河谷高陡邊坡工程破壞機理及防護研究

馬河圖

重慶交通大學(xué) 重慶 400074

1 引言

隨著不可再生能源的開采，我們迫切需要找到包括太陽能、風(fēng)能、核能、水能等新型綠色的可再生能源。我國可開發(fā)水電資源蘊含量十分豐富，西南地區(qū)是水資源的富集區(qū)，但是自然條件十分惡劣，多為高（低）山峽谷地貌。進行水電能源開發(fā)，遇到最嚴(yán)峻的問題便是高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定問題[1]。

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展及對清潔能源強大需求，占全國水力資源2/3的西南地區(qū)水電資源開發(fā)呈加速上升趨勢。西南地區(qū)形成河谷深切的高（低）山峽谷地貌，地應(yīng)力高，巖體卸荷發(fā)育，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，且地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震烈度高，天然岸坡穩(wěn)定性較差；水利水電工程規(guī)模巨大，不可避免地衍生一批復(fù)雜邊坡工程是，隨著水能的進一步開發(fā)，遇到的邊坡工程的規(guī)模也越來越大，工程高邊坡穩(wěn)定問題十分突出[2]。本文旨在總結(jié)和介紹高陡邊坡工程特點以及工程防護，為水電資源開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供一定借鑒。

2 河谷高陡邊坡分類研究

2.1 自然陡坡

岸坡地質(zhì)條件復(fù)雜，穩(wěn)定條件差。主要表現(xiàn)為岸坡區(qū)屬高（低）山峽谷地貌，河水切割侵蝕能力強，形成自然高邊坡；岸坡經(jīng)歷表生改造階段進入時效變形階段，原巖應(yīng)力狀態(tài)被打破，近平行岸坡方向發(fā)生卸荷回彈，表生卸荷裂隙較發(fā)育，岸坡崩塌、滑坡等時有發(fā)生。

2.2 人工開挖邊坡

隨著水電大型項目的推進，遇到的工程巖石力學(xué)問題復(fù)雜多樣。邊坡開挖高度從幾十米級一直到數(shù)百米級，開挖土石方量達數(shù)萬乃至數(shù)百萬立方米，開挖水平深度從數(shù)十米到上百米不等，臨空面約束釋放，巖體應(yīng)力重新調(diào)整，卸荷回彈現(xiàn)象較為明顯，岸坡穩(wěn)定性問題十分嚴(yán)峻。

2.3 變形控制

高陡邊坡變形控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)是時效變性階段，重視推進巖土體變形理論、巖土與結(jié)構(gòu)相互作用的理論研究，施工過程中進行動態(tài)安全監(jiān)測，及時反饋分析，實現(xiàn)動態(tài)信息化施工。根據(jù)經(jīng)驗綜合考慮高陡邊坡變形穩(wěn)定性控制設(shè)計原則：低開口、高清破、緩接坡、強鎖頭及緊固腳等。

3 河谷高陡邊坡應(yīng)力場條件研究

3.1 高山峽谷地貌形成

早更新世川西-藏東地區(qū)強烈的差異抬升，河流縱比降的增大加速了河流的溯源侵蝕作用，中更新世抬升速率大，河水侵蝕能力強，導(dǎo)致東部河流切穿與西部湖區(qū)的分水嶺，區(qū)域性侵蝕基準(zhǔn)面降低，形成深切峽谷地貌[3]。晚更新世-全新世具有明顯間歇性下切的特點，西部地殼抬升的階段性和河流強烈的侵蝕能力，峽谷下切程度達到5～10mm/a，豐富的水源是導(dǎo)致峽谷下切的主要原因。

3.2 河谷邊坡應(yīng)力特征及其破壞發(fā)育規(guī)律

我國河谷應(yīng)力隨河谷臨空面的距離具有明顯分帶特征，隨著河谷下切，岸坡側(cè)向應(yīng)力解除，緊接著應(yīng)力發(fā)生重分布，巖體會有向臨空面卸荷回彈的現(xiàn)象。邊坡應(yīng)力隨著變形狀態(tài)不斷調(diào)整，最終在一定深度范圍內(nèi)形成河谷岸坡二次應(yīng)力分布區(qū)[4]。

（1）應(yīng)力降低區(qū)：指靠近河谷岸坡淺部，由于河谷岸坡表生改造作用，形成谷坡應(yīng)力釋放。其發(fā)育深度與岸坡高度有直接聯(lián)系。應(yīng)力降低區(qū)最小主應(yīng)力靠近坡面方向逐漸減小，在距坡面一定深度范圍內(nèi)形成拉應(yīng)力區(qū)，處于應(yīng)力增高區(qū)與拉應(yīng)力區(qū)之間為壓應(yīng)力區(qū)，而最大主應(yīng)力方向平行于坡面，并向坡腳方向逐漸增大。

