淺析水電站在人工擾動條件下的典型邊坡問題與防護措施

石繼忠

（浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州，310014）

0 引言

水電站建設(shè)和運行過程中，邊坡問題主要因弱地質(zhì)區(qū)域邊坡由人工擾動后處于瞬態(tài)失衡或持續(xù)失穩(wěn)狀態(tài)誘發(fā)。其中，施工、蓄水和泄流是人工擾動行為的三個典型階段。施工中邊坡問題的主要誘發(fā)源是基坑開挖或洞室（群）開挖：如豐寧抽蓄電站下水庫進出水口高邊坡由于開挖后局部失穩(wěn)，發(fā)生塌方、掉塊現(xiàn)象[1]。蓄水型邊坡問題的主要誘發(fā)源是庫水位周期升降和水下滑體浸水軟化：1963年10 月，意大利的瓦依昂水庫左岸滑坡2.4 億m3（或2.7～3億m3）的超巨型滑坡體，誘發(fā)175 m高的巨浪以及超出壩頂100 m 的涌浪，導(dǎo)致近3 000 人死亡[2]。泄流型邊坡問題的主要誘發(fā)源是突發(fā)的強降水：2015 年汛期，二灘水電站在霧化雨和暴雨聯(lián)合作用下，右岸邊坡塌陷高程（1 215 m）超壩頂高程10 m，變形區(qū)（約1 948 m2）分布在高程1 131～1 192 m[3]。根據(jù)中國水利水電邊坡數(shù)據(jù)庫，國內(nèi)仍存在大量的邊坡失穩(wěn)問題，尤其是大型水利工程的開發(fā)運用，超百米高的邊坡穩(wěn)定問題十分突出，且水土流失愈發(fā)嚴(yán)重[4]。

針對各類邊坡問題，有效的邊坡穩(wěn)定性分析是開展問題邊坡專業(yè)加固和科學(xué)治理的基礎(chǔ)。采用理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測以及物理模擬等手段來判別邊坡穩(wěn)定性，通過仿真模擬、力學(xué)計算分析確定最為經(jīng)濟、可靠的處理方式，達到邊坡治理的最優(yōu)化。同時，在現(xiàn)代化邊坡治理中，新型生態(tài)技術(shù)也逐步推廣至邊坡治理，以實現(xiàn)科學(xué)、和諧的發(fā)展理念。

1 典型的邊坡問題

1.1 施工誘發(fā)邊坡問題

水電工程施工期間，人為因素（如基坑開挖、洞室開挖）會改變原有地質(zhì)條件，使得邊坡失穩(wěn)或重新構(gòu)筑穩(wěn)定狀態(tài)，此過程中往往會產(chǎn)生一系列的邊坡問題。根據(jù)邊坡地質(zhì)勘察分析，分為淺層和深層兩大類問題。

淺層問題多由開挖揭露的弱地質(zhì)條件變化誘發(fā)，形成危巖體。韓祥森[5]以雅礱江錦屏一級水電站高邊坡危巖體為研究對象，分析危巖體成因，總結(jié)出六種主要成因，建立了危巖體形成和變形失穩(wěn)機理的地質(zhì)力學(xué)模型。郭素芳[6]在前人研究基礎(chǔ)上，總結(jié)了危巖體的分類并進行了危險性評價，認(rèn)為危巖體按破壞模式分為崩落（塌）式、滑落（塌）式、擴離式和剝落式4 種，其中崩塌式根據(jù)其運動方式和破壞機理又分為墜落式崩塌、傾倒式崩塌兩個亞類。劉衛(wèi)華[7]總結(jié)錦屏一、二級水電站發(fā)現(xiàn)：危巖體主要集中發(fā)育在大于50°的陡坡和邊坡高高程部位，大理巖區(qū)危巖體發(fā)育集中。對多個水利工程高邊坡危巖體進行總結(jié)研究發(fā)現(xiàn)：危巖體存在區(qū)域集中、危巖體區(qū)塊量大、同一區(qū)塊成因基本一致等特點。

深層的邊坡問題主要表現(xiàn)為大型滑坡體失穩(wěn)，山體內(nèi)部存在弱地質(zhì)條件，進而在施工過程中產(chǎn)生滲漏、內(nèi)部塌陷、內(nèi)部溶洞等問題。白偉[8]等以烏東德水電站為例，發(fā)現(xiàn)其左岸進水口邊坡存在內(nèi)部巖溶問題，導(dǎo)致邊坡錨索支護施工困難。劉俊松[9]以西藏某水電站為例，其左壩肩存在大型滑坡體穩(wěn)定性問題，滑坡體方量約37.5 萬m3，滑坡體加固和防滲處理嚴(yán)重制約了工程進度。2016年四川省雅礱江桐子林水電站右岸原桐-雅公路（高程1 017～1 020 m）改建，雷運華等[10]指出開挖和支護的不及時，尤其是深層支護的滯后是導(dǎo)致該邊坡出現(xiàn)較大變形的主要因素。不同高程的錨索施工完畢后，邊坡巖體的整體變形將漸趨穩(wěn)定，故應(yīng)關(guān)注工程運行（包括公路下導(dǎo)流明渠開挖）及監(jiān)測成果情況，以便對邊坡進行及時分析論證并及時采取相應(yīng)工程措施［7］。不論何種層次的邊坡問題，在施工過程中均存在極大的安全威脅和隱患，制約工程進度，如不及時處理往往會帶來嚴(yán)重的財產(chǎn)損失和災(zāi)害。

