水電工程特高陡環(huán)境邊坡高效防治關(guān)鍵技術(shù)

王漢輝，丁 剛，王吉亮，陽(yáng)友奎

（1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究有限公司（武漢），湖北 武漢 430074；3.布魯克（成都）工程有限公司，四川 成都 651500）

0 引 言

我國(guó)是世界上水能資源最豐富的國(guó)家，可供開發(fā)的水電總裝機(jī)容量為3.8 億kW，但61%的水能資源集中在西南地區(qū)［1］。西南地區(qū)處于青藏高原周邊地帶，青藏高原隆升不僅塑造了西南地區(qū)高山峽谷的地貌形態(tài)，也決定了西南地區(qū)地殼的內(nèi)動(dòng)力條件、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地震活動(dòng)規(guī)律及地殼淺表層改造，導(dǎo)致西南地區(qū)的地質(zhì)條件異常復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，水電工程建設(shè)面臨非常復(fù)雜的自然條件［2］。

西南地區(qū)水電工程兩岸邊坡高陡，一般臨河高度大于1 000 m，最高可達(dá)2 000～3 000 m，坡度一般在50°～60°以上，邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體卸荷深度大，松弛破碎，物理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，穩(wěn)定狀況差，岸坡崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。水電工程規(guī)模巨大，因各類工程建筑物布置需要，不可避免地開挖形成大量邊坡工程，工程邊坡高達(dá)300～500 m，工程邊坡上部還可能存在高達(dá)數(shù)百米甚至千余米的環(huán)境邊坡，特高陡環(huán)境邊坡穩(wěn)定問(wèn)題十分突出［3，4］。

環(huán)境邊坡是指工程邊坡開口線之外至一級(jí)分水嶺之間的自然邊坡，在自然營(yíng)力或人為作用下可能失穩(wěn)，威脅工程建設(shè)或運(yùn)行安全［5］。近年來(lái)，西南水電工程在建設(shè)期均遇到過(guò)不同程度的環(huán)境邊坡問(wèn)題，環(huán)境邊坡的局部滑坡、崩塌、落石給下方施工人員和設(shè)備造成了危害，甚至工期延誤。2008年汶川大地震災(zāi)后調(diào)查表明，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)治理后的工程邊坡穩(wěn)定狀態(tài)一般較好，但未進(jìn)行系統(tǒng)治理的環(huán)境邊坡局部發(fā)生了滑坡、崩塌、落石等災(zāi)害，造成建筑物不同程度損壞，影響工程正常運(yùn)行［6，7］。因此，特高陡環(huán)境邊坡不僅關(guān)乎工程安全與投資，甚至可能決定工程選址選線，近年來(lái)其防治問(wèn)題逐漸受到重視。

本文旨在總結(jié)和介紹特高陡環(huán)境邊坡快速精準(zhǔn)勘察、系統(tǒng)高效防治和集成高效管控等關(guān)鍵技術(shù)，為西南地區(qū)水電資源開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 特高陡環(huán)境邊坡精準(zhǔn)勘察技術(shù)

1.1 特高陡環(huán)境邊坡快速精準(zhǔn)勘察成套技術(shù)

水電工程特高陡環(huán)境邊坡坡面高陡、地質(zhì)條件復(fù)雜、地質(zhì)問(wèn)題多樣，存在“走不近、看不清、查不明”的勘察難題。針對(duì)地質(zhì)問(wèn)題識(shí)別不清的問(wèn)題，提出了“重點(diǎn)分區(qū)、層次分類”地質(zhì)問(wèn)題識(shí)別思路、地質(zhì)問(wèn)題普查“粗識(shí)別”和詳查“細(xì)識(shí)別”成套方法。