（2）應(yīng)力增高區(qū)：河谷下切過程中，淺表應(yīng)力的釋放伴隨著應(yīng)力場的重分布，在岸坡一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)。應(yīng)力梯度由應(yīng)力降低區(qū)到原始應(yīng)力區(qū)先增后降，應(yīng)力變化梯度靠近河谷一側(cè)明顯偏大。

（3）原始應(yīng)力區(qū)：距河谷岸坡坡面一定深度范圍內(nèi)，應(yīng)力場保持原始應(yīng)力場狀態(tài)的區(qū)域，因為應(yīng)力場基本不受河谷下切卸荷影響。應(yīng)力降低區(qū)范圍一般0～25m，高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力包范圍一般以應(yīng)力不小于25MPa，應(yīng)力集中量級25～60MPa不等。

4 河谷高陡邊坡防護研究

4.1 邊坡安全防護

目前，極限平衡分析法求解安全系數(shù)有三種理論：強度儲備（即通過降低巖土體強度來提高安全系數(shù)），超載儲備（即通過增大荷載來提高安全系數(shù)），下滑力超載儲備（就是通過增加下滑力但不增加抗滑力來求解滑坡推力設(shè)計值）。

4.2 排水和防滲、削坡壓腳措施

為了防治巖土體強度下降，產(chǎn)生超空隙水壓力，就必須控制地表水和地表水。地表水，常采用截水溝攔截和引排，其中坡體以外的地表水，于適當(dāng)位置攔截引排；坡體上的地表水要防止其滲透，要盡快把地表水匯集疏出。當(dāng)場地允許時，削坡壓腳應(yīng)是優(yōu)先考慮的方案。當(dāng)削坡壓腳難以實施或仍不能滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，需要結(jié)合混凝土擋墻、抗滑樁或預(yù)灌漿–梁錨結(jié)構(gòu)等方案治理。

4.3 邊坡生態(tài)防護

隨著我國《水土保持法》的頒布和實施，邊坡的防護不僅僅是結(jié)構(gòu)上的安全防護，也是邊坡整體生態(tài)的防護。常選用“普通綠化”、“普通噴播”、“掛網(wǎng)噴播”或“香根草技術(shù)”等。其中，鋪貼草皮、普通噴播以及掛網(wǎng)噴播是可以達到綠化景觀的目的技術(shù)，對比施工工藝和成本，前兩種有明顯的優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

我國水電工程工程大多處于高山峽谷中，自然谷坡高陡，有復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，巖體卸荷強烈，自然狀態(tài)下穩(wěn)定性較弱；而工程邊坡有高、陡開挖、工程量大、安全把控難的特點。

（1）高山峽谷地貌經(jīng)歷了從早更新世川西-藏東地區(qū)強烈的隆升階段；到中更新世快速隆升的同時，河谷快速下切；最后于晚更新世—全新世出現(xiàn)間歇性下切。

（2）河谷邊坡應(yīng)力場表現(xiàn)為明顯的分區(qū)、分帶特點，隨著河谷下切，岸坡側(cè)向應(yīng)力解除，緊接著應(yīng)力發(fā)生重分布，巖體產(chǎn)生向臨空面卸荷回彈的現(xiàn)象。其中將岸坡應(yīng)力進行區(qū)劃分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。河谷底部的應(yīng)力具有獨特的規(guī)律，存在一個明顯的“高應(yīng)力包”現(xiàn)象。

（3）水利水電高陡邊坡防護從兩個方面著手，即為安全防護、生態(tài)防護。隨著生態(tài)文明建設(shè)步伐的推進，“生態(tài)植物修復(fù)技術(shù)”慢慢被提上日程。

參考文獻

[1] 黃潤秋.20世紀(jì)以來中國的大型滑坡及其發(fā)生機制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(3):433–454.

[2] 宋勝武,馮學(xué)敏,向柏宇.西南水電高陡巖石邊坡工程關(guān)鍵技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(1):1-2.

[3] 黃潤秋.巖石高邊坡穩(wěn)定性工程地質(zhì)分析[M].北京:科學(xué)出版社,2012:120-130.

[4] 黃潤秋.巖石高邊坡的時效變形分析及其工程地質(zhì)意義[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2000,8(2):148-153.