1.2 蓄水誘發(fā)邊坡問題

庫區(qū)蓄水后，水位周期升降和水下滑體浸水軟化，誘發(fā)山體滑坡、局部沉降、塌陷等災(zāi)害。而當(dāng)庫區(qū)發(fā)生滑坡時，滑坡體入庫后會引起庫水位的上漲，進而誘發(fā)嚴(yán)重的涌浪次生危害。

武明鑫等[11]討論了11 座高混凝土壩工程蓄水后的河谷-庫壩變形原型觀測資料，指出水庫蓄水后能誘發(fā)庫盤沉降、谷幅變形以及壩體的累計徑向變形，不同工程誘發(fā)的主要變形形式和程度有個體差異但存在共性特征。宋丹青[12]分析了九甸峽庫區(qū)燕子坪滑坡在不同蓄水區(qū)段的變形位移，指出此滑坡機制為牽引式滑坡，破壞源于蓄水速率主要加劇作用和降雨次要作用下的蠕變破壞。裴向軍等[13]將錦屏一級水電站左岸大型人工開挖邊坡分為開口線高位傾倒變形區(qū)（一區(qū)）、上游山梁f5和f8殘留體變形區(qū)（二區(qū)）以及拱肩槽上游開挖邊坡變形區(qū)（三區(qū)）。分析表明，監(jiān)測點的位移、方位角及傾角在不同變形區(qū)域響應(yīng)特征不同，且變形均未收斂。

江強強等[14]采用大比尺物理模型模擬了三峽庫區(qū)黃土坡滑坡臨江Ⅰ號崩滑體滲流場、應(yīng)力場及位移場的變化特征，指出在水位驟降條件下其表現(xiàn)為動水壓力型滑坡破壞模式，在庫水位下降和降雨聯(lián)合作用下，坡體變形呈現(xiàn)典型的牽引式破壞模式。田忠等[15]以Heinrich（1992）的滑坡涌浪試驗為數(shù)值驗證算例，采用FLOW-3D 軟件數(shù)值模擬分析了山區(qū)庫岸滑坡涌浪的產(chǎn)生-傳播-翻壩全過程。王芳等[16]基于Geostudio數(shù)值模擬平臺，模擬計算了三峽庫區(qū)萬州區(qū)塘角1號滑坡各分區(qū)滑坡破壞概率，開展了次生涌浪災(zāi)害總經(jīng)濟風(fēng)險和庫區(qū)內(nèi)人口風(fēng)險評估。黃戰(zhàn)庫[17]指出拉西瓦水電站右岸壩前的果卜邊坡是處于臨界穩(wěn)定的天然邊坡，在人工強擾動作用下存在非均勻大變形問題。周建平等[18]指出黃河上游拉西瓦（壩高250 m）水庫蓄水后牽動了近壩庫岸高達600 m、9 240 萬m3的巨型變形體，當(dāng)前雖不會整體高速下滑，但仍需要繼續(xù)深化研究，提出風(fēng)險應(yīng)對措施，確保工程全生命周期在極端條件下的安全運行。

1.3 泄流誘發(fā)邊坡問題

泄流產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)為高速沖刷、空蝕空化和霧化雨侵蝕等。霧化雨是一種新發(fā)現(xiàn)的侵蝕問題。干旱峽谷地區(qū)的高水頭挑流消能型水電站中，泄流霧化改變原有部分地質(zhì)體（由天然干旱狀態(tài)轉(zhuǎn)變至富水狀態(tài)后）誘發(fā)滑坡問題。1989 年，龍羊峽水電站底孔泄流霧化誘發(fā)下游消能區(qū)右岸百萬方滑坡，修復(fù)工作持續(xù)了6年，工程總投資達3.08億元[19]。二灘水電站設(shè)計為空中碰撞消能，霧化問題突出。1998年汛期，在庫水位最高達到1 182.26 m高程的泄流條件下，處在壩身泄洪霧化影響區(qū)內(nèi)的中灘溝發(fā)生了約8 000～9 000 m3的泥石流，泥石流流入水墊塘引發(fā)底板破壞。1999年汛期，在設(shè)計庫水位1 200 m 高程的泄流條件下，多表孔和中孔聯(lián)合泄洪（約7 700 m3/s），壩后約700 m范圍內(nèi)的邊坡及附屬建筑物遭到了損壞，開挖線以上的表層覆蓋物（泥土、碎石、塊石及大孤石）滑落，大量滾落的石塊使開挖線以下已經(jīng)支護過的邊坡、馬道和馬道上的建筑物遭到了不同程度的毀壞，滯積的泥石流堵塞了邊坡交通梯道和各級馬道[20]。福建高唐水電站由2007年投產(chǎn)以來，每至汛期洪水季節(jié)，均因大流量泄洪對左岸邊坡形成沖刷，致使岸坡坡腳不斷后退，威脅下游結(jié)構(gòu)安全[21]。