（1）“重點(diǎn)分區(qū)、層次分類”地質(zhì)問(wèn)題識(shí)別思路?？傮w思路以控制性不利地質(zhì)因素為依據(jù)進(jìn)行“重點(diǎn)分區(qū)”，以工程地質(zhì)問(wèn)題為依據(jù)進(jìn)行“點(diǎn)、面、體”的“層次分類”。首先采用無(wú)人機(jī)高清三維地質(zhì)影像對(duì)環(huán)境邊坡進(jìn)行粗識(shí)別，快速找出地形不利、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、巖體質(zhì)量差等地質(zhì)問(wèn)題易發(fā)的重點(diǎn)部位并進(jìn)行分區(qū)，然后針對(duì)這些重點(diǎn)部位從“點(diǎn)、面、體”不同層次開展“細(xì)識(shí)別”工作，對(duì)塊體等“點(diǎn)”逐一識(shí)別，表層潛在不穩(wěn)定區(qū)等“面”系統(tǒng)調(diào)查，變形體與堆積體等“體”進(jìn)行適量勘探。這種由“粗”到“細(xì)”的地質(zhì)問(wèn)題識(shí)別方法，顯著提高大范圍環(huán)境邊坡地質(zhì)問(wèn)題識(shí)別的速度與精度，減少了問(wèn)題遺漏?！爸攸c(diǎn)分區(qū)、層次分類”地質(zhì)問(wèn)題識(shí)別技術(shù)路線見圖1。

（2）地質(zhì)問(wèn)題普查“粗識(shí)別”方法。地質(zhì)問(wèn)題“粗識(shí)別”方法主要包括三維影像采集、三維影像匹配、三維影像合成和地質(zhì)問(wèn)題識(shí)別等步驟。

①三維影像采集。使用無(wú)人機(jī)自帶的高清相機(jī)在飛行過(guò)程中對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行錄像，然后在獲得的錄像數(shù)據(jù)中設(shè)定固定時(shí)間間隔提取圖片，保證圖片之間的重疊率達(dá)到70%以上，合成目標(biāo)區(qū)的三維影像，可快速建立全坡面一般精度的三維實(shí)景影像模型，現(xiàn)場(chǎng)采集影像速率達(dá)2 km2/h。

②三維影像匹配。首先尋找不同站點(diǎn)拍攝影像之間的相互匹配關(guān)系，包括宏觀上影像間相互位置和同一位置出現(xiàn)在不同影像上的特征點(diǎn)（匹配點(diǎn)）。在完成匹配后，各影像中的相同點(diǎn)被自動(dòng)鑒別為影像的匹配點(diǎn)。根據(jù)識(shí)別的影像匹配點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)提供的影像自動(dòng)拼接功能，可以把同一區(qū)域影像拼接成為一張或幾張影像，不僅保證了拼接精度，還可自動(dòng)進(jìn)行色彩平衡處理，保留原始影像的全部信息。三維影像匹配見圖2。

圖2 三維影像匹配Fig.2 3D image matching

③三維影像合成。以匹配點(diǎn)為特征點(diǎn)，生成三維地形坐標(biāo)點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將坐標(biāo)點(diǎn)生成三維網(wǎng)格，繼而生成三維數(shù)字化地形模型。根據(jù)DTM模型讀取相應(yīng)的影像資料，將這些影像資料合成到三維地形中，最終形成完整的邊坡三維網(wǎng)格及影像。三維影像合成見圖3。

圖3 三維影像合成Fig.3 3D image synthesis

④地質(zhì)問(wèn)題識(shí)別。利用合成的三維影像，找出環(huán)境邊坡上地形不利、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、巖體質(zhì)量差等地質(zhì)問(wèn)題易發(fā)的重點(diǎn)部位。

（3）地質(zhì)問(wèn)題詳查“細(xì)識(shí)別”方法。為了對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行詳細(xì)查勘，發(fā)明高精度航拍技術(shù)，包括基于無(wú)人機(jī)與CORS技術(shù)的小比例尺測(cè)繪方法和航空傾斜攝影數(shù)字影像采集布設(shè)像片控制點(diǎn)的裝置，前者通過(guò)CORS技術(shù)快速獲得測(cè)區(qū)高精度控制點(diǎn)，后者利用激光光斑為航拍影像提供像片控制標(biāo)記，在控制點(diǎn)使用全站儀測(cè)量光斑地理信息坐標(biāo)，在快速獲得高精控制點(diǎn)、陡立坡面布置像控點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立高精度、高清晰度三維實(shí)景影像模型，并對(duì)地質(zhì)對(duì)象進(jìn)行識(shí)別和標(biāo)記。這兩項(xiàng)技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)精度達(dá)5 mm和于陡立坡面布置像控點(diǎn)，可使三維影像模型精度達(dá)到1～3 cm。

