水電站大壩安全等級評定中邊坡因素的影響剖析

謝霄易（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

水電站大壩安全等級評定中邊坡因素的影響剖析

謝霄易
（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

基于我國水電站大壩安全定期檢查的長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析了運(yùn)行水電站邊坡失穩(wěn)對大壩運(yùn)行安全的主要影響后果，歸納了邊坡穩(wěn)定狀況評價(jià)的主要工作和原則，提出了邊坡安全級別確定的原則。

水電站大壩；邊坡穩(wěn)定；評價(jià)

0　前言

邊坡問題是水電站大壩安全管理必須面對的問題，意大利瓦依昂水庫庫岸巨型滑坡造成的下游災(zāi)害和水庫報(bào)廢對大壩建設(shè)和運(yùn)行管理具有長期的警醒作用。我國水電建設(shè)和運(yùn)行管理歷來重視邊坡問題，勘察設(shè)計(jì)階段就要求對樞紐區(qū)、水庫邊坡開展地質(zhì)勘察工作，查明邊坡主要地質(zhì)問題并進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)；施工階段要求及時(shí)支護(hù)，及時(shí)開展安全監(jiān)測；電站投運(yùn)后要求運(yùn)行管理單位長期開展邊坡、庫岸巡視檢查和安全監(jiān)測，對發(fā)現(xiàn)的安全問題及時(shí)進(jìn)行處置。

我國頒布的水電站大壩安全管理法規(guī)就將邊坡納入大壩安全的范圍，并明確了邊坡問題是評定大壩安全等級的5個要素之一。歷次水電站大壩安全定期檢查均對邊坡問題進(jìn)行了檢查和分析，我國首輪水電站大壩定期檢查的96座大壩，有10座存在邊坡問題；第三輪大壩定檢的182座大壩，有37座存在邊坡問題。上述邊坡問題由于管控得當(dāng)、處置及時(shí)，尚未達(dá)到威脅大壩安全和水庫正常運(yùn)行的程度，也沒有影響大壩安全等級評定。但是由于邊坡問題的復(fù)雜性，在各種自然、人為因素的觸發(fā)下，還會產(chǎn)生新的不安全問題；另一方面，隨著我國水電開發(fā)格局向西部擴(kuò)展，處在高地震區(qū)、地質(zhì)條件復(fù)雜的峽谷區(qū)的大壩，邊坡問題將更加突出。2008年的汶川地震中，岷江流域遭受嚴(yán)重的滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害，對水電站大壩安全產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。因此，如何結(jié)合邊坡運(yùn)行情況評價(jià)邊坡安全性和可能產(chǎn)生的后果是大壩安全定期檢查的重要工作內(nèi)容。

1　邊坡對大壩安全的影響

邊坡按其所處部位分為樞紐區(qū)邊坡和庫岸邊坡，均包含自然的和人工的邊坡。樞紐區(qū)邊坡與大壩運(yùn)行管理的關(guān)系尤為密切，除了對生產(chǎn)人員人身安全造成影響外，樞紐區(qū)邊坡失事對大壩結(jié)構(gòu)和功能的影響主要有以下三個方面：

（1）對結(jié)構(gòu)和設(shè)備的破壞損傷，影響結(jié)構(gòu)安全，或閘門無法開啟而引起漫壩事故。2008年汶川“5.12“地震期間，桑坪水電站閘首左岸山體發(fā)生了嚴(yán)重滑坡，曾一度將左壩頭、變電室掩埋，引水道鋼筋混凝土頂板被砸毀；福堂水電站兩岸的邊坡塌滑，造成了進(jìn)水口閘門變形，值班房和柴油機(jī)房基本報(bào)廢，4號閘右導(dǎo)墻被砸斷；太平驛水電站因?yàn)閭溆貌裼蜋C(jī)被砸壞，部分閘門無法打開，曾導(dǎo)致庫水漫壩。

