水利工程中高边坡稳定性分析与防护技术研究

水利工程中高边坡稳定性分析与防护技术研究

孔庆雷

身份证：320322198108214250

摘要：在水利工程中，高边坡的稳定性分析与防护技术是保障工程安全和减少潜在灾害风险的关键。边坡稳定性受多种因素影响，包括地质条件、水文状况、荷载作用以及边坡的几何特性。对这些因素的综合考量和采用先进的稳定性评价方法，可以准确计算和分析边坡的稳定性。为了增强边坡的稳定性，采取了包括挡土墙、锚杆支护、格构墙、喷锚网喷射混凝土以及植被覆盖等多种防护措施。有效的排水技术和边坡监测技术，传感器监测和遥感监测，对于及时发现边坡变形和预警潜在的失稳风险至关重要。

关键词：高边坡；稳定性分析；防护技术

引言

在水利工程中，高边坡稳定性分析与防护技术是确保工程安全、减少灾害风险的重要环节。边坡稳定性受地质、水文、荷载和几何参数等多重因素影响，其评价方法和计算分析对于预测边坡失稳风险至关重要。

1. 水利工程中高边坡稳定性分析

1.1 边坡稳定性的影响因素

1.1.1 地质条件

水利工程高边坡稳定性分析对保证工程安全可靠至关重要。地质条件是影响边坡稳定的一个重要因素，它的复杂性与多变性，直接决定着边坡稳定分析的精度与可靠性。首先要明确的是，地层的岩性差异，如岩石的种类、密度、硬度和裂缝的发育程度等，都是影响边坡稳定性的基本因素。硬岩、软岩在物理、力学性质上有明显区别，在边坡稳定性方面有很大不同。地质构造条件如断层，褶皱和节理等结构面常常成为边坡失稳可能的诱发因素。这些结构面方向，倾角和连通性参数对边坡稳定性状态有着直接影响。再者地下水的影响是不容忽视的。地下水位变化，水流渗透及流动状态可改变岩石物理状态及力学性质进而影响边坡稳定性。

1.1.2 水文条件

水文条件对高边坡稳定性分析起关键作用。水文条件主要是指边坡区域降水，地下水流动以及水位变化情况，其对边坡水力作用以及土体物理状态有直接影响。前言降水是边坡稳定性最重要的外在水文因素。长期降水使边坡土体饱和度升高，土体抗剪强度下降，边坡失稳风险增大。强降水事件能快速诱发特定条件的边坡滑坡。地下水流动及水位变化将使边坡内水压状态发生变化，尤其孔隙水压力增大将使土体颗粒之间有效应力减小，从而导致边坡稳定性下降。地下水流动也会对边坡内部造成冲刷，使土体结构变得疏松，稳定性进一步减弱。

1.1.3 荷载条件

荷载条件作为影响高边坡稳定的关键因素，主要有自然荷载与人为荷载2种类型。自然荷载主要是边坡本身所承受的重力，地震力和附加于边坡地表或边坡内的雪荷载，风荷载。这些自然荷载对边坡力学状态及稳定性有着直接的影响。如边坡材料重力产生剪应力是诱发边坡滑动主要动力；但地震力会使边坡内的剪切强度减弱，引发或加重滑坡现象。人为荷载涵盖了由人类行为导致的各种额外负荷，例如建筑的负荷、交通的负荷和工程的振动等。这些载荷的增加，特别是对失稳边坡的影响，增加了边坡失稳的可能性。除与边坡稳定性有直接关系的静态荷载以外，交通载荷、机械振动及其他动态荷载也对边坡稳定性产生一定的影响。

1.1.4 边坡几何参数

边坡的几何参数是影响高边坡稳定性分析的另一个重要因素，包括边坡的高度、坡度、坡形和坡体结构等。这些参数均直接决定着自重及外部荷载下边坡稳定性能的优劣。问题的提出边坡高度是决定边坡稳定与否的最主要因素。一般边坡越高可能失稳风险越大。这是由于重力作用下高边坡剪应力较大，保持边坡稳定性要求较高。边坡坡度对边坡力学状态及安全系数有直接影响。坡度愈大，边坡重力分量愈大，致使边坡愈易滑动。所以在设计与施工阶段合理地选取边坡坡度对保证边坡稳定至关重要。边坡的坡形（直坡、折坡、曲坡等）以及坡面的粗糙度也会对其稳定性产生影响。不同坡形能使边坡应力分布产生差别，从而影响边坡稳定性。坡面的粗糙度又会影响边坡和滑动体的摩擦力从而影响稳定性。最后边坡体层状结构和裂缝发育等微观几何特征对边坡稳定性亦有显着影响。

