索風(fēng)營(yíng)Dr2邊坡工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣法安全分析

劉 湘，劉世煌，王 東，樊一璟，梁勤正，劉后露，4

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；3.國(guó)網(wǎng)四川綜合能源服務(wù)有限公司，四川 成都 611130；4.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概述

水利水電工程是受外部條件制約的復(fù)雜工程，由于水文、地質(zhì)及材料參數(shù)等內(nèi)外部條件本身的隨機(jī)性和復(fù)雜性，水利水電工程設(shè)計(jì)在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上與概率統(tǒng)計(jì)結(jié)合，以既定頻率下的外部條件和材料參數(shù)為依據(jù)，以不發(fā)生建筑物失穩(wěn)或破壞作為設(shè)計(jì)要求，在強(qiáng)調(diào)建設(shè)必要性基礎(chǔ)上，進(jìn)行技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)合理性比較和相應(yīng)設(shè)計(jì)。但是由于風(fēng)險(xiǎn)是絕對(duì)的，且與工程建設(shè)和運(yùn)行往往共存，既定概率和既定概率組合并不能含蓋所有可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。按工程等級(jí)和危害嚴(yán)重程度確定的安全儲(chǔ)備，無法反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性，工程設(shè)計(jì)既可能偏于安全，也可能在工程建設(shè)和工程運(yùn)行期出現(xiàn)一些事故[1]。

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們更關(guān)注投資風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的管控，除了提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外，又引進(jìn)了風(fēng)險(xiǎn)分析理論。在可行性論證階段借助風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，規(guī)避一些重大風(fēng)險(xiǎn)，在建設(shè)與運(yùn)行期，借助風(fēng)險(xiǎn)防控手段實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)管控，并編制相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，防止風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)大。風(fēng)險(xiǎn)管控的范圍正逐步擴(kuò)大，但目前風(fēng)險(xiǎn)管控仍是設(shè)計(jì)成果之外的一種輔助安全手段。隨著風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)的不斷提高以及工程實(shí)踐的不斷豐富，在確保工程安全、經(jīng)濟(jì)合理和方便管理的前提下，風(fēng)險(xiǎn)理念能否真正貫穿于工程設(shè)計(jì)之中，融合于工程等級(jí)及安全系數(shù)選取之內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)管控能否與工程設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，從而使工程設(shè)計(jì)更科學(xué)合理，是水電工程設(shè)計(jì)工作發(fā)展的一個(gè)新課題。

索風(fēng)營(yíng)電站Dr2危巖體78.5萬m3，自身穩(wěn)定安全系數(shù)1.0552，為基本穩(wěn)定邊坡，失穩(wěn)概率較小。但由于危巖體直接威脅下方進(jìn)水口及中控樓的安全，按不允許失穩(wěn)邊坡的要求，加固工程耗資2.2億元，歷時(shí)10年4個(gè)月。該危巖體的處理忽視自穩(wěn)條件、忽視失穩(wěn)發(fā)生可能性，花費(fèi)了巨大的時(shí)間和財(cái)務(wù)成本。本文引進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣法，在考慮風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重性的基礎(chǔ)上，綜合考慮了勘探深度及風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性，把定性分析發(fā)展到半定量分析，為工程設(shè)計(jì)與連鎖類風(fēng)險(xiǎn)分析有機(jī)結(jié)合做些探索。

2 索風(fēng)營(yíng)水電站工程簡(jiǎn)介

索風(fēng)營(yíng)水電站位于貴州省修文縣與黔西縣交界的烏江干流上，水庫總庫容2.012億m3，裝機(jī)600MW，為Ⅱ等工程。水庫正常水位837m，工程由壩高115.8m、壩頂長(zhǎng)168.58m的碾壓混凝土重力壩、壩身開敞式溢流表孔、右岸引水系統(tǒng)和地下廠房等主要建筑物組成[2]。

由于第三紀(jì)以來地殼的上升運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)烈的剝蝕與侵蝕作用，河谷兩岸地形陡峻，巖體彈模較高，蓄能條件較好，中等地應(yīng)力，近臨空面巖體中順河向卸荷裂隙較為發(fā)育，強(qiáng)卸荷帶寬20～30m，卸荷裂隙延伸較長(zhǎng)，切割較深，最大開口寬1.0～1.5m。受順河向卸荷裂隙和垂直河流向裂隙的切割，再加上T1y3泥巖中軟弱夾層發(fā)育，在風(fēng)化、溶蝕以及重力等作用下，巖體卸荷、崩塌現(xiàn)象發(fā)育，影響水工建筑物的布置和施工、運(yùn)行的安全。

