長河壩水電站樞紐區(qū)環(huán)境邊坡勘察設(shè)計

胡金山，曹建平，劉永波

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072)

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長河壩水電站樞紐區(qū)環(huán)境邊坡勘察設(shè)計

胡金山，曹建平，劉永波

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072)

結(jié)合環(huán)境邊坡危巖體研究的最新科研成果，論述了長河壩水電站環(huán)境邊坡的勘察、穩(wěn)定性評價與防治方法，建立了長河壩水電站環(huán)境邊坡危巖體穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)，基于危害性的危巖體防治原則，為環(huán)境邊坡危巖體的勘察與防治積累了寶貴的工程經(jīng)驗。

環(huán)境邊坡；危巖體；穩(wěn)定性評價；防治方法；長河壩水電站

0 引 言

環(huán)境邊坡的勘察有別于主體工程勘察，一般以地質(zhì)調(diào)查和定性分析為主，目前無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，評價成果依賴于地質(zhì)人員的工程經(jīng)驗，隨意性較大[1- 3]。近年來，中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司聯(lián)合成都理工大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)和四川大學(xué)等高校開展了以“水電水利工程環(huán)境邊坡危巖體勘察關(guān)鍵技術(shù)研究”為課題的科技項目研究，為環(huán)境邊坡危巖體勘察與防治提供了理論支撐。

筆者結(jié)合環(huán)境邊坡危巖體研究的最新科研成果，論述了長河壩水電站環(huán)境邊坡的勘察、穩(wěn)定性評價與防治方法，建立了長河壩水電站環(huán)境邊坡危巖體穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)，基于危害性的危巖體防治原則，為環(huán)境邊坡危巖體的勘察與防治積累了寶貴的工程經(jīng)驗。

1 基本地質(zhì)條件

長河壩水電站所處地形為典型的高山峽谷地貌，邊坡高陡，工程區(qū)左、右岸坡基巖多裸露，植被差，巖體裂隙較發(fā)育，卸荷較強烈。工程邊坡開口線以上至第一級谷肩的環(huán)境邊坡高達700～800 m，淺表部發(fā)育有較多可能失穩(wěn)塌落的危險源，分布范圍較廣，對施工及運行安全影響大。

電站樞紐區(qū)出露一套晉寧期～澄江期侵入巖，以花崗巖、石英閃長巖為主，均為堅硬巖。巖石致密堅硬，抗風(fēng)化能力強，風(fēng)化作用主要沿裂隙進行，巖體淺表部弱風(fēng)化，強風(fēng)化巖體不發(fā)育。樞紐區(qū)無區(qū)域性斷裂通過，地質(zhì)構(gòu)造以次級小斷層、擠壓破碎帶、裂隙(裂隙密集帶)、巖脈(石英巖脈、輝綠巖脈)為特征。樞紐區(qū)河谷深切，谷坡陡峻，天然地應(yīng)力較高，河谷強烈下切導(dǎo)致谷坡向臨空方向產(chǎn)生較強烈的卸荷。

2 環(huán)境邊坡危巖體發(fā)育特征

長河壩水電站樞紐區(qū)的環(huán)境邊坡主要包括左右岸壩肩、電站進水口、尾水洞出口、泄洪洞進出口等部位的環(huán)境邊坡，不同工程部位環(huán)境邊坡危巖體發(fā)育特征不盡相同。根據(jù)成因、變形模式、工程地質(zhì)性狀，將環(huán)境邊坡危險源分為危石及危石群、危巖體、松動巖帶、孤石及孤石群、凍融風(fēng)化塊碎石層等。按規(guī)模可分為特大型、大型、中型、小型[4]。環(huán)境邊坡危險源類型見表1。

表1 環(huán)境邊坡危險源類型

危險源類型定義備注危石及危石群 斜坡上被多組不利結(jié)構(gòu)面切割，在重力、地震或其他外力作用下易脫離母體或離開原位，從斜坡以墜落、滑落、彈跳、滾動等方式順坡向下劇烈快速運動的地質(zhì)體。其體積一般在數(shù)m3以內(nèi)，大者可達數(shù)十m3，為小型危巖體 a類為不利組合條件完備的確定性塊體 b類為不利組合條件較完備的半確定性塊體 c類為不利組合條件不完備的不確定性塊體危巖體 同危石，但規(guī)模較大，體積從數(shù)百m3到數(shù)萬m3不等—松動巖帶 強卸荷巖體表部具有明顯側(cè)向拉張的松動巖體，多形成空腔 多沿山脊成帶分布孤石及孤石群 已遭受崩塌作用，暫時穩(wěn)定在斜坡上的塊石 多零星分布于崩坡積堆積層表部凍融風(fēng)化塊碎石 巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，表部在凍融風(fēng)化作用下破碎解體 主要分布在右壩肩1900m高程以上的斜坡，與古冰期凍融風(fēng)化作用有關(guān)

