某水利工程高邊坡危巖穩(wěn)定性分析及防治研究

郭紅雨

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)上游邊界為一碗水隧道口，下游邊界為大水溝溝口處，該段邊坡沿江長約700 m，處于河流凹岸。研究區(qū)呈典型的“V”型地貌，兩岸斜坡高陡，山脊高程達(dá)3000 m以上，邊坡坡度一般為45°～50°，局部陡峻達(dá)70°以上，斜坡內(nèi)淺溝較發(fā)育，但均無常年流水。河流常水位高程約為1330 m，流向約S 40°W。在1680 m高程一帶，斜坡地形相對平緩，發(fā)育有崩坡積物形成的鈣華臺(tái)地(相當(dāng)于Ⅵ級階地)，1360 m高程以下斜坡較平坦見圖1。出露地層巖性主要為三疊系鹽塘組(T2y4)灰綠色條帶狀云母大理巖。受持續(xù)強(qiáng)降雨作用，研究區(qū)內(nèi)上部邊坡曾發(fā)生局部危巖崩落，落石越過多道被動(dòng)網(wǎng)，滾落至坡腳的出線場內(nèi)，將出線場立柱砸變形見圖2。由于研究區(qū)內(nèi)危巖所處高程高，危險(xiǎn)性大，極大威脅著水電站的安全運(yùn)行，因此需要對該區(qū)域危巖進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，為水利工程防護(hù)提供參考。

圖1 研究區(qū)地形地貌

圖2 研究區(qū)崩落塊石

2 邊坡危巖發(fā)育分布特征

由于研究區(qū)邊坡高陡，且植被發(fā)育，復(fù)雜的地形條件限制了傳統(tǒng)的工程地質(zhì)調(diào)查。因此，采用“無人機(jī)航拍+現(xiàn)場核查”相結(jié)合的方法對研究區(qū)危巖進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查。無人機(jī)遙感技術(shù)是近年來快速發(fā)展的一種新興航測技術(shù)，由于其成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、機(jī)動(dòng)靈活、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境下的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，并取得了較好的成果[1-3]。

根據(jù)無人機(jī)影像，對研究區(qū)內(nèi)邊坡危巖進(jìn)行遙感解譯，結(jié)合野外現(xiàn)場復(fù)核調(diào)查，共識(shí)別統(tǒng)計(jì)了危巖41個(gè)，各危巖分布如圖3所示。根據(jù)調(diào)查分析，研究區(qū)內(nèi)邊坡危巖變形破壞模式以滑移式為主，占總危巖的49%，該類危巖主要受后緣傾坡外的結(jié)構(gòu)面控制。危巖類型主要以危巖體集中發(fā)育的危巖群為主，占總數(shù)的78%，說明研究區(qū)內(nèi)危巖具有大部分集中發(fā)育，小部分零星發(fā)育的特點(diǎn)。

圖3 研究區(qū)危巖分布

研究區(qū)邊坡范圍較大，地形地貌、地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)等都有一定差異，為了合理評價(jià)危巖與工程的危險(xiǎn)性關(guān)系，便于防治的統(tǒng)籌性和可操作性，對邊坡危巖進(jìn)行分區(qū)評價(jià)。分區(qū)按照如下兩個(gè)原則:一是從工程影響角度出發(fā)，對不同水工建筑邊坡區(qū)進(jìn)行區(qū)別對待，考慮邊坡危巖對水工樞紐建筑物的影響。二是考慮邊坡危巖自身結(jié)構(gòu)特征、規(guī)模、破壞模式及穩(wěn)定性等。根據(jù)上述原則將研究區(qū)邊坡分為Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)大區(qū)。Ⅰ區(qū)內(nèi)危巖分布高程較高，數(shù)量較多，對下方永久性水工建筑的影響較大，一旦危巖失穩(wěn)，很可能越過或砸壞被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，威脅到水電站的正常運(yùn)行；Ⅱ區(qū)內(nèi)危巖分布高程較低，數(shù)量較少，對下方高程1560 m平臺(tái)公路及倉庫的影響相對較小，對下方尾水洞出口具有一定影響，失穩(wěn)后主要對交通產(chǎn)生較大影響，不影響電站正常運(yùn)行。以下對兩個(gè)區(qū)危巖進(jìn)行具體分述。