2 邊坡問題的穩(wěn)定性分析和防控措施

邊坡問題存在極大的安全隱患和威脅，國內(nèi)專家對邊坡的穩(wěn)定性和防護措施進行了大量的研究，總結(jié)出了極為有效的處理經(jīng)驗和防護手段，逐漸由防護技術(shù)上的運用轉(zhuǎn)變到生態(tài)修復(fù)技術(shù)的改進，由點對點的問題處理深入到深層次的修復(fù)改善。

2.1 傳統(tǒng)工藝的邊坡處理技術(shù)

傳統(tǒng)的邊坡問題處理工藝已經(jīng)得到了熟練的運用。在拉西瓦、錦屏一、二級等水電站系統(tǒng)應(yīng)用了由鋼絲繩網(wǎng)、柔性鋼繩錨桿、支撐繩等組成的柔性主動防護系統(tǒng)和由鋼絲繩網(wǎng)、減壓環(huán)、支撐繩、鋼柱和張拉錨繩組成的柔性主、被動防護系統(tǒng)[22]，深層的邊坡問題還增加了系統(tǒng)的錨索、抗滑樁防護。王金龍等[23]采用有限元法，選取烏東德水電站距壩軸線392 m 的水墊塘右岸邊坡（位于霧化雨中心）為代表性坡面，指出裸露緩坡利于霧化雨入滲，弱透水材料防護可減少坡面霧化雨入滲量，坡體內(nèi)部滲透性上強、下弱的部位建議設(shè)置排水孔。尹鵬海等[24]開展了一次典型泄洪霧化降雨作用過程下，白鶴灘水電站左岸邊坡的滲流場模擬計算，結(jié)果表明泄洪霧化雨入滲是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素，提出邊坡表面噴護時需配置排水措施，威脅體局部置換等加固措施。練繼建等[25]以護坡不護底的烏東德水電站物理模型為基礎(chǔ)，揭示了護坡板塊的破壞力源——背/迎水面靜水壓差和脈動壓差的疊合作用，通過對比4 種護坡板塊（不透水、透水、封閉自排和封閉抽排）的受力特征，提出了組合傾斜開孔式透水護坡板塊和封閉自排護坡板塊應(yīng)用的工程實踐方案。

2.2 生態(tài)護坡技術(shù)

生態(tài)護坡技術(shù)方面，主要是針對已開挖邊坡的一種反饋治理，包含植被混凝土生態(tài)護坡技術(shù)（VCT）和厚層基材護坡技術(shù)（TBS）。侯燕梅[26]以向家壩擾動邊坡運用TBS 技術(shù)為研究對象，指出TBS技術(shù)可在一定程度上進行人工調(diào)控，但由于環(huán)境的復(fù)雜性，人為調(diào)控成效不一。應(yīng)豐等[27]對高海拔地區(qū)的擾動邊坡運用JYC生態(tài)基材護坡技術(shù)，針對高寒地區(qū)的氣候條件和生態(tài)脆弱問題進行了優(yōu)勢物種篩選、保水保肥技術(shù)研究，推廣了新技術(shù)的運用。李天斌等對JYC 生態(tài)基材護坡技術(shù)運用于高陡巖質(zhì)邊坡進行了研究，評價了該技術(shù)在高海拔巖質(zhì)邊坡區(qū)域的抗凍性、抗貧瘠性和穩(wěn)定性，將生態(tài)技術(shù)推廣至巖質(zhì)邊坡運用。多種生態(tài)護坡技術(shù)目前已全面、逐步深入地運用在邊坡治理修復(fù)中，但仍有待進一步推廣和應(yīng)用。

3 結(jié)語

（1）水利工程的施工、蓄水和泄洪三個階段，直接或間接造成了一系列的邊坡問題，目前邊坡問題凸顯、成因多樣、機制復(fù)雜、形式多變、治理難度大、投資成本高。

（2）現(xiàn)代水利水電工程邊坡治理和防護研究以“防滲-促排-降載”為設(shè)計基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)預(yù)測方法、護坡防護技術(shù)以及新型護坡結(jié)構(gòu)等方面不斷發(fā)展，為邊坡治理提供了全面完善的技術(shù)基礎(chǔ)，但技術(shù)發(fā)展、革新方面較弱，仍有待進一步提高。

（3）生態(tài)護坡是現(xiàn)代水利工程邊坡治理的時代要求，在謀求發(fā)展的同時應(yīng)加大生態(tài)防護，而VCT、TBS、JYC 等生態(tài)護坡技術(shù)在國內(nèi)有很大的推廣空間，在物種優(yōu)選、復(fù)雜地質(zhì)條件、物種多樣性等方面應(yīng)進行進一步的研究。