2.1 左岸壩肩

環(huán)境邊坡地形較陡，多為45°～55°，基本上以分布高程為1 745～1 760 m的金康施工便道為界。便道以上的自然邊坡植被較發(fā)育，危險源發(fā)育程度較低，但仍有危石及危巖體等危險源；便道以下危石、危巖體分布較廣，并有松動巖帶等危險源分布。心墻開挖邊坡上、下游側(cè)自然邊坡為較單薄山脊，表部巖體松弛破碎，局部受順坡裂隙控制形成危巖體，穩(wěn)定性極差。總體上，危險源分布高程為1 500～1 825 m，以危石為主，少量為危巖體。共發(fā)育有20個危石集中區(qū)、5個危巖體集中區(qū)、1個松動巖帶。其中，危石部分或全部脫離母巖，穩(wěn)定性差～極差，以半確定性～確定性為主；危巖體以中～大型為主，多分布在地形陡竣的巖壁上，穩(wěn)定性多極差。

2.2 右岸壩肩

在筆架溝下游的“凸”形巖質(zhì)岸坡上，植被總體稀疏。穩(wěn)定性主要受J1組順傾坡外的中緩傾角長大裂隙控制，形成潛在底滑面，在邊坡上形成臺階狀地貌。坡度整體變化不大，但在約1 630、1 720 m和1 800 m高程有較明顯的平臺或緩坡地貌(坡度30°左右)；平臺之間為基巖陡壁，坡度一般為50°～70°。表部巖體卸荷強烈，裂隙較發(fā)育，局部發(fā)育小斷層，危石分布較多，局部形成危巖體；在山脊處多形成厚約10 m的松動巖帶，在1 900 m高程以上有2處小山包仍殘存凍融風(fēng)化塊碎石層。共有5個松動巖帶、2個凍融風(fēng)化堆積區(qū)、6個危石集中區(qū)和5個危巖體集中區(qū)。以上危險源多穩(wěn)定性差～極差，少量穩(wěn)定性較差。

2.3 進水口

位于倒石溝與雙槽溝之間的山脊上，地形較陡，總體坡度為35°～45°，局部形成坡高10～15 m的基巖陡壁，坡度60°～70°，植被稀疏。巖體卸荷松弛強烈，主要破壞方式為沿順坡J3組裂隙發(fā)生滑移拉裂破壞及沿傾向坡內(nèi)的J7組陡傾角裂隙產(chǎn)生傾倒拉裂變形及破壞(局部形成卸荷松弛破碎巖體)。松動巖帶、危巖體、危石等危險源較發(fā)育，部分邊坡表部為崩坡積塊碎石土層，淺表部孤石較多。共有2個危巖體(中型為主，穩(wěn)定性差～極差)、3個孤石集中區(qū)(穩(wěn)定性差～較差)、2個危石集中區(qū)(半確定性為主，穩(wěn)定性差)和1個松動巖帶。

2.4 開關(guān)站

開口線以上的環(huán)境邊坡地形總體較陡，1 910 m高程以上的地形坡度為30°～35°，地貌上近似呈一北東東向山脊，灌木叢較發(fā)育，坡面上可見零星的孤石分布。1 910 m高程以下至開口線之間邊坡較陡，坡角為40°～50°，巖體卸荷松弛強烈，危險源多為危石、危巖體及沿部分山脊強卸荷巖體表部厚約10 m的松動巖帶，多穩(wěn)定性差～極差，天然狀態(tài)下時有落石甚至崩塌發(fā)生。共發(fā)育7個危石集中區(qū)(半確定性～確定性為主，部分為不確定性；穩(wěn)定性較差～差為主，少量極差)、2個松動巖帶(穩(wěn)定性差～極差)和4個危巖體(中～大型為主，穩(wěn)定性差～極差)。

2.5 尾水洞出口

坡度總體為40°～45°，地表基巖裸露，植被不發(fā)育，危石及危巖體等危險源分布較廣，多分布于叮鐺溝兩岸及開口線附近，穩(wěn)定性差～極差，天然狀態(tài)下時有落石發(fā)生，在溝口形成崩積堆積物。共發(fā)育3個危石集中區(qū)(半確定性、確定性為主，穩(wěn)定性差)和4個危巖體集中區(qū)(中型～大型，穩(wěn)定性差～極差)。