3 Dr2危巖體及其處理

3.1 危巖體概況

勘探查明：右壩肩進(jìn)水口及中控室上方的灰?guī)r陡崖EL900-1085m中，共發(fā)現(xiàn)七條主要裂隙，其中距右壩肩水平距離140m處，發(fā)育一條長(zhǎng)約160m的L1卸荷裂隙，該裂隙順河流方向發(fā)育，產(chǎn)狀N10-20°W、SW，∠85-90°，連通率90%以上，裂隙面平直陡立，卸荷高度180m，切割T1y3泥巖中的J2、J3、J4軟弱夾層(尚未切割J1)，開口上大下小，最大張開寬1.5m，縫內(nèi)沖填黃色粘土和鈣化物，厚5～50cm，局部鈣化物膠結(jié)良好，說明該危巖體沿裂隙面近期無變形及拉裂現(xiàn)象[3- 4]，但該裂隙已使裂隙面前后巖體脫離，與下方泥巖T1y3中的軟弱夾層及上下游沖溝組合，構(gòu)成Dr2危巖體。危巖體外側(cè)為Ⅲ堆積體，堆積體表面為粘土加碎石，下部以塊石為主，物質(zhì)主要為T1m1薄至中厚層灰?guī)r，塊徑一般大于0.5m，局部可達(dá)10m以上，大孤石層理清楚，產(chǎn)狀明顯與周邊巖層產(chǎn)狀不一致，呈假基巖狀分布，為后緣陡壁上松動(dòng)巖體崩塌和座滑所致[3]。Dr2危巖體方量78.5萬m3，其中約24萬m3被埋于早先滑塌的Ⅲ堆積體內(nèi)。在右壩肩、進(jìn)水口、纜機(jī)平臺(tái)、公路施工過程中，Dr2危巖體有微小變形，Ⅲ號(hào)堆積體有壓縮變形跡象。Dr2危巖體與主要裂隙位置如圖1所示，Dr2危巖體及Ⅲ堆積體和軟弱夾層剖面圖如圖2所示。

圖1 Dr2危巖體與主要裂隙位置圖

圖2 Dr2危巖體及Ⅲ堆積體和軟弱夾層剖面圖

3.2 危巖體處理措施

鑒于Dr2危巖體規(guī)模大，后緣與完整巖體基本脫離，底部為軟弱泥巖，且發(fā)育多條層間擠壓帶，整體穩(wěn)定性較差，根據(jù)地勘資料并綜合分析其與堆積體組成及形成過程，認(rèn)為：Dr2破壞模式以沿軟弱夾層的剪切座滑和滑移形式為主，Ⅲ號(hào)堆積體對(duì)Dr2的穩(wěn)定有利。計(jì)算表明在相同持久荷載(自重和土壓力)作用下，L1與J4、J3、J2、J1組合后，其安全系數(shù)分別為1.15、1.0954、1.141、1.0166、即L1切斷D1y1與J1組合后，安全系數(shù)最小。從安全計(jì)，Dr2抗滑穩(wěn)定計(jì)算中假定L1剪斷D1y1與J1相通。

假定L1卸荷裂隙切割J1軟弱夾層，經(jīng)復(fù)核Dr2抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.0552，雖滿足自然邊坡穩(wěn)定要求，但考慮該邊坡位于進(jìn)水口及中控樓的上方，Dr2失穩(wěn)將對(duì)工程安全和正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重連鎖影響，將該邊坡定為2級(jí)，再假定L1穿透T1y3泥巖與J1相通，按照2級(jí)工程邊坡[K]=1.2的要求，對(duì)Dr2危巖體進(jìn)行下述加固處理[3- 4]：

