葉巴灘水電站樞紐區(qū)自然邊坡危險源的基本發(fā)育特征

劉 云 鵬， 許 明 軒

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

葉巴灘水電站位于四川省與西藏自治區(qū)界河——金沙江上游干流上，處于金沙江上游中部河段，上游水庫回水至波羅水電站，下游與拉哇水電站銜接，對整個金沙江上游梯級電站的開發(fā)起作承上啟下的作用。電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，同時具有環(huán)境保護(hù)、旅游等方面的綜合效益。

該電站樞紐區(qū)的自然邊坡高陡，淺表卸荷較為強(qiáng)烈，巖體局部松弛，局部沖溝切割突出小山脊邊坡巖體松弛卸荷較為明顯，并受結(jié)構(gòu)面切割，局部構(gòu)成不利組合。樞紐區(qū)的自然邊坡經(jīng)歷了地質(zhì)歷史時期的長期考驗，未曾受到人類工程活動影響，邊坡整體穩(wěn)定。但是，在長期風(fēng)化、卸荷等物理地質(zhì)作用下，多處形成危巖體和不穩(wěn)定塊體，時有滾石和崩塌發(fā)生，尤其“高懸”于樞紐區(qū)建筑物上部坡體的巖體，即使局部較小范圍的“危巖體”失穩(wěn)，形成高位崩塌，也會對施工安全帶來重大威脅，運行期還可能給樞紐區(qū)建(構(gòu))筑物帶來重大破壞，甚至嚴(yán)重后果。

2 基本地質(zhì)條件

葉巴灘水電站壩址區(qū)兩岸山體雄厚，山勢巍峨，自然邊坡地形陡峭，山頂高程大于4 000 m，相對高差大于1 000 m，屬高山地貌。壩址區(qū)河谷狹窄，谷坡陡峻，一坡到頂，緩坡平臺不發(fā)育，為基本對稱的深切“V”型峽谷。壩址區(qū)2 740 m低高程谷寬70～110 m，2 889 m高高程谷寬350～460 m。左岸岸坡坡度45～55°，局部為陡崖地貌，地形總體較完整，局部淺溝與山脊相間。右岸坡度40～45°，較左岸稍緩。尾水出口區(qū)邊坡坡度40～45°，自然邊坡地形較完整，地表沖溝不發(fā)育。

樞紐區(qū)覆蓋層主要為河床沖積層(alQ4)及兩岸坡腳與緩坡地帶的崩、坡積層(colQ4、col+dlQ4)，局部沖溝溝口分布少量洪積堆積(plQ4)。樞紐區(qū)出露基巖地層單一，為華力西期中酸性侵入石英閃長巖(δο43)與花崗閃長巖(γδ43)組成的簡單復(fù)式巖株。壩址區(qū)出露基巖主要為石英閃長巖(δο43)，自俄德西溝一帶向下游，基巖巖性逐漸過渡為花崗閃長巖(γδ43)，尾水出口區(qū)自然邊坡基巖為石英閃長巖。

樞紐區(qū)在區(qū)域上位于金沙江斷裂帶分支竹英—山巖斷裂與斜插于金沙江斷裂帶的波羅—沙瑪斷裂之間，無區(qū)域性斷裂通過，樞紐區(qū)及外圍構(gòu)造線方向總體為NW向，基本與區(qū)域構(gòu)造格架吻合，區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造不發(fā)育。樞紐區(qū)構(gòu)造主要分為斷層、擠壓破碎帶及節(jié)理裂隙。

3 樞紐區(qū)自然邊坡危險源基本特征

3.1 自然邊坡危險源控制條件

3.1.1 卸荷風(fēng)化控制

在地形陡峻或溝道側(cè)壁地帶，邊坡巖體多強(qiáng)烈卸荷風(fēng)化，松弛張裂。由于邊坡側(cè)向應(yīng)力削弱后(例如河谷下切)，卸荷回彈，坡面產(chǎn)生張裂隙，這種張裂隙多與陡峻的坡面平行，或追蹤原生陡裂隙的結(jié)構(gòu)面發(fā)育；當(dāng)河谷進(jìn)一步深切，卸荷裂隙愈向深部發(fā)展，裂隙頂部張開度愈來愈寬。由于卸荷差異回彈，還可能產(chǎn)生與坡面大角度相交或近于垂直的剪切裂隙。隨著卸荷裂隙由坡面向坡內(nèi)發(fā)展，在邊坡坡表一定范圍內(nèi)形成了卸荷帶或松弛張裂帶，加之后期水的影響、溫度變化、生物參與等風(fēng)化作用，坡表局部區(qū)域的巖體結(jié)構(gòu)會更加破碎。