2.1 Ⅰ區(qū)危巖特征

Ⅰ區(qū)危巖分布于出線場邊坡正上方，危巖發(fā)育高程為1550～2120 m，左側(cè)以隧洞口沖溝為界，右側(cè)以出線場右山脊為界，距下部江面高程220 m以上，屬特高位危巖，整體坡度為45°～55°，非常陡峭，巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象較為明顯，巖體較破碎。區(qū)內(nèi)危巖集中發(fā)育于植被稀少、基巖裸露位置，由于危巖變形破壞模式、發(fā)育規(guī)模及高程存在一定差異，因此將Ⅰ區(qū)進(jìn)一步劃分為Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅰ44個(gè)亞區(qū)(圖3)。Ⅰ區(qū)共發(fā)育危巖29個(gè)。其中，Ⅰ1亞區(qū)內(nèi)危巖12個(gè)，Ⅰ2亞區(qū)和Ⅰ4亞區(qū)都發(fā)育5個(gè)，Ⅰ3亞區(qū)發(fā)育7個(gè)。區(qū)內(nèi)單個(gè)危巖塊體方量一般為1～5 m3，個(gè)別可達(dá)11 m3。Ⅰ1亞區(qū)危巖體積為650 m3，Ⅰ2亞區(qū)危巖體積為637 m3，Ⅰ3亞區(qū)危巖體積達(dá)3144 m3，Ⅰ4亞區(qū)危巖體積為1398 m3。

2.2 Ⅱ區(qū)危巖特征

Ⅱ區(qū)危巖分布于大水溝右上方，危巖發(fā)育高程為1590～1840 m，左側(cè)以大水溝為界，右側(cè)以尾水洞上方?jīng)_溝為界，距下部江面高程260 m以上，屬特高位危巖。該區(qū)地形陡峭，坡度可達(dá)70°～85°，呈現(xiàn)陡崖地形，巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體被結(jié)構(gòu)面所切割，易形成臨空面，造成墜落式破壞。陡崖底部坡度35°～50°，順坡裂隙發(fā)育，貫通性較好，巖體易發(fā)生滑移破壞。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面：J1：N18°E/SE∠24°、J2：S86°E/SW∠71°、J3:N43°E/SE∠70°。由于危巖各特征的差異性，將Ⅱ區(qū)進(jìn)一步劃分為Ⅱ1、Ⅱ2亞區(qū)。該區(qū)共發(fā)育危巖12個(gè)，其中Ⅱ1亞區(qū)發(fā)育危巖7個(gè)，Ⅱ2亞區(qū)發(fā)育危巖5個(gè)。單個(gè)危巖塊體方量一般為1～2 m3。Ⅱ1亞區(qū)危巖體積為190 m3，Ⅱ2亞區(qū)危巖體積為1421 m3。

3 危巖穩(wěn)定性分析

3.1 危巖穩(wěn)定性定性分析

根據(jù)研究區(qū)危巖發(fā)育分布特征，對危巖穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析，通過選取邊坡坡度、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體切割狀態(tài)及主控結(jié)構(gòu)面傾角4個(gè)影響因素，作為危巖穩(wěn)定性定性評價(jià)指標(biāo)，將危巖穩(wěn)定性定性分為較差、差、極差3個(gè)等級，建立了3類危巖(滑移式、傾倒式及墜落式)穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)，并對研究區(qū)危巖進(jìn)行穩(wěn)定性定性分析。

