高山峽谷區(qū)大型水電站庫(kù)岸滑坡失穩(wěn)機(jī)理與風(fēng)險(xiǎn)管理研究

覃事河，鄭正勤，胡慶忠，朱永國(guó)

(1.國(guó)能大渡河金川水電建設(shè)有限公司，四川 阿壩 624100；2.國(guó)能大渡河猴子巖發(fā)電有限公司，四川 甘孜 626000；3.國(guó)能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，成都 610041)

水利水電工程庫(kù)岸滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，峽谷岸坡、巖性及構(gòu)造復(fù)雜的河段上修建的巨型或大型水電工程，其水庫(kù)庫(kù)岸滑坡數(shù)量多且滑坡現(xiàn)象嚴(yán)重、危險(xiǎn)性大，常威脅電站庫(kù)區(qū)附近居民、交通要道甚至水工建筑物的安全穩(wěn)定等[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)外不少專家學(xué)者已在庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面做了研究并取得了重要進(jìn)展[4-6]，但由于滑坡地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性及地質(zhì)條件的復(fù)雜性，現(xiàn)有的理論水平和技術(shù)方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡發(fā)生的時(shí)間、規(guī)模等信息精準(zhǔn)預(yù)測(cè)[7]，因此，滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理的必要性和重要性愈發(fā)凸顯。

本文研究的大渡河某水電站庫(kù)區(qū)滑坡地貌類型屬中高山深切河谷地貌，地質(zhì)條件復(fù)雜，庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性較差。根據(jù)可研階段的電站庫(kù)岸穩(wěn)定及坍岸風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)成果，規(guī)模較大的堆積體與滑坡體共計(jì)十余處，因此在電站建設(shè)期間與蓄水初期，滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理與地災(zāi)治理工作無疑成為建設(shè)單位關(guān)注的重點(diǎn)。水庫(kù)蓄水初期，出現(xiàn)了庫(kù)岸邊坡坍塌、古滑坡體復(fù)活、滑坡整體穩(wěn)定性變差等情況。鑒此，系統(tǒng)總結(jié)了該電站庫(kù)岸邊坡坍塌與滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，在深入研究滑坡失穩(wěn)機(jī)理并采用傳統(tǒng)管理手段的基礎(chǔ)上，考慮到巖質(zhì)滑坡的突發(fā)性與破壞性以及臨滑期間連續(xù)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)警的客觀現(xiàn)實(shí)需要[8-15]，以大渡河智慧企業(yè)建設(shè)為抓手[16-18]，提出了建立包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、三維激光掃描、微芯樁等多種監(jiān)測(cè)手段為一體的綜合智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，同步開展應(yīng)急管理與永久治理方案設(shè)計(jì)的綜合防治措施，以期為類似水利水電工程滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

該水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定市境內(nèi)，工程規(guī)模為一等大(1)型，樞紐建筑物主要由攔河壩、兩岸泄洪及放空建筑物、右岸首部式地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。攔河壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高為223.50 m，為國(guó)內(nèi)外已建的第二高混凝土面板堆石壩。水庫(kù)正常蓄水位為1 842.00 m，總庫(kù)容為7.06億m3，死水位為1 802.00 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容為3.87億m3，具有季調(diào)節(jié)性能。首臺(tái)機(jī)組已于2017年1月投產(chǎn)發(fā)電，末臺(tái)機(jī)組于同年11月具備投產(chǎn)條件。