1.2 快速精細(xì)可視化地質(zhì)編錄方法

邊坡地質(zhì)編錄傳統(tǒng)方法工作效率低，且精度有限。為了提高地質(zhì)編錄效率和精度，發(fā)明了照片自動(dòng)拼接和影像細(xì)觀解譯可視化地質(zhì)編錄方法。

（1）照片自動(dòng)拼接可視化地質(zhì)編錄方法。常規(guī)邊坡地質(zhì)編錄技術(shù)，需要人工在室內(nèi)根據(jù)控制點(diǎn)進(jìn)行照片校正拼接，將拼接后的照片進(jìn)行打印，再次回到施工現(xiàn)場(chǎng)，在打印出來(lái)的照片上手工繪制編錄圖，再進(jìn)行圖形矢量化的過(guò)程，地質(zhì)編錄效率較低。

為了提高地質(zhì)編錄工作效率，提出了基于windows的平板式施工地質(zhì)可視化快速編錄方法，將原來(lái)需回到室內(nèi)完成照片矯正拼接的步驟，在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)坐標(biāo)關(guān)系和ACAD自動(dòng)拼接，可快速生成ACAD地質(zhì)高清線劃影像圖，現(xiàn)場(chǎng)一次性完成地質(zhì)編錄，解決了傳統(tǒng)米格紙編錄不直觀的問(wèn)題，免除了紙質(zhì)圖件掃描與矢量化步驟，編錄誤差＜10 cm，工作效率提高50%以上，大幅提高了地質(zhì)編錄精度和效率。

（2）影像細(xì)觀解譯可視化地質(zhì)編錄方法。斷層、層間剪切帶、軟弱夾層等控制性結(jié)構(gòu)面影響著邊坡穩(wěn)定性，一般分布范圍大，且性狀不均勻，采取常規(guī)地質(zhì)編錄僅能編錄局部區(qū)域的性狀，不能反映整個(gè)結(jié)構(gòu)面性狀。

本項(xiàng)目提出了正射影像的結(jié)構(gòu)面充填物細(xì)觀地質(zhì)編錄方法，利用正射影像的全景與高清可視化特征，現(xiàn)場(chǎng)拍照獲取高分辨率影像，借助ACAD構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)1?1影像圖形，進(jìn)行結(jié)構(gòu)面充填物高精度編錄，可對(duì)結(jié)構(gòu)面性狀進(jìn)行高精度解譯與地質(zhì)編錄，編錄精度可達(dá)3～5 mm，突破了手工編錄無(wú)法精細(xì)編錄的難題。結(jié)構(gòu)面充填物細(xì)觀地質(zhì)編錄見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)面充填物細(xì)觀地質(zhì)編錄Fig.4 Meso geological logging of structural plane fillings

1.3 塊體穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)高效評(píng)價(jià)方法

塊體是指巖質(zhì)邊坡上受結(jié)構(gòu)面切割的巖石塊體，在自重和外力作用下可能脫離母巖而發(fā)生滑動(dòng)、傾倒或拉裂破壞。塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一般在野外調(diào)查塊體特征，室內(nèi)判別塊體可動(dòng)性，野外和室內(nèi)工作脫節(jié)，效率較低；且目前無(wú)成熟的塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，容易發(fā)生誤判問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，創(chuàng)建了塊體可動(dòng)性現(xiàn)場(chǎng)判別方法和塊體穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法。

（1）塊體可動(dòng)性現(xiàn)場(chǎng)判別方法。為了在現(xiàn)場(chǎng)快速判別塊體可動(dòng)性，在便攜平板式電腦內(nèi)將正射影像圖按坐標(biāo)疊加到Auto‐CAD中，快速讀取塊體的尺寸及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，并利用平板內(nèi)自主開發(fā)的分析軟件構(gòu)建塊體幾何形態(tài)，該方法實(shí)現(xiàn)了GPS定位、航片或衛(wèi)片及CAD地形圖的有機(jī)融合，可現(xiàn)場(chǎng)快速判別塊體的可動(dòng)性。

