩体受应力释放的通道更多，卸荷作用得以向更深处传递，而构造面的组合特征则影响应力释放的方向与范围，进而控制卸荷带的空间形态。在地质构造发育、坡面开阔且多自由面的高程区域，卸荷效应更为显著，形成深部强卸荷带；而在构造面较少或受限的低高程部位，卸荷深度相对较浅。这一规律为边坡稳定性评价及防护设计提供了重要的地质依据。

（3）卸荷效应演化

在边坡开挖的初始阶段，受应力重新分布的影响，岩体内部原有节理会发生张开，形成初步的结构松动迹象。随着开挖的深入，这些节理之间的裂隙逐渐发生连通，构成一个相对连续的松弛区，使岩体整体完整性下降。进入长期服役阶段，在风化、降雨入渗以及地下水作用等环境条件的综合影响下，卸荷裂隙内部会发生进一步劣化，裂隙宽度增大、表面粗糙度降低，导致岩体抗剪强度和黏聚力逐渐衰减。这种变化不仅削弱了岩体的承载能力，还为潜在滑动面的形成提供了条件。一旦滑动面贯通并达到临界规模，边坡的稳定性将显著下降，存在发生失稳或滑移的风险。因此，必须在开挖及运行阶段持续监测卸荷裂隙的发展状况，并采取针对性的支护与防护措施，以延缓劣化进程，确保工程的长期安全。

三、边坡稳定性影响因素分析

（1）几何条件与施工方式

坡高、坡比及马道布设是决定边坡整体稳定性的重要几何因素。随着坡高的增加，岩土体自重所产生的滑动力会显著增大，结构稳定性面临更大挑战；若坡比过大，坡面趋于陡直，不仅增加了潜在滑动面的倾角，还提高了滑动势能，使失稳风险上升。合理的坡角设计能够在保证工程开挖效率的同时，降低滑移发生的可能性。在高边坡开挖中，通过分层分段施工并在各分段之间设置马道，可有效切断潜在滑动面连续性，减少高差对稳定性的累积不利影响。马道还可作为施工与维护的通行平台，便于后续支护作业及排水设施布设。科学确定坡高与坡比，并结合适宜的马道布局，不仅能改善边坡受力状态，还能延长结构服役寿命，确保工程运行的安全性与可靠性。

（2）岩体结构与物理力学特性

节理的密度、取向及组合方式直接决定了岩体的结构完整性与稳定性。当节理密度较大且分布不均时，岩体被切割成多个块体，整体性显著下降，更容易在外力作用下发生滑移或坍塌。若节理走向与坡面平行，并伴有较低的摩擦系数或软弱夹层，则极易形成卸荷滑移带，成为潜在的破坏面，显著降低边坡的抗滑能力。相反，坚硬致密、节理稀疏且相互交错形成稳定结构的岩体，能够有效分散和抵抗外部荷载，表现出较强的抗卸荷破坏能力。节理组合的空间结构关系也会影响破坏模式，例如贯通节理可能导致整体崩落，而封闭节理则更多引发局部剥落。在边坡设计与治理中，准确识别节理特征并结合力学分析进行稳定性评价，是制定合理支护和防护方案的重要前提。

（3）环境与水文作用

降雨和融雪的入渗过程会使坡体裂隙内充满水分，水的浸润不仅增大了裂隙内的孔隙水压力，还加快了裂隙的扩展速度，从而削弱岩体的整体结构稳定性。在饱水状态下，岩体的有效应力显著降低，抗剪强度随之减弱，滑动和失稳的风险明显增加。在寒冷地区，水分渗入裂隙后遇低温冻结，体积膨胀产生较大胀裂压力，促使裂隙不断扩展与贯通；当气温回升时，冰雪融化又使裂隙进一步张开并形成新的微小结构破坏。长期的冻融循环会导致岩体表层及内部结构的持续劣化，岩块松动、剥落现象逐渐显现，边坡稳定性不断降低。这种物理—水文作用的耦合过程，往往是边坡长期退化与破坏的重要驱动因素，需在设计与防护中充分考虑并采取有效的排水与保温措施加以应对。

四、卸荷效应控制与支护设计原则

（1）分层爆破与保护层预留

在边坡爆破施工中，采用预裂与主爆相结合的爆破方式，可有效控制爆破振动强度与能量传递方向。预裂爆破通过在设计位置形成规则裂缝，使主爆能量在预设范围内释放，从而减弱对坡体外侧岩体的破坏作用。为进一步保护坡面结构稳定性，每级马道在爆破时预留 1.5m 厚的保护层，作为隔离缓冲带，减少爆破应力波对坡表岩体的直接冲击。该保护层可有效抑制新裂隙的产生与已有裂隙的扩展，避免因爆破引起的边坡松动和卸荷加剧。组合爆破方式的应用不仅有助于保持坡面平整与结构完整，还能降低施工过程中的环境振动影响，减少对周边设施与结构的潜在威胁。通过科学设计爆破参数与严格控制施工流程，可在保证施工效率的同时显著提升边坡的长期稳定性与安全性。