該滑坡體地處青藏高原東南部川西北丘狀高原(習(xí)稱川西高原)東南緣向四川盆地過渡之深切高山峽谷區(qū)，區(qū)內(nèi)地形強(qiáng)烈切割，山高谷狹，地勢(shì)險(xiǎn)峻。庫(kù)壩區(qū)河段為高山深切曲流河谷地貌，高程3 500 m特別是4 000 m以上的高山地帶，常見冰斗、刃脊、角峰、“V”形谷(懸谷)等冰蝕地貌以及古冰川、冰斗、高山海子之殘存遺跡,表明第四紀(jì)時(shí)期晚更新世有過一期山谷冰川活動(dòng)(屬青藏高原末次冰期)；該高程以下河谷狹窄，水流湍急，谷坡陡峻，河谷形態(tài)以“V”型為主。兩岸谷坡階地分布零星，可見規(guī)模不等的Ⅰ～Ⅵ級(jí)階地，總體反映出該區(qū)晚第三紀(jì)以來強(qiáng)烈上升隆起，河流急劇下切侵蝕以及冰川作用強(qiáng)烈的特點(diǎn)。大渡河在該滑坡段總體凸向右岸，滑坡段下游側(cè)溪火溝切割較深，上游側(cè)雜交溝切割較淺。滑坡體上部為崩坡積堆積層，基巖巖性為綠片巖夾千枚巖，從滑坡中部穿過的省道復(fù)建公路附近基巖巖層產(chǎn)狀N10°～30°W/NE∠40°～55°，走向與該庫(kù)段坡向基本一致，為順向邊坡。微新綠片巖、千枚巖為較軟巖，而強(qiáng)風(fēng)化或強(qiáng)卸荷綠片巖、千枚巖多為軟巖。

滑坡體沿庫(kù)區(qū)省道復(fù)建公路長(zhǎng)約480 m，頂部高程為2 080 m，底部高程低于正常蓄水位，于2017年11月下旬出現(xiàn)變形跡象，2018年2月10—14日出現(xiàn)滑動(dòng)破壞，最大滑距約23 m，滑坡順河寬410～530 m，橫河長(zhǎng)340 m，滑動(dòng)深度約30～46 m，總體積約為450萬m3。高程2 080 m以上天然坡度約為45°～51°，植被發(fā)育稀疏；高程2 080 m以下一般為33°～40°，植被發(fā)育?；麦w下游部分，地形上為一突出山脊，溝梁相間，地形相當(dāng)不完整，下游側(cè)沖溝切割相對(duì)較深，溝槽切割5～12 m，溝內(nèi)有崩坡積塊碎石；滑坡體上游部分，上游側(cè)沖溝切割不明顯，為一相對(duì)淺凹槽地形，地形相對(duì)較完整?；麦w變形前航拍如圖1所示，滑坡體典型縱斷面如圖2所示。由于預(yù)警及時(shí)、決策果斷和管理有效，未造成人員傷亡。2018年4月初，該滑坡段實(shí)行應(yīng)急管制通行。目前，隧道已全部建成并改道通行。

圖1 滑坡體變形前航拍示意

圖2 滑坡體典型縱斷面示意

2 滑坡失穩(wěn)機(jī)理與風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 變形特征分析

2017年11月，該滑坡出現(xiàn)變形跡象，首先表現(xiàn)為路基外側(cè)高擋墻外傾，隨后路面出現(xiàn)1條縱向裂縫，長(zhǎng)度約30 m，寬度近2 cm。11月下旬，復(fù)建公路內(nèi)側(cè)開口線外邊坡出現(xiàn)裂縫，滑坡下游邊緣涵洞附近的公路路面出現(xiàn)明顯的擠壓破壞痕跡，路面出現(xiàn)4條縱向裂縫，且有多條斜向裂縫。跟接著公路路面及擋墻開始出現(xiàn)拉裂縫，坡面裂縫加劇，覆蓋層出現(xiàn)縱向裂縫，兩側(cè)出現(xiàn)裂縫呈羽列狀分布。