2.6 泄洪洞、放空洞及中期導(dǎo)流洞進出口

進口位于雙叉溝對岸至象鼻溝之間，1 800 m高程以上自然地形坡度為45°～55°，以下多為陡壁，坡度80°左右，自然邊坡高度為500～600 m，沖溝、植被均較發(fā)育。開口線后緣山脊上高程1 800～1 940 m間發(fā)育一卸荷拉裂巖體，其前緣及側(cè)面均為基巖陡壁，坡度為70°～80°，山脊坡度約35°，拉裂巖體后緣拉裂縫長約170 m，順J4組裂隙張開10～30 cm，最大可達50 cm，與洞臉邊坡近平行，裂縫下方巖體易產(chǎn)生傾倒拉裂及滑移破壞。受地形、構(gòu)造及物理地質(zhì)作用的影響，開口線以外環(huán)境邊坡淺表部危石發(fā)育且多成片分布。共發(fā)育5個危石集中區(qū)(半確定性為主)、1個松動巖帶(穩(wěn)定性極差)、1個特大型危巖體(穩(wěn)定性較差)。

表2 危巖體穩(wěn)定性評價定性分析

穩(wěn)定性評價地形坡度結(jié)構(gòu)面及巖體特征危險源類型極差 地形陡，坡度一般大于40° 結(jié)構(gòu)面普遍張開，巖體松動，控制性結(jié)構(gòu)面或組合交線順坡，傾角大于40°，不利組合完備 多為確定性危石、危巖體及松動巖體，部分為半確定性危石或為覆蓋層上的孤石差 地形坡度一般為35°～40° 結(jié)構(gòu)面張開，控制性結(jié)構(gòu)面或組合交線順坡，傾角為30～40°，不利組合較完備 多為半確定性危石和危巖體、松動巖體，部分為確定性危石或為覆蓋層上的孤石及凍融風(fēng)化塊碎石較差 地形坡度一般為30°～35° 結(jié)構(gòu)面部分張開，控制性結(jié)構(gòu)面或組合交線順坡，傾角小于30°，不利組合較完備 多為不確定性危石和危巖體，部分為確定性、半確定性危石或為覆蓋層上的孤石及凍融風(fēng)化塊碎石

注：根據(jù)植被發(fā)育情況，對危險源穩(wěn)定性程度適當(dāng)調(diào)整。

出口位于花瓶溝下游至砂場溝公路附近240 m范圍內(nèi)，公路以上(高程1 486～1 600 m)為基巖陡壁，地形坡度65°～90°，1 600 m高程以上地形坡度變緩為40°～60°，自然邊坡高度為500～700 m，植被零星發(fā)育。出口邊坡基巖裸露，巖性主要為晉寧～澄江期灰色中?；◢弾r，局部穿插輝綠巖脈。受地形、構(gòu)造以及物理地質(zhì)作用影響，開口線以外環(huán)境邊坡淺表部危石分布較廣且多成片分布。共有8個危石集中區(qū)，分布高程一般在1 705～2 050 m之間，面積一般在3 000 m2～30 000 m2之間，大者可達40 000 m2，以半確定性為主，次為確定性，穩(wěn)定性差。在1號泄洪洞出口開挖邊坡上部發(fā)育1個規(guī)模較大的危巖體，穩(wěn)定性極差。

3 危巖體穩(wěn)定性評價

3.1 定性分析

危巖體穩(wěn)定性評價遵循以定性評價為主、定性與定量相結(jié)合的原則。對每個危巖體，特別是中小危巖體進行定量分析不現(xiàn)實，應(yīng)根據(jù)危巖體的大小采取不同的方法。對中、小型危巖體以定性分析評價為主，大型、特大型危巖體采取定性與定量結(jié)合的方法進行分析和評價。定性分析主要考慮地形坡度、結(jié)構(gòu)面特征、巖體結(jié)構(gòu)狀況等因素進行綜合判斷，裂隙巖體也可用赤平投影法定性判斷危巖體的穩(wěn)定。長河壩水電站危巖體穩(wěn)定性定性分析見表2。根據(jù)表2可以簡單地判斷危巖體的穩(wěn)定性。