3.1.2 不利結(jié)構(gòu)面控制

對于順向邊坡而言，由于存在外傾結(jié)構(gòu)面，邊坡巖體在結(jié)構(gòu)面臨空或坡腳巖體被剪斷的情況下，沿一組結(jié)構(gòu)面整體向下滑移，因此，更多形成順外傾結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)的平面型滑動。邊坡巖體在兩組或兩組以上結(jié)構(gòu)面組合條件下，當(dāng)兩個滑動面交線方向指向坡外，就會沿兩個滑動面交線方向失穩(wěn)的楔型體滑動。若遇到緩傾角結(jié)構(gòu)面與中陡傾角互相組合，則可能在底部失去支撐塊體后，形成逐漸向上發(fā)展的臨空墜落。

3.1.3 時效變形控制

巖、土體由于時間效應(yīng)，在一定時間內(nèi)變形逐漸積累，當(dāng)達(dá)到一定程度以后就會發(fā)生量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)換，最終發(fā)生失穩(wěn)。傾倒和潰屈就是時效變形的結(jié)果。在發(fā)育有中陡傾坡內(nèi)或陡傾坡外結(jié)構(gòu)面的邊坡前緣臨空面，表層巖體易向臨空方向傾倒變形并拉裂。而順傾向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的邊坡，巖層傾角與坡角大致相似，邊坡下部巖層逐漸向上鼓起，產(chǎn)生層面拉裂和脫開的潰屈。傾倒和潰屈本身屬于巖體結(jié)構(gòu)的蠕變作用。

3.1.4 不利工況控制

暴雨、地震、人為擾動等都是引起危險源變形破壞的不利工況。該電站樞紐區(qū)自然邊坡沖溝內(nèi)大多分布有崩坡積及殘坡積塊碎石土，由于沖溝坡降較大，在暴雨情況下，溝內(nèi)塊碎石土存在隨地表徑流順勢而下的可能，將對道路及工程邊坡產(chǎn)生威脅。修整道路過程中，對坡腳的切坡造成前緣臨空、抗滑力下降，在無支擋防護(hù)條件下，具有局部垮塌的可能；爆破振動對近平衡狀態(tài)的危險源巖體威脅最大。地震工況是最不利工況，由于震動荷載的周期性擾動，可造成邊坡巖體的進(jìn)一步損傷并導(dǎo)致危險源被震動松弛從而發(fā)生解體破壞，波及廣、范圍大、影響強(qiáng)烈。

3.2 自然邊坡危險源分類及發(fā)育特征

3.2.1 按成因及變形破壞類型分類

葉巴灘水電站樞紐區(qū)自然邊坡危險源按成因及變形破壞類型分為三大類：一類是邊坡表層巖體受各種結(jié)構(gòu)面切割后，特別當(dāng)巖體表淺部位側(cè)向及順坡向的卸荷拉裂后，在自重應(yīng)力、孔隙水壓力等作用下沿一組或多組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生拉裂(或剪切)破壞，而使被切割的結(jié)構(gòu)體處于極限平衡狀態(tài)(或近極限平衡狀態(tài))，一般具有巖體架空、松動現(xiàn)象，并呈塊裂―碎裂結(jié)構(gòu)，按主要發(fā)育特征定義為“危巖體”、“危石”或“危石群”；另一類為坡面上零星分布、具有一定體積的(一般大于1 m3)、孤立的巖石塊體。若以單體形式呈現(xiàn)的則稱為孤石；若以群體形式呈現(xiàn)、塊石之間相互重疊、集中連片分布的則稱為孤石群；還有一類為自然邊坡沖溝內(nèi)的塊碎石土，在暴雨情況下，有可能順勢而下，該工程中定義為“溝谷堆積塊碎石”。上述地表危險源具體分類見表1。