2017年12月中旬至2018年1月下旬期間，開展了2次詳細(xì)的裂縫普查和地質(zhì)測(cè)繪工作，主要對(duì)裂縫分布位置、裂縫長(zhǎng)度、裂縫寬度、裂縫深度及錯(cuò)臺(tái)高度等信息進(jìn)行綜合采集，建立了裂縫信息管理系統(tǒng)。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪，截止2017年12月16日，滑坡表面共發(fā)育61條裂縫，平面頂弧形拉裂較發(fā)育，兩側(cè)緣裂縫已出現(xiàn)，構(gòu)成形似“圈椅狀”。后緣裂縫多呈“弧”形展布，上、下游側(cè)緣裂縫呈羽列狀分布。裂縫分布高程介于2 074～1 842 m間。下游側(cè)L08裂縫最大張開寬度達(dá)0.8 m，最大錯(cuò)臺(tái)高度為0.8 m。延伸最長(zhǎng)的裂縫為滑坡后緣的L15裂縫，長(zhǎng)達(dá)76 m。

2018年1月31日，調(diào)查及測(cè)繪發(fā)現(xiàn)裂縫共85條，最長(zhǎng)裂縫約112 m，張開寬度一般為0.3～0.5 m，最寬達(dá)1.5 m，最大錯(cuò)臺(tái)高度為2 m，最大可見深度約 3 m，滑坡體分區(qū)如圖3所示，現(xiàn)場(chǎng)裂縫分布情況如圖4所示。下游邊界(側(cè)緣)與后緣裂縫基本貫通，坡面中部局部已形成縱向壓張裂縫，上游側(cè)緣拉裂縫斷續(xù)發(fā)育。坡面分布較多的孤石群，且孤石出現(xiàn)位移跡象。

圖3 滑坡體分區(qū)示意

圖4 現(xiàn)場(chǎng)裂縫分布示意

2018年2月初，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，滑坡區(qū)域發(fā)現(xiàn)裂縫100余條，裂縫寬度一般為0.5～0.8 m不等，裂縫最長(zhǎng)達(dá)120 m。滑坡后緣典型拉裂縫如圖5所示。下游邊界與后緣裂縫基本貫通，局部已形成弧形拉裂，表面有多處危巖體或孤石群分布，其中最大孤石為40 m×10 m×15 m，旁側(cè)地表已見多條裂縫，且裂縫已延伸至大孤石底部。孤石群總方量約15萬m3。

圖5 滑坡后緣典型拉裂縫示意

2.2 滑坡失穩(wěn)機(jī)理

采用深部測(cè)斜儀獲取了滑坡體滑移層變形特征及滑帶位置信息，坡面4個(gè)不同位置的深部測(cè)斜成果表明，滑坡變形深度在30～50 m之間。基于三維激光掃描技術(shù)，采用空間差值算法對(duì)滑坡體全域全過程掃描，該滑坡體三維整體變形可明顯分為3個(gè)區(qū)域(如圖6所示)，即頂部以沉降為主的大變形區(qū)、中間變形較小區(qū)、底部向外(指向河谷)突出變形區(qū)。對(duì)比滑坡體整體滑移前的兩期成果，表現(xiàn)為以沉降為主的大變形區(qū)及底部向外突出區(qū)不斷向中間變形較小區(qū)擴(kuò)展，底部向外突出區(qū)有向沖溝下游側(cè)擴(kuò)展的趨勢(shì)[19]。

(a) 2018.01.27—2018.01.31

(b) 2018.01.31—2018.02.03

蓄水后滑坡體前緣巖體及其結(jié)構(gòu)面軟化，強(qiáng)度降低，發(fā)生蠕滑，滑坡變形從坡腳向上發(fā)展至坡頂，即剛開始為牽引式變形。隨著后坡頂巖土體發(fā)生開裂下坐，對(duì)中下部巖土體產(chǎn)生擠壓作用，后緣拉裂縫近貫通，側(cè)向邊界逐漸貫通；特別是側(cè)向邊界貫通，坡體中部出現(xiàn)縱向壓張裂縫，邊坡變形由牽引式向推移式轉(zhuǎn)化。上部巖土體擠壓推動(dòng)下部巖體，隨著邊坡中間鎖固段被剪斷，滑坡體整體發(fā)生基巖順層剪切滑移破壞。