(1)Dr2地表的裂隙均用混凝士封閉，防止雨水入滲，并設(shè)內(nèi)外排水系統(tǒng)。

(2)L1外側(cè)EL1040-1060m采用176根傾角15°的2000kN無粘結(jié)錨索加固。

(3)在Dr2下部T1y3泥巖內(nèi)布置一排6根ф=7.0m深層抗滑樁。

(4)在Dr2下部EL930施工平臺(tái)中布置7條錨固洞，穿透L1，澆筑混凝土。

(5)在下部EL930施工平臺(tái)聯(lián)系大梁內(nèi)設(shè)置傾角15°的2000kN有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索20根。

(6)對(duì)危巖體下游側(cè)2- 1倒懸體，貼坡混凝土支撐。

上述處理后Dr2抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.2170，滿足規(guī)范規(guī)定。

加固工作自2003年8月至2013年12月竣工，歷時(shí)10年4個(gè)月，耗資2.23億元。據(jù)Dr2內(nèi)3臺(tái)錨索測(cè)力計(jì)、3套4點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)、4支單向裂縫計(jì)和8個(gè)表面觀測(cè)墩，Ⅲ號(hào)堆積體內(nèi)3個(gè)水位孔、5套4點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)和3個(gè)表面觀測(cè)墩監(jiān)測(cè)[5]，Dr2變位收斂，Dr2內(nèi)地下水位7m左右，穩(wěn)定性滿足[K]=1.2的要求[6]。

4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣法

4.1 問題提出

水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范定義：工程邊坡為修建水利水電工程形成的、因修建水利水電工程可能影響其穩(wěn)定以及對(duì)水利水電工程安全有影響的邊坡[7]。按此定義，索風(fēng)營(yíng)Dr2危巖體在進(jìn)水口上方約100m，系工程建設(shè)前已形成的自然邊坡，雖然該邊坡的失穩(wěn)將影響工程正常運(yùn)行及安全，但由于庫水位低于底滑面，水庫蓄水理應(yīng)不改變這些危巖體的工作環(huán)境，對(duì)危巖體的安全無多大影響。

拉西瓦水電站的果卜岸坡的穩(wěn)定，雖威脅進(jìn)水口安全，但視為自然邊坡的穩(wěn)定問題[8]，要求安全系數(shù)k>1.05；龍羊峽上游近壩庫岸邊坡同樣威脅大壩安全，但仍視為自然邊坡[9]，要求安全系數(shù)k>1.05；而索風(fēng)營(yíng)Dr2危巖體，卻被視為2級(jí)工程邊坡，按[K]=1.2的要求花費(fèi)10年4個(gè)月耗資2.2億元進(jìn)行了加固處理。從索風(fēng)營(yíng)Dr2危巖體與拉西瓦果卜等邊坡的加固處理上可以看到，正確劃分邊坡類別對(duì)于合理進(jìn)行邊坡加固極為重要，由此引出以下3個(gè)問題：

(1)天然狀態(tài)下巖體邊坡的穩(wěn)定性及失穩(wěn)概率是不同的，如何根據(jù)危巖體邊坡現(xiàn)狀，合理評(píng)價(jià)危巖體失穩(wěn)的可能性？

(2)同一危巖體邊坡失穩(wěn)，對(duì)不同建筑物可產(chǎn)生不同影響，嚴(yán)重性有所差異，如何在分析事件嚴(yán)重性中合理考慮這種差異？

(3)危巖體邊坡穩(wěn)定是一個(gè)復(fù)雜的問題，特別是受勘探條件時(shí)間等限制，往往很難查清，不得不留些安全儲(chǔ)備，這些安全儲(chǔ)備在設(shè)計(jì)中如何考慮？有些邊坡的穩(wěn)定性對(duì)其加固措施不敏感，增加加固措施，安全系數(shù)改善不大，這時(shí)又如何合理確定安全系數(shù)？

4.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣法

為了提升邊坡加固處理工作的科學(xué)性，建議在不同建筑物級(jí)別基礎(chǔ)上，引進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性及風(fēng)險(xiǎn)造成損失的嚴(yán)重性等概念，采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣法，半定量確定工程邊坡穩(wěn)定的安全標(biāo)準(zhǔn)[10]。

(1)根據(jù)邊坡正常工況下自身穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值確定邊坡失穩(wěn)可能性等級(jí)，見表1。

表1 邊坡失穩(wěn)可能性等級(jí)[7]