表1 自然邊坡危險源類型分類表

3.2.2 按規(guī)模分類

現(xiàn)場調(diào)查表明，樞紐區(qū)自然邊坡危險源規(guī)模一般不大，根據(jù)本工程的實際情況，危險源規(guī)模分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

3.3 自然邊坡危險源穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)

表2 危險源規(guī)模分級標(biāo)準(zhǔn)

危險源是一個多因素相互作用、協(xié)調(diào)發(fā)展的復(fù)雜系統(tǒng)。處于極限平衡狀態(tài)(或近極限平衡狀態(tài))的危險源，重力是其控制因素，降雨、振動(地震或爆破等)是危險源失穩(wěn)的誘發(fā)因素。根據(jù)葉巴灘水電站樞紐區(qū)危險源發(fā)育的工程地質(zhì)條件、可能失穩(wěn)模式，評價工作中以宏觀定性為主。

評價因素對于基巖危險源(本工程中主要為危巖體)主要包括地形坡度及植被發(fā)育特征、結(jié)構(gòu)面特征和危險源類型等三方面，葉巴灘水電站基巖危險源定性評判標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 自然邊坡基巖危險源穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)

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

對于覆蓋層危險源(本工程主要為溝谷塊碎石)評價因素主要為沖溝坡比降、匯水面積、流域特征及堆積物特征等四個方面，葉巴灘水電站溝谷塊碎石危險源定性評判標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 自然邊坡覆蓋層危險源穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)

注：可根據(jù)沖溝威脅對象情況，對危險源穩(wěn)定性程度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整

穩(wěn)定性評價分為穩(wěn)定性極差、穩(wěn)定性差、穩(wěn)定性較差三類，由于葉巴灘水電站樞紐區(qū)自然邊坡高陡，凡是危險源都或多或少存在安全隱患。對危巖體除采用上述定性標(biāo)準(zhǔn)外，還采用赤平投影法判定危巖體的的穩(wěn)定程度。

3.4 前期主要調(diào)查成果

樞紐區(qū)自然邊坡發(fā)育危險源的主要有左右岸纜機(jī)平臺自然邊坡、右岸電站進(jìn)水口及開關(guān)站自然邊坡、左岸和右岸壩肩自然邊坡、右岸尾水洞出口自然邊坡。

經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，樞紐區(qū)范圍內(nèi)自然邊坡共發(fā)育93處危險源，其中左岸23處、右岸70處。首次根據(jù)危險源類型統(tǒng)計出危巖體(WY)57處，危石(WS)10處，危石群(WSQ)11處，孤石(GS)1處，溝谷堆積塊碎石(GK)3處。后采用無人機(jī)技術(shù)對樞紐區(qū)危險源進(jìn)行復(fù)核，又增加危險源11處，左岸新增3處，其中有1處危石群，2處溝谷堆積塊碎石區(qū)；右岸新增的8處，其中有5處危石群，3處溝谷堆積塊碎石區(qū)。樞紐區(qū)危險源類型以危巖體(WY)為主，其占比達(dá)60.2%；根據(jù)野外穩(wěn)定性初步評價，93處危險源中，25處穩(wěn)定性極差，47處穩(wěn)定性差，21處穩(wěn)定性較差；據(jù)樞紐區(qū)危險源規(guī)模、方量的統(tǒng)計與歸納結(jié)果，選取200、2 000作為規(guī)模分級的界限值，大、中、小型危險源數(shù)量比例約為1.9∶3.3∶1.0，發(fā)育大型危險源28處，其中左岸13處、右岸15處；中型危險源50處，其中左岸6處、右岸44處；小型危險源共計15處。

經(jīng)綜合分析判斷，樞紐區(qū)分布30處危險性大(Ⅰ級)危險源，其中左岸11處、右岸19處；55處危險性中等(Ⅱ級)危險源，其中左岸12處、右岸43處；8處危險性小(Ⅲ級)危險源，均發(fā)育于右岸。