（2）堵塞進(jìn)水渠或下游河道，影響行洪和正常發(fā)電。對于岸邊溢洪道和發(fā)電進(jìn)水口，往往面臨著高邊坡問題，尤其需要加以關(guān)注；對于高山峽谷地區(qū)的大壩，泄洪霧化造成下游山坡穩(wěn)定條件惡化，引起邊坡變形、開裂，一旦邊坡失事，可能堵塞河道，影響安全行洪，導(dǎo)致水工建筑物被淹。2013年“8.3”魯?shù)榈卣鹌陂g，紅石板電站閘壩下游山體滑坡形成堰塞湖，致使閘壩被淹，并對下游造成防洪險(xiǎn)情。

（3）道路中斷，影響防洪搶險(xiǎn)。這在汶川地震中已有深刻教訓(xùn)。

庫岸邊坡雖不直接影響擋水、泄水結(jié)構(gòu)和設(shè)備安全，但大型、巨型庫岸滑坡仍會對大壩和水庫造成重大或毀滅性災(zāi)難，主要有以下三方面：

（1）涌浪影響。一些庫岸滑坡體規(guī)模達(dá)數(shù)百萬至數(shù)千萬方，滑坡產(chǎn)生的涌浪將沖擊大壩，造成翻壩或翻閘。漫壩對土石壩結(jié)構(gòu)危害更大。

（2）侵占水庫興利庫容甚至水庫報(bào)廢。1963 年10月9日，瓦依昂水庫左岸約2.4億m3的山體整體下滑，而水庫庫容僅1.69億m3，當(dāng)即報(bào)廢。

（3）堵塞河道，形成堰塞。汶川地震及以后幾年，河道沿線因山體滑坡時(shí)有發(fā)生，多處形成堰塞，影響電站正常運(yùn)行。魯?shù)榈卣鹬校旎ò宕髩紊嫌涡纬裳呷?，面臨潰堰洪水威脅，不得不緊急放空水庫。

因此，邊坡問題對大壩安全至關(guān)重要，大壩運(yùn)行期間必須予以管控。通過檢查、監(jiān)測發(fā)現(xiàn)問題并跟蹤其發(fā)展趨勢，對異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析，評估其影響，然后采取工程或非工程措施應(yīng)對，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)目的。

2　運(yùn)行水電站邊坡穩(wěn)定狀況檢查分析

通常，勘測設(shè)計(jì)階段對重要的邊坡和大型滑坡體穩(wěn)定性都會進(jìn)行定量或定性分析，對樞紐區(qū)重要邊坡進(jìn)行支護(hù)，以滿足穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。但往往由于勘探工作量的制約，對邊坡地質(zhì)條件的掌握不可能像大壩地基那么充分，對邊坡失穩(wěn)機(jī)理、破壞模式的認(rèn)識可能存在偏差，穩(wěn)定計(jì)算中對地下水位、力學(xué)參數(shù)、地震參數(shù)等的取值因缺乏足夠的監(jiān)測和試驗(yàn)數(shù)據(jù)而存在不確定性。因此，對運(yùn)行期邊坡的實(shí)際穩(wěn)定狀況需要進(jìn)行監(jiān)測、檢查，當(dāng)發(fā)生異常現(xiàn)象時(shí)，還需進(jìn)行補(bǔ)充勘察、增加監(jiān)測項(xiàng)目和監(jiān)測點(diǎn)，必要時(shí)復(fù)核邊坡穩(wěn)定性，分析邊坡失穩(wěn)的危害性。