結(jié)果表明，研究區(qū)邊坡發(fā)育的41個(gè)危巖中，穩(wěn)定性較差的7個(gè)；穩(wěn)定性差的22個(gè)，穩(wěn)定性極差的12個(gè)。從分區(qū)上來看，Ⅰ區(qū)危巖中，Ⅰ1亞區(qū)內(nèi)危巖以穩(wěn)定性較差為主，共6個(gè)，穩(wěn)定性差的危巖4個(gè)，穩(wěn)定性極差的危巖2個(gè)；Ⅰ2亞區(qū)內(nèi)危巖以穩(wěn)定性差為主，共4個(gè)，穩(wěn)定性極差的危巖1個(gè)；Ⅰ3亞區(qū)內(nèi)危巖以穩(wěn)定性極差為主，共5個(gè)，穩(wěn)定性差的危巖2個(gè)；Ⅰ4危巖穩(wěn)定性全為差，共5個(gè)。Ⅱ區(qū)危巖中，Ⅱ1亞區(qū)穩(wěn)定性極差的危巖4個(gè)，穩(wěn)定性差的危巖3個(gè)；Ⅱ2亞區(qū)以穩(wěn)定性差為主，共3個(gè)，穩(wěn)定性較差和極差的危巖均發(fā)育1個(gè)。

危巖穩(wěn)定性與其邊坡坡度關(guān)系密切，通常表現(xiàn)為邊坡坡度越陡，危巖穩(wěn)定性越差。研究區(qū)邊坡范圍內(nèi)，中陡傾、陡傾坡外結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，邊坡坡度整體較大，發(fā)育的危巖多為半確定性～確定性塊體，受中陡及陡傾結(jié)構(gòu)面控制以滑移、墜落方式失穩(wěn)，危巖穩(wěn)定性一般為差～極差。局部坡度略緩處，巖體臨空條件相對較差，卸荷不充分，裂隙貫通率整體較低，危巖多成半切割狀態(tài)，危巖穩(wěn)定性一般為較差。

3.2 危巖穩(wěn)定性定量分析

在定性分析的基礎(chǔ)上，需要對危巖的穩(wěn)定性進(jìn)行定量評價(jià)，獲取危巖的穩(wěn)定性系數(shù)，評價(jià)危巖目前所處的穩(wěn)定狀況，為危巖的防治提供參考。參考《滑坡防治工程勘查規(guī)范》GB/T 32864—2016、《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》DB50143—2018等相關(guān)資料[4-5]，對研究區(qū)內(nèi)三類危巖的不同工況分別進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。危巖穩(wěn)定性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，表中K為計(jì)算得到的危巖穩(wěn)定性系數(shù)。

根據(jù)規(guī)范推薦的穩(wěn)定性定量計(jì)算公式，對研究區(qū)危巖進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，典型危巖計(jì)算結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)邊坡危巖在自然工況條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，局部處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨或地震工況條件下，區(qū)內(nèi)巖體穩(wěn)定性降低，處于欠穩(wěn)定甚至不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取一定的工程防護(hù)措施。

表1 危巖體穩(wěn)定性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 典型危巖穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4 危巖防治措施建議

根據(jù)研究區(qū)危巖發(fā)育分布特征和穩(wěn)定性分析，對比已有防治工程效果，綜合考慮危巖治理效果和施工的方便，防治措施應(yīng)以分區(qū)為基本單元進(jìn)行防治，各片區(qū)具體的防治措施建議如下：

4.1 Ⅰ區(qū)防治措施建議

Ⅰ1亞區(qū)：W1～W8發(fā)育規(guī)模較小，天然條件下基本穩(wěn)定，威脅對象為下方出線場，危險(xiǎn)性大，建議在1638 m高程附近設(shè)立被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，對1500 m 高程已有防護(hù)網(wǎng)破損位置附近加設(shè)被動(dòng)網(wǎng)；W9～W12危巖集中發(fā)布，規(guī)模較大，且落石動(dòng)能較大，直接威脅下方出線場安全，危險(xiǎn)性極大，建議除被動(dòng)網(wǎng)外需要增加主動(dòng)網(wǎng)、錨固或噴漿封閉等主動(dòng)防護(hù)措施。