3.2 影響因素快速評分

在相同條件下，坡度越緩，危巖體穩(wěn)定性越好?？傮w坡度小于30°時，危巖體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；坡度大于40°時，危巖體分布廣泛，穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)面及其組合控制。當(dāng)結(jié)構(gòu)面存在不利組合、順坡結(jié)構(gòu)面或2組結(jié)構(gòu)面交線順坡、傾角小于坡角且大于結(jié)構(gòu)面摩擦角時[4]，結(jié)構(gòu)面連通，則稱結(jié)構(gòu)面不利組合完備，穩(wěn)定性極差；存在不利結(jié)構(gòu)面組合但其未完全貫通時，則穩(wěn)定性差；不存在不利結(jié)構(gòu)面組合時，則穩(wěn)定性較差，甚至基本穩(wěn)定。同樣，坡體表面特征和植被發(fā)育對危巖體的穩(wěn)定性也有一定的影響。坡體表面越粗糙，植被越發(fā)育，則危巖體穩(wěn)定性越好。危巖體穩(wěn)定性影響因素快速評分見表3[5- 6]。

3.3 評價方法

為了客觀、快速地評價危巖體的穩(wěn)定性，提供了一種半定量危巖體穩(wěn)定性快速評價體系。參照邊坡RMR分類法[7]，考慮包括邊坡巖體巖石單軸抗壓強度、危巖體結(jié)構(gòu)面特征、危巖體坡度、危巖體結(jié)構(gòu)面不利組合狀況、地下水水文狀況、植被發(fā)育在內(nèi)的各項評價要素，按表3進行賦值，按最后的累計分?jǐn)?shù)進行評判：0～25分判斷為穩(wěn)定性極差、25～40分穩(wěn)定性差、40～65分穩(wěn)定性較差。該法對坡面上的孤石不適用。對于孤石，主要是根據(jù)地形坡度、植被發(fā)育情況、孤石埋置于覆蓋層的情況進行定性分析。定性分析與半定量快速評價方法對比可知，兩者吻合度達91.7%，證明半定量快速評價方法效果較好。

此外，對于特大危巖體還采用極限平衡法，包括適用于碎裂型危巖體的圓弧型滑動分析法，適用于滑塌式危巖體的平面滑動分析法、楔形體滑動分析法和折線型滑面滑動分析法，適用于傾倒式危巖體的傾倒破壞分析法和墜落式危巖體分析方法等。泄洪洞進口部位XJ4特大危巖體分布高程為1 765～1 885 m，順河寬30 m，長約100 m，植被稀疏，裂

表3 危巖體穩(wěn)定性影響因素快速評分

巖石單軸抗壓強度/MPa結(jié)構(gòu)面特征評分粗糙度評分充填物/mm評分張開度/mm評分結(jié)構(gòu)面長度/m評分巖石風(fēng)化程度評分地面坡度評分結(jié)構(gòu)面不利組合評分地下水特征評分植被發(fā)育特征評分>10010很粗糙5無5未張開5<15新鮮5緩坡(0°～30°)3060～1008粗糙4<5(硬)4<0141～34微風(fēng)化5中等坡(30°～40°)10～20完備0～2干燥4茂密5濕潤3中等330～605較粗糙2>5(硬)201～133～102弱風(fēng)化3中陡坡(40°～60°)0～515～303光滑1<5(軟)21～5110～201強風(fēng)化1陡坡>60°05～150～2擦痕、鏡面0>5(軟)0>50>200全風(fēng)化0倒坡0較完備5～10不完備20滴水2線狀流水1涌水0稀疏1無0

隙較發(fā)育，主要發(fā)育J4、J6裂隙，其后緣J4裂隙張開達50 cm，易產(chǎn)生傾倒拉裂、滑移拉裂破壞(J4為后緣切割面、J6為底滑面)。受地形陡、結(jié)構(gòu)面不利組合條件較完備的影響，總體穩(wěn)定性較差。穩(wěn)定性定量計算表明，天然狀態(tài)下、暴雨和地震等工況下其穩(wěn)定系數(shù)分別為1.03、0.98和0.79。由于該區(qū)后緣沿J4裂隙產(chǎn)生拉裂，裂縫寬度10～30 cm，在地震、爆破、強降雨等外力作用下易產(chǎn)生較大崩塌，危及導(dǎo)流洞運行及泄洪洞施工安全，建議清除確定性危石后，采取主動網(wǎng)防護加錨索等深層支護措施。