(2)根據(jù)邊坡失穩(wěn)后災(zāi)害嚴(yán)重程度確定失穩(wěn)損失嚴(yán)重程度等級(jí)，見表2。

表2 邊坡失穩(wěn)損失嚴(yán)重度等級(jí)

(3)根據(jù)邊坡失穩(wěn)可能性等級(jí)及失穩(wěn)損失嚴(yán)重程度等級(jí)查風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣指數(shù)表確定邊坡風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，見表3。

表3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣指數(shù)[10]

(4)根據(jù)邊坡風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)確定邊坡危險(xiǎn)等級(jí)，見表4。

表4 危險(xiǎn)等級(jí)[10]

(5)根據(jù)建筑物級(jí)別及邊坡危險(xiǎn)等級(jí)確定邊坡安全級(jí)別，見表5。

表5 工程邊坡與水工建筑物對(duì)照表

(6)按現(xiàn)有規(guī)范視邊坡安全級(jí)別確定相應(yīng)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，見表6。其中，若邊坡的破壞風(fēng)險(xiǎn)或其他不確定因素難以確定和查明時(shí)，取表中的大值；若邊坡安全留有一定安全儲(chǔ)備時(shí)，取表中標(biāo)準(zhǔn)的小值；若釆取加固措施對(duì)抗滑安全系數(shù)增加不敏感，使得增加加固措施不經(jīng)濟(jì)時(shí)，取表中的小值。

表6 工程邊坡安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7]

本文采用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣法沿用水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范中相關(guān)表格要求和解釋，僅增加了4張危險(xiǎn)因素分析表，由此反應(yīng)邊坡的勘探深度、穩(wěn)定現(xiàn)狀、失穩(wěn)發(fā)生的可能性，細(xì)化了施工期及運(yùn)行期邊坡失穩(wěn)對(duì)不同建筑物的影響，更好地反應(yīng)了實(shí)際情況。

4.3 在Dr2危巖體上的應(yīng)用

按上述風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)矩陣分析法，索風(fēng)營(yíng)水電站為2等工程，進(jìn)水口及中控樓為2級(jí)建筑物，因Dr2危巖體自身穩(wěn)定安全系數(shù)1.0552，屬C級(jí)基本穩(wěn)定(有時(shí)失穩(wěn))的邊坡。若Dr2失穩(wěn)，因140m寬斜坡?lián)踅?，部分巖體可能砸壞下面的進(jìn)水口及中控樓，影響工程正常發(fā)電，造成重大危害，但不影響混凝土大壩安全，經(jīng)除險(xiǎn)加固仍可投入正常使用，屬Ⅱ級(jí)重大危害，相應(yīng)C級(jí)失穩(wěn)Ⅱ級(jí)重大危害的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為6，對(duì)應(yīng)邊坡危險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。2級(jí)建筑物二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)工程邊坡對(duì)應(yīng)安全級(jí)別為3級(jí)，則正常工況相應(yīng)安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[K]可為1.15～1.20?？紤]L1與J1并未連通，之間有較大巖橋，有一定安全儲(chǔ)備，再考慮Ⅲ號(hào)堆積體實(shí)際的阻滑作用，以及加固措施對(duì)Dr2穩(wěn)定不敏感——[K]從1.2提高到1.25，安全系數(shù)提高0.05，卻要增加6000萬元，且工程布置難度比較大，可取小值[K]=1.15，這樣既保證了邊坡安全，又省去很多加固工程量及工期，與工程實(shí)際更為接近。

5 結(jié)語

本文根據(jù)索風(fēng)營(yíng)Dr2危巖體邊坡工程處理的實(shí)際情況，提出基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣法的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)。引進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)理念，在沿用水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)表格要求和解釋的基礎(chǔ)上增加了4張危險(xiǎn)因素分析表，由此反應(yīng)邊坡的勘探深度、穩(wěn)定現(xiàn)狀、失穩(wěn)發(fā)生的可能性等，細(xì)化了施工期及運(yùn)行期邊坡失穩(wěn)對(duì)不同建筑物影響，半定量確定工程邊坡穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)。按照水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范，Dr2危巖體穩(wěn)定安全系數(shù)取[K]=1.2，加固處理歷時(shí)10年4個(gè)月耗資2.23億元。若引入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣法可取小值[K]=1.15，既保證了邊坡安全，又節(jié)省加固工程量及工期，與工程實(shí)際更為接近。