樞紐區(qū)自然邊坡大部分基巖裸露，植被發(fā)育較差，巖體卸荷強(qiáng)烈，部分山脊表部形成危巖體或危石群，危險源分布較廣，其中79處危險源對樞紐區(qū)內(nèi)主要建筑物有直接影響，另外14處危險源由于其發(fā)育部位與自然邊坡距離較遠(yuǎn)或不位于重要建筑物自然邊坡范圍內(nèi)，僅對道路交通、施工期安全等存在一定影響。

需要強(qiáng)調(diào)的是，不能僅從危險源數(shù)量上說明右岸比左岸發(fā)育，因為岸坡度相對于左岸要緩，植被相對發(fā)育，因此危險源較為分散，而左岸3000m高程以上，地形陡峻，基巖裸露，造成連片發(fā)育的特征，這與樞紐區(qū)左、右岸基本地質(zhì)條件包括兩岸巖性、風(fēng)化卸荷及構(gòu)造斷裂發(fā)育程度及規(guī)律基本一致。

4 自然邊坡危險源防治措施建議

葉巴灘水電站樞紐區(qū)自然邊坡危險源主要可分為巖質(zhì)危險源和土質(zhì)危險源兩大類，具體可細(xì)分為危巖體、溝谷堆積塊碎石等，危害對象涉及到左右岸壩肩及纜機(jī)平臺、開關(guān)站、電站進(jìn)水口及尾水洞出口、導(dǎo)流洞進(jìn)出口等。自然邊坡的治理不同于工程邊坡，多數(shù)危險源分布于高位，施工交通道路極為不便，而且危險源的類型、破壞方式不同，另外所影響水工建筑物的類型也有所差異；對樞紐區(qū)自然邊坡各個危險源均進(jìn)行較為系統(tǒng)的工程處理措施，治理難度和代價極大，因此，對自然邊坡危險源的防治措施和防治強(qiáng)度應(yīng)有所區(qū)分。

(1)根據(jù)受威脅對象的不同，危險源防治程度應(yīng)做到“分區(qū)對待”的原則：

永久性建筑，防治措施要保證在整個水電站施工和正常運營期間危險源均不會對其相應(yīng)的水工建筑產(chǎn)生重大危害，不能影響水電站正常運營，所以對于危險源除巡檢、指示牌預(yù)警外，尚需要采取一定的工程措施防護(hù)，其防治強(qiáng)度相對臨時建筑物要高。

臨時邊坡，需保證在水電站建設(shè)期間，不會由于危險源的失穩(wěn)破壞影響工程的進(jìn)展、人員和設(shè)備的安全；但對于治理難度較大、研究深度尚不深入的臨時邊坡而言，進(jìn)行大強(qiáng)度的工程防護(hù)無論是從經(jīng)費上還是集中力量建設(shè)大壩這一戰(zhàn)略上均不現(xiàn)實。因此，在保證建設(shè)期間人員、設(shè)備安全的前提下，可適當(dāng)降低治理強(qiáng)度，但要加強(qiáng)巡檢、預(yù)警、調(diào)度控制方面的投入。

(2)對于同樣的受威脅對象，例如都是永久性建筑，應(yīng)根據(jù)危險源的危害程度采用不同的治理手段。在對危險源的治理過程中，建議先治理危險性等級大、受危害對象等級較高的危險源，因為此類危險源的危險程度相對較高，治理需求也相對較迫切，如右岸導(dǎo)流洞進(jìn)口、右岸電站進(jìn)水口及開關(guān)站、左岸導(dǎo)流洞進(jìn)口等；應(yīng)采用主動治理和被動防護(hù)相結(jié)合的方式消除化解危險源或提高危險源的穩(wěn)定性，從而降低危險源的危害程度。