2.3 滑坡風(fēng)險(xiǎn)分析

滑坡存在坡面孤塊石的崩塌、局部坡面小范圍的塌滑，滑坡體大面積或整體性失穩(wěn)，大面積失穩(wěn)或整體性失穩(wěn)造成的次生災(zāi)害如涌浪等三類危險(xiǎn)源。直接危害對(duì)象有省道復(fù)建公路、滑坡上游邊界附近通村公路、附近居民、應(yīng)急處置施工人員及場(chǎng)地設(shè)施、水庫(kù)等；間接危害對(duì)象包括滑坡失穩(wěn)下滑產(chǎn)生涌浪波及范圍內(nèi)的對(duì)象，主要包括大壩樞紐等水工建筑物、涌浪波及范圍內(nèi)的民房、公路及橋梁等。由于滑坡體距離大壩壩址約14.5 km，離大壩等樞紐建筑物較遠(yuǎn)，其滑坡失穩(wěn)產(chǎn)生的涌浪對(duì)樞紐建筑物安全影響較小?；聟^(qū)域?qū)?yīng)的庫(kù)水深度約100 m，水面寬度約358 m，滑坡體整體失穩(wěn)不致產(chǎn)生堵江危害。滑坡危害程度評(píng)估情況見表1。

表1 滑坡危害程度評(píng)估

3 風(fēng)險(xiǎn)管理措施

3.1 建立了綜合智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

在實(shí)施高精度全站儀監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，以大渡河智慧企業(yè)建設(shè)為抓手，建立了包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、三維激光掃描、微芯樁在內(nèi)的覆蓋整個(gè)滑坡區(qū)域的綜合智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，打造了現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)標(biāo)桿，增強(qiáng)了智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了全天候?qū)崟r(shí)預(yù)測(cè)預(yù)警，徹底解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段在滑坡體臨滑階段無法監(jiān)測(cè)預(yù)警的難題。同步使用無人機(jī)航拍滑坡地貌、無人船測(cè)水下地形等手段掌握滑坡變形特征。

以微芯樁監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)為例，截止2019年12月31日，該系統(tǒng)累計(jì)發(fā)出紅色預(yù)警657次，黃色預(yù)警1 961次?；麦w整體滑移前后，該監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出避險(xiǎn)警報(bào)并成功引導(dǎo)避險(xiǎn)近10次。其中，2018年2月5日，微芯樁所測(cè)傾斜值日變化量逐漸增大趨勢(shì)明顯，滑坡體部分測(cè)點(diǎn)日變形量超過一級(jí)預(yù)警值50 mm，立即發(fā)出了危險(xiǎn)預(yù)警并啟動(dòng)一級(jí)預(yù)警響應(yīng)。2018年2月6—9日，微芯樁傾斜持續(xù)發(fā)出紅色預(yù)警；截止2月9日，多個(gè)微芯樁傾角超過10°；當(dāng)日夜晚，滑坡體下方省道復(fù)建公路垮塌。

3.2 基于監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)急管理

應(yīng)急車道形成前，依托綜合智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，分部位、分時(shí)間、分高程，對(duì)滑坡體精準(zhǔn)施策，科學(xué)搶險(xiǎn)。提前規(guī)劃并在滑坡區(qū)域外開辟人行便道，解決了春節(jié)期間當(dāng)?shù)匕傩諢o法對(duì)外出行的困難。應(yīng)急車道形成后，通過智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)預(yù)警，動(dòng)態(tài)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)24 h交通管制工作。在滑坡變形初期、滑移后變形趨緩的前提下，組織開展坡面日常巡視、邊坡危石清理或支擋、坡面淺表裂縫封閉、裂縫普查與地表監(jiān)測(cè)等工作，擇機(jī)在省道復(fù)建公路內(nèi)側(cè)增設(shè)“擋墻工字鋼+竹跳板”、坡面孤塊石包裹等臨時(shí)安全防護(hù)措施，動(dòng)態(tài)完善安全警示標(biāo)識(shí)，及時(shí)發(fā)布風(fēng)險(xiǎn)信息；不定期處理坑洼路面與陡坡段，持續(xù)改善應(yīng)急通行條件，確保車輛快速通過滑坡區(qū)域。