Ⅰ2亞區(qū)：W13～W17以集中發(fā)育的危巖群為主，穩(wěn)定性較差，威脅對象為下方出線場等永久性水工建筑，危險(xiǎn)性極大。建議針對落石動(dòng)能大的W13～W16增加主動(dòng)網(wǎng)、錨固或噴漿封閉等主動(dòng)防護(hù)措施，并在已有被動(dòng)防護(hù)工程下，在1580 m高程附近設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

Ⅰ3亞區(qū)：W18～W24以集中發(fā)育的危巖群為主，穩(wěn)定性較差，威脅對象為下方出線場等永久性水工建筑，危險(xiǎn)性極大。建議針對落石動(dòng)能大的W19、W20增加主動(dòng)網(wǎng)、錨固或噴漿封閉等主動(dòng)防護(hù)措施，并在1540 m高程、1660 m高程附近設(shè)立兩級被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

Ⅰ4亞區(qū)：危巖以集中發(fā)育的危巖群為主，穩(wěn)定性較差，威脅對象為出線場，危險(xiǎn)性大。考慮到該區(qū)位置高、施工難度大，且落石動(dòng)能相對較小，建議在1950 m、1780 m高程附近設(shè)立多級被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

4.2 Ⅱ區(qū)防治措施建議

Ⅱ1亞區(qū)：危巖規(guī)模以小型為主，穩(wěn)定性較差，威脅對象為1560平臺(tái)公路，危險(xiǎn)性大～中等，已有防護(hù)工程對該區(qū)危巖防護(hù)效果較好，建議加強(qiáng)巡視即可。

Ⅱ2亞區(qū)：危巖以集中發(fā)育的危巖群為主，穩(wěn)定性較差～極差，威脅對象為下方公路，危險(xiǎn)性大～中等，已有防護(hù)工程對該區(qū)危巖防護(hù)效果較好。建議加強(qiáng)巡視即可。

4.3 潛在危險(xiǎn)源防護(hù)措施建議

由于出線場邊坡高陡，無法全部近距離調(diào)查測量，加之區(qū)內(nèi)植被茂盛，無人機(jī)航拍解譯效果不夠理想，不可避免還隱伏少量小規(guī)模危巖體、孤石及坡表松散堆積體?，F(xiàn)有的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)基本能夠有效攔截上述危險(xiǎn)源產(chǎn)生的落石，為了保障出線場區(qū)域的安全，建議在Ⅰ4亞區(qū)上方合適的位置增設(shè)被動(dòng)網(wǎng)。

5 結(jié) 論

通過采用“無人機(jī)航拍+現(xiàn)場核查”相結(jié)合的方法，對某水電站出線場高邊坡危巖進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，得到以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)內(nèi)共識(shí)別統(tǒng)計(jì)危巖41個(gè)，危巖變形破壞模式以滑移式為主，危巖類型主要以危巖體集中發(fā)育的危巖群為主。

(2)研究區(qū)危巖中，穩(wěn)定性較差的有7個(gè)；穩(wěn)定性差的22個(gè)，穩(wěn)定性極差的12個(gè)。區(qū)內(nèi)危巖在自然條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，局部處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨或地震工況條件下，巖體穩(wěn)定性降低，處于欠穩(wěn)定甚至不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取一定的工程防護(hù)措施。

(3)Ⅰ區(qū)危巖數(shù)量較多、危險(xiǎn)性較大，直接威脅下方出線場安全，對部分區(qū)域建議采用被動(dòng)網(wǎng)+主動(dòng)防護(hù)措施進(jìn)行防治。Ⅱ區(qū)危巖危險(xiǎn)性相對較小，已有防護(hù)措施效果較好，建議加強(qiáng)巡視即可。