1.2 高边坡稳定性评价方法

高边坡稳定性评价作为水利工程设计与施工的关键环节，涉及方法与技术较多，其目的在于对边坡稳定状况进行精确评价，为后续加固措施的制定提供科学依据。问题的提出极限平衡方法是评价边坡稳定性的传统而又应用广泛的方法之一，它通过对可能滑动面上土体或岩体受重力及外部荷载影响的力学平衡状态进行分析，从而评价边坡稳定性。此法简单易操作，能迅速求得边坡安全系数，但其忽略土体应力应变关系且精度有限。利用数值模拟技术，例如有限元法和离散元法，我们可以更为精确地模拟边坡的应力与应变关系以及其滑动行为。通过构造边坡详细计算模型并综合考虑复杂地质条件，水文条件及荷载条件等因素，上述方法可以为边坡稳定性研究提供深入分析。

1.3 边坡稳定性计算与分析

边坡稳定性计算分析是保证水利工程边坡安全的中心任务，通过定量地分析边坡可能发生的滑动机制来评价边坡安全系数，从而对滑坡灾害进行预测与预防。这一过程一般涉及到综合运用地质工程，岩土力学及水文地质的理论和方法，其目的是为了准确地把握边坡稳定的状况，为设计及施工提供科学依据。前沿边坡稳定性计算始于对边坡地质条件，水文条件，荷载条件以及边坡几何参数等进行详细勘察和分析，以保证计算模型精确可靠。极限平衡法常被用于初步稳定性评价，该法通过对边坡安全系数计算评价边坡是否稳定；这种方法虽然计算简单，但是可能会忽略某些复杂因素对其产生的影响。像有限元法和离散元法这样的更为精确的数值模拟技术，在复杂环境下的边坡稳定性研究中得到了广泛的应用。这些方法能较好地模拟自然及人工荷载条件下边坡的应力应变状态，并充分考虑水压力，土体的非线性行为，为稳定性评估提供了更全面准确的依据。

2. 水利工程中高边坡的防护技术

2.1 边坡支护技术

2.1.1 挡土墙

水利工程高边坡稳定与否关系到工程能否安全运营。为预防边坡滑坡及土壤侵蚀而采取多种边坡支护技术已成为普遍实践，挡土墙作为边坡支护结构被广泛使用。挡土墙主要作用是在降低水土流失和保证边坡及其邻近结构稳定的前提下，承担后方土体对边坡的挤压作用，阻止土壤滑落或坍塌。挡土墙按其材质及构造方式可分为重力式、悬臂式、桩式及锚固式几种。重力式挡土墙是靠墙本身重量抵抗土压力的一种挡土墙，它适合用于高度并不特别大的边坡支护。悬臂式挡土墙利用墙体与底板之间的悬臂效应来承受土壤的压力，特别适合用于中等高度的斜坡。桩式挡土墙是由钢筋混凝土桩或者钢桩组成的挡土墙，它可以深入到地下很深的地方，适合土层比较松软或者要求承载力比较大的情况。

2.1.2 锚杆支护

锚杆支护技术在水利工程高边坡稳定中应用效果显着，尤其是对地质条件复杂，土体容易发生移动或者有滑动倾向边坡。锚杆支护的基本原理是在稳定岩土层深处施加预应力锚杆，利用锚杆对岩土体的摩擦力或者锚固力把边坡或者挡土结构所承受的载荷传递给深层稳定土层或者岩石，以提高边坡整体稳定性。锚杆的使用并不局限于加强边坡稳定，而是将挡土墙等既有边坡结构进行加固或在施工期用作临时支护措施等。锚杆在设计与施工过程中需综合考虑很多因素，主要有边坡高度、坡度、岩土性质、锚杆材料、长度、直径、布置间距以及预应力大小。设计得当可保证锚杆起到最大支护效果且经济合理。施工时，先钻孔，再把锚杆插到孔内，通过注浆使锚杆和周围岩土结成坚固锚固体，再给锚杆以预应力来完成锚固作业。