（2）塊體穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法。根據(jù)對(duì)近萬(wàn)個(gè)塊體的特征與穩(wěn)定性關(guān)系研究成果，提出了塊體穩(wěn)定性快速宏觀定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)塊體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、松弛張開特征、底部臨空情況、附近變形破壞跡象等要素進(jìn)行分項(xiàng)按權(quán)重賦分，各項(xiàng)賦分相加后求得總分，按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行宏觀穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，穩(wěn)定性分為差（f≤1.05）、較差（1.05＜f≤1.15）、基本穩(wěn)定（1.15＜f≤1.25）、穩(wěn)定（f＞1.25）；根據(jù)結(jié)構(gòu)面精細(xì)編錄成果獲取的結(jié)構(gòu)面性狀信息，參考工程大量結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)成果，可高效確定塊體結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)，利用自主開發(fā)的三維剛體極限平衡計(jì)算軟件，可對(duì)塊體穩(wěn)定性進(jìn)行快速定量計(jì)算。

塊體穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)高效評(píng)價(jià)方法在烏東德壩址區(qū)環(huán)境邊坡成功應(yīng)用。左岸環(huán)境邊坡共識(shí)別398個(gè)塊體，穩(wěn)定性差的79個(gè)（占比20%）、穩(wěn)定性較差的228個(gè)（占比57%）、基本穩(wěn)定的88個(gè)（占比22%），穩(wěn)定的3個(gè)（占比1%）；右岸環(huán)境邊坡共識(shí)別275個(gè)塊體，穩(wěn)定性差的61個(gè)（占比22%）、穩(wěn)定性較差的168個(gè)（占比61%）、基本穩(wěn)定的43個(gè)（占比16%），穩(wěn)定的3個(gè)（占比1%）。該方法破解塊體穩(wěn)定現(xiàn)場(chǎng)快速精準(zhǔn)評(píng)價(jià)難題，評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率由80%提高至99%，評(píng)價(jià)效率提高50%以上。

2 特高陡環(huán)境邊坡高效防治技術(shù)

2.1 “高防預(yù)固、穩(wěn)挖適護(hù)”系統(tǒng)防治方法

特高陡巖質(zhì)邊坡防治過(guò)程中，工程邊坡與環(huán)境邊坡相互干擾問(wèn)題突出，下部工程邊坡開挖可能造成其上部環(huán)境邊坡變形甚至失穩(wěn)，上部環(huán)境邊坡局部穩(wěn)定問(wèn)題可能影響其下部工程邊坡施工期及運(yùn)行期安全，可能會(huì)給人員、設(shè)備及工程安全造成難以估量的損失。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了“高防預(yù)固、穩(wěn)挖適護(hù)”系統(tǒng)防治方法，對(duì)上部環(huán)境邊坡采取“高防”、“預(yù)固”的措施避免威脅下方安全，對(duì)下部工程邊坡采取“穩(wěn)挖”、“適護(hù)”的措施避免影響上部安全。

（1）“高防”措施。“高防”即對(duì)上部環(huán)境邊坡局部存在的危險(xiǎn)源進(jìn)行防治。根據(jù)危險(xiǎn)源的規(guī)模和分布特征實(shí)施“點(diǎn)錨、線攔、面護(hù)”的措施：“點(diǎn)錨”即對(duì)塊體等點(diǎn)狀危險(xiǎn)源，采用砂漿錨桿、錨筋樁或預(yù)應(yīng)力錨桿（索）進(jìn)行進(jìn)行錨固；“線攔”即對(duì)坡面滾石或匯水，采用線性的被動(dòng)網(wǎng)或排水溝攔截；“面護(hù)”即對(duì)局部破碎區(qū)或變形體區(qū)域，采用面狀的主動(dòng)網(wǎng)或噴錨支護(hù)進(jìn)行防護(hù)。

（2）“預(yù)固”措施?！邦A(yù)固”即對(duì)環(huán)境邊坡內(nèi)工程邊坡開挖影響區(qū)進(jìn)行預(yù)先加固。為了防止工程邊坡開挖影響上方環(huán)境邊坡的穩(wěn)定，在工程邊坡開挖前對(duì)環(huán)境邊坡內(nèi)與工程邊坡交界附近的開挖影響區(qū)進(jìn)行預(yù)先錨固，預(yù)固高度由穩(wěn)定分析計(jì)算確定，加固措施為采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行錨固，通過(guò)預(yù)先主動(dòng)施加的錨索預(yù)應(yīng)力，控制邊坡開挖影響區(qū)拉應(yīng)力區(qū)拓展，防止塑性屈服區(qū)進(jìn)一步向上部的發(fā)展，以避免下部工程邊坡開挖影響其上部環(huán)境邊坡的穩(wěn)定。