（2）支护同步施工

在边坡开挖工程中，上层开挖完成后应立即实施锚杆、挂网及喷射混凝土等支护措施，以防止边坡长时间暴露在自然环境下，引发卸荷裂隙的进一步扩展和边坡稳定性降低。及时支护能够有效约束坡体表层位移，保持结构完整性，减少风化、雨水侵蚀及应力释放的不利影响。锚杆设计选用直径 Φ25–Φ28mm 的高强钢筋，既保证了足够的抗拉承载力，又兼顾了施工便利性。布置间距为 4×4m，能够在保证覆盖密度的同时减少冗余施工，提高经济性。挂网与喷射混凝土形成表面封闭层，可阻隔外部水分和风化作用对坡面的直接影响，并与锚杆形成整体受力体系。该方案在控制卸荷发展的同时，可显著提升边坡的长期稳定性，为后续施工及运行安全提供坚实保障。

（3）排水与截水措施

在边坡防护与稳定控制中，通过在全坡面布设梅花型排水孔，可实现对坡体内部渗水的有效疏导。该布置方式能够均匀覆盖坡面不同位置，使地下水沿既定通道排出，降低坡体孔隙水压力，从而减缓因水力作用引发的结构强度衰减。坡顶设置截水沟，可以截断来自坡顶及上部汇水区的地表径流，防止其直接渗入坡体内部，减少坡面土体与岩体的浸润范围。两项措施形成内外结合的防渗系统，既从坡体内部排出滞留水，又从坡体外部切断水源补给，有效延缓卸荷裂隙的扩展与劣化过程。这种排水与截水相结合的设计，不仅提升了坡体整体稳定性，还能在长期运行中降低维护频率与成本，为边坡安全提供持续保障。

五、边坡长期稳定性评价方法

（1）监测指标体系

在地下工程运行与施工过程中，通过建立完善的多参数监测体系，可实现对围岩与支护结构状态的全面掌握。位移监测能够反映围岩整体变形趋势，及时捕捉潜在的不稳定迹象；裂隙张开量监测有助于判断裂缝扩展速率与方向，从而评估结构安全余量；地下水位变化监测可揭示地下水对围岩稳定性及支护系统受力状态的影响；锚杆应力监测则能够直接反映支护构件的受力变化与安全裕度。将上述监测数据进行统一采集与标准化处理，建立动态评价数据库，可实现实时数据的自动更新与趋势分析，便于工程管理人员快速判断安全状态并制定针对性的养护或加固措施。该数据库不仅提升了监测结果的可视化与可追溯性，还为长期安全评估与优化设计提供了可靠的数据支撑。

（2）数值模拟分析

在地下工程开挖过程中，采用三维有限元模型对围岩应力重分布与卸荷区的发展进行动态模拟，可直观反映不同施工阶段的受力变化与变形趋势。模型中精确输入岩体力学参数、支护结构特性及施工工序顺序，能够在虚拟环境中再现开挖引起的应力迁移和卸荷范围演化。为提高计算结果的可靠性，可将现场监测数据引入反演分析，通过对实测的位移、应力及裂隙扩展信息与模拟结果进行对比修正，不断优化模型参数，使模拟与实际工程状态高度吻合。该方法不仅能预测后续施工阶段可能出现的应力集中与变形风险，还能为支护设计调整与安全管理提供实时的科学依据，从而提升工程的稳定性与安全性。

（3）综合评价与分级

在运行期安全管理中，通过将岩体质量指标（RQD）、卸荷带深度、支护效果及监测数据进行综合分析，可建立科学的安全状态分级体系。评估过程中，RQD 反映岩体整体完整性，卸荷带深度揭示围岩受扰动程度，支护效果评价结构稳定性，监测结果则提供变形、应力与环境变化的实时信息。将上述参数进行定量与定性结合分析，可将运行状态划分为安全、关注与危险三级。安全状态下，结构稳定性良好，仅需常规巡检与维护；关注状态提示存在潜在隐患，应增加监测频率并采取预防性加固措施；危险状态则表明结构稳定性已显著下降，需立即实施应急加固与风险管控。该分级体系为养护与加固决策提供明确依据，有助于资源的合理分配与安全风险的提前化解。

结论

本文围绕高陡岩质坝肩开挖过程中的卸荷效应与长期稳定性问题，开展了系统性研究与分析。研究结果表明，坝肩的卸荷效应主要源于开挖引起的原岩应力释放以及结构面张开的共同作用，其发展规律受到坝肩几何形态、岩体力学性质及区域环境条件的综合制约。高陡边坡在卸荷过程中容易出现裂隙扩展与岩块松动，若缺乏有效控制，可能导致稳定性降低。通过在施工中优化爆破参数，减少对岩体的扰动，并在开挖作业同步实施支护措施，可以显著减缓卸荷影响。完善的排水系统有助于降低地下水压力，抑制软化破坏的发展趋势。在运行期，通过监测数据与数值模拟相结合的综合评价方法，能够较为准确地反映边坡的真实受力与变形状态，为长期稳定性判断提供可靠依据，对类似工程的安全管理具有重要参考价值。在类似工程建设中，可推广“分层爆破+保护层预留+全坡面排水”的综合防控体系，以实现施工期与运行期的双重安全保障。分层爆破能够有效降低单次爆破能量，减少对坡体结构的扰动；保护层预留可在施工过程