2.1.3 格构墙

格构墙作为一种集支护结构和绿化功能为一体的生态边坡支护技术在水利工程，道路建设和城市景观美化中有着广泛的应用。构建带间隙的格构，不仅可以承受土体压力维持边坡稳定，还可以提供植被生长空间达到边坡生态修复与景观美化目的。格构墙构造一般是由钢筋混凝土、塑料、金属或者植物纤维组成三维网状或者框架结构，内填土壤和栽种植物。格构墙技术优点是能有效治理水土流失、提高边坡自我恢复能力、还能提供较好的生态环境与视觉效果。格构墙设计与施工时需综合考虑边坡具体条件，选用植物生长需求以及格构材料物理特性等因素，以保证结构的稳定性与植被的良好生长。格构墙需要能适应多种地形变化并通过合理排水设计避免因水分积聚造成结构损害或者植被病害。

2.2 排水技术

2.2.1 表面排水

水利工程中排水技术作为保证高边坡稳定的重点措施，其表面排水技术发挥着重要作用。表面排水主要是对降雨或者地表水流进行控制与疏导，使之不能渗入边坡体内部，以降低边坡内部水压，提高滑动力，并有效地预防水土流失与边坡滑坡。表面排水系统一般由沟渠排水，横向排水沟，集水坑及导水管构成，经过合理设计布置，迅速高效地将降水及地表水从边坡区域引走。在表面排水的多种方式中，沟渠排水是最普遍的一种，它是通过在斜坡的上部或下部挖掘排水沟来引导地面水流向特定位置的。为提高排水效率，排水沟一般要求坡度大、流量容量大、能满足各种降雨强度要求。横向排水沟是设计为沿着边坡横向布置的，其主要功能是拦截沿坡面下降的地表水，以减缓水对边坡造成的侵蚀影响。

2.2.2 地下排水

水利工程地下排水技术的运用非常关键，特别是对高边坡的稳定性保持。地下排水以降低边坡内水压和控制地下水位为主，以降低土体饱和度和提高边坡稳定性。地下排水系统主要由深层排水井，排水隧道，横向排水管和渗水管组成，这些排水井和渗水管在边坡内综合发挥作用，将地下水有效引导至预定地点，缓解边坡内水压力。所谓深层排水井，就是在边坡内或边坡附近钻一口深井，用井内所设的水泵或靠自流把地下水排到地表或更低处。排水井能够有效控制深层地下水位和防止水压力给边坡稳定性带来负面影响。排水隧道是在斜坡的内部或底部挖掘出来的，其主要功能是收集和排放地下水，这种隧道特别适合用于大型水利项目或山体斜坡的地下排水工作。

2.3 边坡加固技术

2.3.1 植被覆盖

植被覆盖技术作为生态友好边坡加固手段，在水利工程边坡稳定性强化方面得到了广泛运用。通过将草本植物，灌木及树木栽植于边坡表面，使植被根系穿透土层形成自然加固网，从而有效地增强边坡抗侵蚀能力及稳定性。植被覆盖既可以吸收降雨、减少地表径流、减轻水对边坡冲刷，又可以通过植物根系锚固作用提高土体抗剪强度以促进边坡整体稳定。实施植被覆盖技术需兼顾植物选种，种植方式，维护管理等方面。在选择物种时，应充分考虑植物生长习性，根系特征，耐旱耐寒能力和适应当地环境等因素，才能保证植物在边坡中健康生长。种植方式有很多，可直接播种，苗木栽植或植被垫覆盖。

2.3.2 喷锚网喷射混凝土

喷锚网喷射混凝土技术在边坡加固领域属于高效工程技术，多用于岩石边坡或者土质边坡稳定性加固。该技术是将锚杆、钢丝网等材料设置于边坡表面，然后喷入一层混凝土构成牢固保护层，不仅提高边坡整体稳定性还能有效地阻止风化、侵蚀作用。喷锚网喷混凝土过程主要由以下关键步骤组成：根据边坡具体情况设计出合理锚杆长度，直径及布置间距等参数，再把锚杆钻到边坡上预定的地方进行固定；敷设钢丝网提高喷射混凝土层整体强度及抗裂性；最后用喷射混凝土机在钢丝网表面均匀地喷射混凝土以形成牢固防护层。