(3)當(dāng)危險源危害程度大體相近時，應(yīng)根據(jù)危險源穩(wěn)定性大小采用不同的治理手段。首先對穩(wěn)定性極差或差的危險源進(jìn)行治理。因為這些危險源天然狀態(tài)下已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)受到降雨作用、人工開挖爆破等擾動作用時，極易誘發(fā)崩滑、墜落，對施工期的建設(shè)造成巨大影響，需要及時并提前根據(jù)危險源具體特點，采用清除、支撐、灌漿、錨固或必要的排、擋、導(dǎo)等處理措施進(jìn)行治理。

(4)由于地質(zhì)條件和危險源的復(fù)雜性，不可能對研究區(qū)所有危險源進(jìn)行主動治理，也可能由于漏調(diào)或主動加固技術(shù)施工難度大而沒有進(jìn)行主動加固治理，因此，被動防護(hù)就顯得尤為重要，尤其需在建筑物開口線附近外側(cè)，設(shè)被動防護(hù)網(wǎng)，以保障施工安全；同時，在開口線處應(yīng)加強(qiáng)鎖口，對天然邊坡地表植被應(yīng)盡量保護(hù)。在危險源未得到治理加固的情況下，施工時要加強(qiáng)排查及巡檢，以便發(fā)現(xiàn)問題及時上報。

值得注意的是，降雨是工程建設(shè)期間最常遇也是最有可能導(dǎo)致潛在危險源失穩(wěn)的工況，因此危險源的治理應(yīng)做好地表及危險源內(nèi)部排水措施。根據(jù)危險源類型、危險性等級及危害程度，結(jié)合葉巴灘水電站壩址區(qū)地質(zhì)特點，對危險源提出處理措施的地質(zhì)建議見表5。

5 結(jié) 語

(1)葉巴灘水電站樞紐區(qū)的自然邊坡高陡，局部地形完整性差，巖體松弛，尤其是三面臨空或地形相對突出的山脊部位和高高程的邊坡巖體，臨空條件較好，淺表卸荷強(qiáng)烈，易形成風(fēng)化、卸荷拉裂危巖體，其破壞形式主要表現(xiàn)為崩塌、滑動，個別部位巖體見傾倒破壞現(xiàn)象。

(2)考慮對樞紐建筑物施工及運營期的安全影響程度不同以及施工處理的難易程度，將一級谷肩至分水嶺一帶的自然邊坡作調(diào)查對象，勘察評價范圍重點為對工程有直接影響的自然邊坡。一般是對主要的、較集中的、危害較大的危險源進(jìn)行了勘察及評價，一些小型的、分布零星的危險源需要在后期調(diào)查過程中逐漸排查。

表5 自然邊坡危險源防治措施建議

(3)在對危險源的治理過程中，首先應(yīng)治理穩(wěn)定性極差或危害程度大的危險源，因為此類危險源危險程度相對較高，治理需求也相對較迫切，如右岸導(dǎo)流洞進(jìn)口、右岸電站進(jìn)水口及開關(guān)站、左岸導(dǎo)流洞進(jìn)口；其次對穩(wěn)定性差、危害性中等的危險源進(jìn)行治理。在危險源未得到治理加固的情況下，施工時要加強(qiáng)排查及巡檢，以便發(fā)現(xiàn)問題及時上報。同時，在建筑物開口線附近外側(cè)，設(shè)被動防護(hù)網(wǎng)，以保障施工安全；在開口線處應(yīng)加強(qiáng)鎖口；對天然邊坡地表植被應(yīng)盡量保護(hù)。注重過程控制，特別是施工過程中應(yīng)配備危險源安全監(jiān)測和管理人員，加強(qiáng)施工及運行期邊坡巡視和監(jiān)測。

(4)受勘察條件及各種因素所限，除本報告所列危險源外，樞紐工程區(qū)內(nèi)仍可能存在一定數(shù)量、且具有一定規(guī)模的危險源未予以發(fā)現(xiàn)、調(diào)查，需要在施工期樞紐工程區(qū)各工程邊坡場內(nèi)交通、道路等勘察條件具備時，對各工程部位自然邊坡進(jìn)一步復(fù)核、排查，為下一步自然邊坡治理設(shè)計工作提供可靠、詳實的地質(zhì)資料與依據(jù)。