3.3 應(yīng)急搶險(xiǎn)與永久治理設(shè)計(jì)方案

變形初期，按照以下方案開展了應(yīng)急搶險(xiǎn)施工：采用豎梁錨索對(duì)滑坡下游右側(cè)路肩墻加固，豎梁底部置于擋墻墻趾，豎梁與錨索參數(shù)同一期施工設(shè)計(jì)參數(shù)。預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)：P=350 kN，L=25 m、28 m，間距為5 m，矩形長(zhǎng)短交錯(cuò)布置，傾角為5°，鎖定張拉力1 500 kN。錨索節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置C25混凝土框格梁，豎梁斷面尺寸為50 cm×50 cm。滑坡變形范圍公路上方1 863 m、1 868 m、1 873 m高程分別布置預(yù)應(yīng)力錨索70束，預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)：P=2 000 kN，L=75 m、80 m，間距為5 m，矩形長(zhǎng)短交錯(cuò)布置，傾角為5°，鎖定張拉力1 500 kN。錨索節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置C25混凝土框格梁，框格梁斷面尺寸為40 cm×40 cm，在橫向框格梁的兩節(jié)點(diǎn)中間處布置Φ100、L=0.4 m的PVC排水管。滑坡變形加劇后，取消了搶險(xiǎn)施工。

對(duì)減載加固方案和隧洞繞線方案進(jìn)行比選后，采用隧道繞線方案作為滑坡永久治理方案。該方案路線全長(zhǎng)為1.10 km，其中明線長(zhǎng)0.162 km，隧道長(zhǎng)0.938 km，無橋梁，采用三級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為30 km/h，路基寬度為7.5 m，路面結(jié)構(gòu)形式為水泥混凝土路面。隧道建筑限界采用9.0 m×5.3 m，隧道內(nèi)雙向行車道寬度為2 m×3.25 m。在開展應(yīng)急管理工作的同時(shí)，啟動(dòng)了滑坡穩(wěn)定性分析與治理方案咨詢、永久治理方案設(shè)計(jì)并深化了設(shè)計(jì)成果，提前開展了征地協(xié)調(diào)、設(shè)計(jì)方案報(bào)批及招標(biāo)采購(gòu)工作，為啟動(dòng)隧道施工與提前結(jié)束滑坡不安全狀態(tài)爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間。

4 結(jié)語

1) 該滑坡體邊坡為順向坡結(jié)構(gòu)，巖層傾角總體略大于邊坡坡度，巖體中綠片巖和千枚巖多為軟巖～較軟巖，蓄水后前緣巖體及其結(jié)構(gòu)面軟化。初期為下部蠕滑變形牽引上部巖土體開裂下坐，后期上部裂縫貫通后對(duì)下部產(chǎn)生擠壓推動(dòng)，邊坡破壞方式向推移式轉(zhuǎn)化。破壞模式以沿基巖中順層軟弱夾層或?qū)用婊瑒?dòng)為主。

2) 系統(tǒng)總結(jié)了大渡河某水電站庫(kù)岸邊坡坍塌與滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，提出了“建立綜合智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，應(yīng)急管理與永久治理方案設(shè)計(jì)同步開展”的綜合防治措施，具有現(xiàn)實(shí)意義。以綜合智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開展應(yīng)急搶險(xiǎn)與交通管制工作，取得了良好的安全效益與社會(huì)效益。

3) 由于滑坡的復(fù)雜性，其風(fēng)險(xiǎn)分析、評(píng)價(jià)及管理工作極具挑戰(zhàn)，有必要進(jìn)一步完善企地協(xié)同機(jī)制、共同推進(jìn)應(yīng)急管理工作，特別是滑坡變形初期，企業(yè)組織實(shí)施的交通管制缺乏執(zhí)法力量、效力不足。