2.1檢查和監(jiān)測

現(xiàn)場檢查的目的是發(fā)現(xiàn)、跟蹤邊坡表觀變形形跡，如坍塌、拉裂縫、錯臺、鼓包和下沉等。而儀器監(jiān)測則主要關(guān)注邊坡測點(diǎn)位移的數(shù)值、速率、深度和方向。根據(jù)現(xiàn)場檢查和監(jiān)測資料，可以分析邊坡可能的失穩(wěn)規(guī)模、邊界、機(jī)理和狀況，判斷是整體穩(wěn)定問題還是局部穩(wěn)定、淺層穩(wěn)定還是深層穩(wěn)定問題，是牽引式還是推移式破壞，并與勘測設(shè)計(jì)成果進(jìn)行對比。

降雨是影響邊坡穩(wěn)定的敏感因素，運(yùn)行中既要關(guān)注正常情況下的邊坡地下水位，還要設(shè)法取得不同類型降雨（強(qiáng)降雨、連續(xù)降雨）期間的瞬時(shí)最高地下水位，并與設(shè)計(jì)取值進(jìn)行對比，評估邊坡排水系統(tǒng)的效果。

對于庫岸大型以上不穩(wěn)定邊坡，治理代價(jià)巨大。因此，工作重點(diǎn)要查明邊坡變形的時(shí)空分布，進(jìn)而分析失穩(wěn)模式，是逐級崩塌還是整體失穩(wěn)，兩者的后果差異很大，逐級崩塌可能基本不影響大壩正常運(yùn)行，而整體失穩(wěn)的涌浪較高，可能影響大壩安全。龍羊峽庫區(qū)近壩右岸存在龍西、農(nóng)場等6處高邊坡，按整體高速滑坡計(jì)算壩前涌浪將超過10 m。雖然預(yù)計(jì)到邊坡在蓄水后可能逐級崩塌，為安全計(jì)還是壓低了水庫汛期水位以確保洪水和滑坡涌浪疊加時(shí)不翻壩。經(jīng)20多年運(yùn)行檢驗(yàn)，邊坡前緣小規(guī)模崩塌不斷，累計(jì)前緣崩塌深度已達(dá)28 m （2005年龍西滑坡測量數(shù)據(jù)），而作為整體失穩(wěn)表征之一的山頂開裂一直沒有發(fā)生。這是運(yùn)行期檢查監(jiān)測對設(shè)計(jì)的一個有效反饋實(shí)例。

邊坡除定期巡視外，還需要在有感地震、暴雨（泄洪霧雨）之后及時(shí)檢查，以便分析這些因素的敏感性，以便制定針對性的措施。

2.2地質(zhì)復(fù)查

當(dāng)邊坡出現(xiàn)深部變形或表面拉裂縫時(shí)，需要進(jìn)行地質(zhì)復(fù)查，復(fù)查方式根據(jù)具體情況進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查或進(jìn)行補(bǔ)充勘探。地質(zhì)復(fù)查應(yīng)在分析現(xiàn)場檢查結(jié)果和監(jiān)測資料的基礎(chǔ)上開展工作，以查明邊坡失穩(wěn)的邊界、機(jī)理、模式、結(jié)構(gòu)面性狀及相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)。

龍羊峽大壩2012年泄洪時(shí)，受泄洪霧雨影響，壩下虎山坡的下游山坡出現(xiàn)開裂；索風(fēng)營大壩蓄水后，庫岸卞家寨滑坡體前緣發(fā)生平行于庫岸的拉裂縫。上述情況下均安排了地質(zhì)復(fù)查專題。

對缺乏基本地質(zhì)資料的，應(yīng)補(bǔ)充必要的地質(zhì)勘察、試驗(yàn)和測繪工作，查明巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體風(fēng)化、地下水活動、地表變形形跡和性狀，提出巖土力學(xué)參數(shù)。

2.3加固工程質(zhì)量復(fù)查

邊坡加固工程屬隱蔽工程項(xiàng)目，如果實(shí)施不到位或工程質(zhì)量有嚴(yán)重問題，邊坡可能出現(xiàn)異常跡象。新建工程的邊坡加固質(zhì)量均通過監(jiān)理確認(rèn)和竣工安全鑒定，只要資料齊全，運(yùn)行良好，一般情況下不做專門的質(zhì)量復(fù)查。只有當(dāng)發(fā)生以下情況時(shí)需要開展質(zhì)量復(fù)查：