4 危巖體防治

根據(jù)危險源類型及其穩(wěn)定程度，結(jié)合長河壩水電站樞紐區(qū)地形、地質(zhì)特點，對危險源提出了相應(yīng)處理措施，見表4。

表4 環(huán)境邊坡危險源處理措施

危險源類型穩(wěn)定性評價處理措施危石及危石群確定性危石極差或差 以清除為主，個別支撐或錨固半確定性危石差或較差錨固，成片時可主動網(wǎng)防護危巖體極差 清除或錨固、表面排水差或較差 錨固松動巖帶極差 清除，框格錨固或主動網(wǎng)防護、表面排水差或較差 主動網(wǎng)防護凍融風(fēng)化塊碎石差 主動網(wǎng)防護較差 主動網(wǎng)防護孤石及孤石群極差 清除或錨固差或較差 被動網(wǎng)防護，成片時可主動網(wǎng)防護

注：表中為原則性建議，可根據(jù)具體情況作針對性調(diào)整。邊坡開口線上部可采取被動網(wǎng)防護。

對不同工程部位采取的處理措施及強度有所不同。影響大壩心墻、開關(guān)站安全部位采用了加強處理措施。由于危巖體的勘察時間相對較早，當(dāng)時尚未提出危害性概念，僅體現(xiàn)了樸素的危害性思想，只對重要工程部位進行了區(qū)別對待。最新科研成果認(rèn)為，危巖體災(zāi)害不僅與其穩(wěn)定性有關(guān)，還與其危害對象及規(guī)模有關(guān)。危巖體穩(wěn)定性極差且規(guī)模大，但無危害對象，則基本形成不了地質(zhì)災(zāi)害。危巖體危害性等級劃分主要是根據(jù)危巖體穩(wěn)定性、危害對象、危巖體離危害對象的高度等因素綜合確定，且以定性分析為主，定量評價較困難，可基于危巖體危害性分別提出防治措施。

目前，長河壩水電站環(huán)境邊坡危巖體防治已基本完成，未出現(xiàn)重大安全事故，環(huán)境邊坡危巖體總體安全，防治效果較好。

5 結(jié) 語

危巖體的勘察與防治工作比較復(fù)雜，需要積累更多的工程經(jīng)驗，并不斷地加以總結(jié)。由于無成熟的經(jīng)驗及理論可以借鑒，也無相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范可遵循，長河壩水電站探索性地開展了環(huán)境邊坡危巖體勘察與防治工作，對危巖體進行了定性分析，提出了防治原則，為危巖體科研、危巖體勘察規(guī)程規(guī)范的編制奠定了基礎(chǔ)，提供了寶貴的工程經(jīng)驗。

[1]張世殊， 徐光黎， 宋勝武， 等. 水電工程環(huán)境邊坡概念及其工程地質(zhì)分類[J]. 水力發(fā)電， 2012， 38(8)： 17- 21．

[2]田雄， 張世殊， 黎昌有， 等. 水電工程環(huán)境邊坡危巖體穩(wěn)定性綜合評分方法[J]. 長江科學(xué)院院報， 2016，33(1)：38-42．

[3]郭素芳. 危巖體的分類及其危險性評價——以大渡河黃金坪水電站地下廠房后山高邊坡危巖體為例[D]. 成都： 成都理工大學(xué)， 2008．

[4]NB/T 35039—2014 水電工程地質(zhì)觀測規(guī)程[S].

[5]張倬元， 王士天， 王蘭生. 工程地質(zhì)分析原理[M]. 二版. 北京： 地質(zhì)出版社， 1994．

[6]胡金山， 閔勇章， 劉永波， 等. 水電工程環(huán)境邊坡危巖體危害程度確定方法研究[J]. 長江科學(xué)院院報， 2016， 33(1)： 72- 76．

[7]DL/T 5337—2006 水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程[S]．

(責(zé)任編輯 楊 健)

Survey and Design of Environmental Slope in Hydraulic Structure Area of Changheba Hydropower Station

HU Jinshan, CAO Jianping, LIU Yongbo

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

Based on latest scientific researches on unstable rock mass of environment slope, the survey, stability evaluation and treatment methods of environment slope in Changheba Hydropower Station are presented, and the stability evaluation criteria of unstable rock mass in environment slope of Changheba Hydropower Station are established. The treatment and prevention principles of unstable rock mass based on hazardous degree provide valuable engineering experiences to the survey and treatment of unstable rock mass of environment slope．

environmental slope; unstable rock mass; stability evaluation; prevention method; Changheba Hydropower Station

2016- 07- 22

胡金山(1973—)，男，江西余干人，教授級高工，注冊巖土工程師，主要從事工程地質(zhì)勘察、巖土工程設(shè)計與研究工作．

TV221.2(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0029- 04