2.3.3 挂网喷射混凝土

挂网喷射混凝土技术在边坡加固领域应用普遍，尤其适合岩石边坡稳定治理与保护。该技术是将钢丝网悬挂于边坡表面，再将混凝土层喷入钢丝网内，从而形成连续牢固的保护层，以有效提高边坡稳定性，防止岩石风化或因降水而被冲刷。挂网喷射混凝土既增加边坡机械强度又防止小块岩石剥落，为边坡面提供整体稳定性。进行挂网喷射混凝土工程，需先将锚杆设置于边坡中，利用锚杆对钢丝网进行固定和必要的结构支撑。按设计要求在边坡表面敷设钢丝网进行固定，以保证网格对整个待加固区域的覆盖度。钢丝网既对喷射层结构起加强作用，又对边坡表面上可能剥落的碎石或者松散物有较好的捕获效果。

2.4 边坡监测技术

2.4.1 传感器监测

边坡监测技术作为水利工程保障边坡安全最关键的一环，近年来传感器监测得到了飞速发展和广泛运用。传感器监测技术，主要是通过在边坡或其周围设置多种传感器设备，实时采集边坡位移，裂缝宽度，土壤水分，地下水位及环境压力信息，以动态监测与评价边坡稳定性。边坡监测中常采用位移传感器、裂缝计、倾斜计等对边坡微小位移及变形进行监测，这些信息对滑坡风险的早期辨识具有重要意义。土壤水分传感器及孔隙水压力计能够监测边坡内水分变化及孔隙水压力变化，对了解雨季或者水库蓄水时边坡的反应情况尤其重要。地下水位传感器还可以监测地下水位变化情况，对分析边坡稳定性及防止地下水位升高导致滑坡有重要意义。传感器监测优点是它能提供持续和实时监测数据，使工程师能及时掌握边坡稳定情况，必要时能采取应对措施。

2.4.2 遥感监测

遥感监测技术越来越多地应用于水利工程边坡稳定性评价与监控。遥感监测可以通过使用卫星，无人机，航空摄影以及地面基站多源遥感数据提供大面积高分辨率地表信息，包括边坡变形，植被覆盖状态，土壤湿度等主要指标，以达到边坡稳定性动态监测与长期追踪评价。遥感技术尤其适用于高山，峡谷及偏远地区边坡稳定性监测等不易直接到达或者涉及面较广地区。在远程感测领域，合成孔径雷达的成像技术因其具备穿越云层和在各种天气条件下运行的特性，已被广大研究者用于观测边坡上的细微地表变化。干涉测量技术具有对毫米级地表移动进行精确检测的能力，特别是在早期识别可能存在的滑坡和地表下沉区方面表现尤为出色。还利用光学卫星影像与无人机摄影测量技术对边坡植被覆盖情况及边坡地貌变化进行评价，从而为边坡稳定性的评价提供了直观依据。

2.4.3 预警系统

边坡稳定性预警系统是一个融合了监测、分析以及报警功能的先进技术平台，其主要目的是为了提前识别可能出现在边坡上的稳定性问题，并且及时发布预警信息以采取相应预防措施来避免或者减轻滑坡、坍塌等地质灾害所带来的危害。这类系统一般是以实时监测数据为依据，将边坡稳定性分析模型与风险评估标准相结合，以自动化数据处理与智能分析为手段，从而达到快速辨识与评价边坡可能存在危险的目的。边坡稳定性预警系统由监测设备，数据传输网络，数据处理与分析中心，预警发布系统几大关键构成。监测设备包括地表位移传感器，倾斜计和地下水位计，这些设备负责采集边坡实时监测数据。

结束语

综上所述，高边坡稳定性分析与防护技术在水利工程中扮演着至关重要的角色。通过对边坡稳定性影响因素的深入理解，结合科学的评价方法和计算分析，可以有效地预测和控制边坡失稳的风险。同时，采用先进的防护技术和监测手段，可以进一步提高边坡的稳定性和安全性，为水利工程的可持续发展提供坚实的基础。未来，随着技术的进步和创新，高边坡的稳定性分析与防护技术将更加完善，为水利工程的安全运行提供更加有力的保障。

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