（1）未進(jìn)行該項(xiàng)目的安全鑒定和運(yùn)行期新增邊坡加固工程，需要進(jìn)行復(fù)查，主要是根據(jù)設(shè)計(jì)施工資料進(jìn)行分析整理，提出質(zhì)量鑒定意見。

（2）邊坡出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象已揭示出加固工程質(zhì)量問題，如云南某工程運(yùn)行期邊坡發(fā)生局部表層坍塌，殘留坡面揭露出未按設(shè)計(jì)要求的深度支護(hù)，錨桿長僅80 cm，掛網(wǎng)鋼筋嚴(yán)重不足，需要對該區(qū)域加固工程進(jìn)行全面檢查。

2.4穩(wěn)定復(fù)核

當(dāng)發(fā)生以下情況時(shí)，需要及時(shí)開展邊坡穩(wěn)定性復(fù)核。

（1）設(shè)計(jì)規(guī)范已修訂，有關(guān)邊坡穩(wěn)定的計(jì)算方法、參數(shù)取值原則和安全指標(biāo)等發(fā)生變化，或原計(jì)算假定偏不安全的。

（2）邊坡的邊界條件發(fā)生惡化，實(shí)際運(yùn)行承受的主要荷載超過設(shè)計(jì)值、巖體和控制性結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)明顯降低，邊坡內(nèi)部存在剪切變形或后緣已拉裂。

（3）近期遭受特大暴雨或強(qiáng)烈地震作用的樞紐區(qū)工程邊坡和近壩庫岸邊坡。

穩(wěn)定復(fù)核可根據(jù)基本資料變化的具體情況采用定性分析或定量計(jì)算。對于邊坡穩(wěn)定條件較好且運(yùn)行性態(tài)較正常的，或運(yùn)行性態(tài)僅涉局部穩(wěn)定問題且不會影響大壩安全和水庫運(yùn)行的，可在原有成果基礎(chǔ)上進(jìn)行定性分析。如邊坡設(shè)計(jì)時(shí)對相關(guān)參數(shù)、荷載做了敏感性分析，且實(shí)際變化尚在原分析成果范圍，如天荒坪抽水蓄能電站下庫“3.29滑坡治理工程”，邊坡歷經(jīng)數(shù)次強(qiáng)降雨，取得了降雨期間的實(shí)測瞬時(shí)地下水位，經(jīng)對比原設(shè)計(jì)采用值分析，可以對邊坡瞬時(shí)安全性做出定性判斷，也能滿足安全評價(jià)工作要求。

對邊坡穩(wěn)定性的評價(jià)要綜合分析，既要考慮穩(wěn)定計(jì)算成果，也不能忽視實(shí)際運(yùn)行性態(tài)。特別是對于非平面滑動失穩(wěn)的變形邊坡，其表觀行跡、變形分布和速率以及極端工況下表現(xiàn)是判斷邊坡穩(wěn)定性的重要依據(jù)。

對不穩(wěn)定的庫岸邊坡尤其是近壩庫岸邊坡，應(yīng)分析失穩(wěn)后果，如邊坡失穩(wěn)后覆蓋的范圍、涌浪影響、對行洪、發(fā)電進(jìn)水的影響等。如前述索風(fēng)營庫岸卞家寨滑坡體，其前緣拉裂縫可能導(dǎo)致部分坍塌，于是進(jìn)行了涌浪計(jì)算并根據(jù)可能坍塌后的斷面分析了對水庫行洪的影響，為評價(jià)其對大壩安全的影響和制定相關(guān)應(yīng)對措施提供了依據(jù)。

3　邊坡對大壩安全等級評定的影響

水電站大壩安全定期檢查中，邊坡安全級別是大壩安全等級評定的重要分項(xiàng)之一。DL/T5313-2014《水電站大壩運(yùn)行安全評價(jià)導(dǎo)則》規(guī)定了邊坡安全級別評定的條件，邊坡安全級別由高到低分為a、a-、b和c四級。邊坡按其所處部位、規(guī)模、失穩(wěn)模式，對大壩安全的影響各有不同，因此，邊坡安全級別的評定應(yīng)綜合考慮邊坡穩(wěn)定性與失穩(wěn)危害性，即邊坡穩(wěn)定性高，則安全級別高；邊坡穩(wěn)定性差或已出現(xiàn)失穩(wěn)跡象，則失穩(wěn)危害性成為安全級別評定的關(guān)鍵。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性確定邊坡安全級別的原則：

（1）邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，且無整體變形跡象的，可定為a級；

（2）邊坡整體基本穩(wěn)定，或邊坡存在整體變形但未出現(xiàn)失穩(wěn)跡象的，可定為a-級；

（3）只有當(dāng)邊坡呈整體失穩(wěn)跡象的，才有可能根據(jù)失穩(wěn)后果定為b級或c級。

對于存在失穩(wěn)跡象的不穩(wěn)定邊坡一旦發(fā)生垮塌的后果，確定其安全級別的原則如下：

（1）如果不損傷大壩主體結(jié)構(gòu)或涌浪影響輕微的，可定為a級；

（2）如果僅造成大壩主體結(jié)構(gòu)局部損傷但不影響大壩整體安全和泄洪功能的，或涌浪不漫壩的，可定為a-級；

（3）如果可能會影響到大壩整體安全和泄洪功能，或涌浪漫壩但不影響大壩結(jié)構(gòu)安全的，或通過降低水庫正常運(yùn)行水位可以避免涌浪漫壩的，定為b級；

（4）如果可能危及大壩整體安全，或?qū)е滦购樵O(shè)施無法使用，或?qū)е滤畮靾?bào)廢，或涌浪漫過土石壩的，定為c級。

4　結(jié)語

（1）邊坡問題具有長期性、復(fù)雜性，首先要做好巡檢、監(jiān)測等工作，對異?，F(xiàn)象、異常監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，查清楚發(fā)生時(shí)間、發(fā)展趨勢、空間分布和影響因素，是反饋設(shè)計(jì)和后續(xù)深入分析的基礎(chǔ)。

（2）要根據(jù)邊坡實(shí)際運(yùn)行性態(tài)，復(fù)查、復(fù)核邊坡主要地質(zhì)問題、失穩(wěn)機(jī)理、破壞模式和穩(wěn)定安全度，分析邊坡失穩(wěn)危害性。對于穩(wěn)定性差的邊坡，要根據(jù)其危害性，及時(shí)制定和實(shí)施工程治理方案或非工程管控措施。

（3）大壩安全等級評定時(shí)，需要綜合考慮邊坡穩(wěn)定性和失穩(wěn)危害性，對于不穩(wěn)定或已呈整體失穩(wěn)跡象的邊坡，失穩(wěn)危害性是評定大壩安全等級的關(guān)鍵。

Title:Influence of slope in the safety rating of hydropower dams//by XIE Xiao-yi//Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration

Based on the experience of periodical inspections for hydropower dams,the paper analyses the main influence of slope failure on safe operation of the dams.Moreover,the main contents and principles in slope stability assessment are summarized.As well,the principles in safety rating of slope are advanced,for reference.

hydropower dam;slope stability;assessment

TV698.1

A

1671-1092（2015）01-0009-04

2015-01-20

謝霄易（1963-），男，浙江金華人，教授級高級工程師，副總工程師，研究方向?yàn)樗娬驹O(shè)計(jì)與大壩安全運(yùn)行管理。

作者郵箱：xie_xy@ecidi.com