（3）“穩(wěn)挖”措施。“穩(wěn)挖”即通過(guò)控制開挖坡比使工程邊坡具備基本自穩(wěn)能力，應(yīng)避開較大斷層和軟弱層發(fā)育地段，對(duì)于順向坡等不利邊坡結(jié)構(gòu)的邊坡應(yīng)尤為注意。順向坡即巖層傾向與邊坡坡向一致，應(yīng)控制邊坡開挖坡度，使開挖坡度不陡于巖層層面坡度，避免開挖導(dǎo)致順向坡層狀巖體被切腳，引起工程邊坡自身出現(xiàn)不穩(wěn)定問(wèn)題。

（4）“適護(hù)”措施?！斑m護(hù)”即對(duì)開挖后的工程邊坡進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)。為防止開挖后的工程邊坡在風(fēng)化作用下巖體完整性進(jìn)一步變差，對(duì)邊坡坡面采用掛網(wǎng)噴混凝土進(jìn)行防治；根據(jù)工程邊坡結(jié)構(gòu)和巖體質(zhì)量條件，針對(duì)一級(jí)邊坡或多級(jí)邊坡，采用1～2排預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行防治；針對(duì)工程邊坡開挖后的松弛卸荷問(wèn)題以及存在的塊體等局部不穩(wěn)定問(wèn)題，采用砂漿錨桿或預(yù)應(yīng)力錨桿（索）進(jìn)行加固。

（5）工程應(yīng)用。烏東德水電站右岸電站進(jìn)水口邊坡地層為Pt2l3-1中厚層灰?guī)r、Pt2l2-3薄層夾極薄層大理巖化白云巖、Pt2l1-1互層～薄層灰?guī)r、Pt2y2-1薄層、極薄層大理巖化白云巖，邊坡附近共發(fā)育4條斷層。進(jìn)水口邊坡頂部高程為1 530 m，進(jìn)水口底板高程為910 m，工程邊坡開口線頂高程為1 060 m。進(jìn)水口底板以上邊坡總高度620 m，開挖工程邊坡高度150 m，上部環(huán)境邊坡高度470 m，烏東德水電站進(jìn)水口高陡邊坡見圖5。為確保工程安全，烏東德水電站進(jìn)水口高陡邊坡采用了“高防預(yù)固、穩(wěn)挖適護(hù)”的系統(tǒng)防治方法。

圖5 烏東德水電站進(jìn)水口高陡邊坡Fig.5 High and steep slope at the intake of Wudongde Hydropower Station

首先，為了避免上部危險(xiǎn)源對(duì)下部工程邊坡造成影響，對(duì)環(huán)境邊坡實(shí)施“點(diǎn)錨、線攔、面護(hù)”的高防措施。對(duì)發(fā)現(xiàn)的73個(gè)塊體危險(xiǎn)源進(jìn)行錨固，錨固的措施有錨桿、錨筋樁和錨索；對(duì)坡面廣泛存在坡面滾石，自上而下采用4道線性被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行攔截；對(duì)5個(gè)局部陡崖巖體破碎區(qū)域，采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)或噴錨支護(hù)進(jìn)行面狀防護(hù)。

其次，為了避免工程邊坡開挖影響上部環(huán)境邊坡安全，在右岸進(jìn)水口邊坡開挖前，對(duì)開口線以上、緊鄰工程邊坡坡頂?shù)沫h(huán)境邊坡進(jìn)行“預(yù)固”處理。通過(guò)三維有限元計(jì)算分析，右岸進(jìn)水口順向坡預(yù)固區(qū)高度為30 m。工程邊坡開口線以上支護(hù)參數(shù)為：共布置6排，T=200 t＠4.5 m×4.5 m，L=60 m錨索。數(shù)值計(jì)算表明，不采用預(yù)固措施時(shí)邊坡開口線以上拉應(yīng)力拓展高度為40 m，采用預(yù)固措施后拉應(yīng)力拓展高度降低至10 m，說(shuō)明預(yù)固措施起到了較好的加固效果。烏東德水電站進(jìn)水口高陡順向坡拉應(yīng)力分布見圖6。

圖6 烏東德水電站進(jìn)水口高陡順向坡拉應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of tensile stress along the high and steep slope at the intake of Wudongde Hydropower Station

最后，通過(guò)控制開挖坡比使工程邊坡具備基本自穩(wěn)能力，并對(duì)開挖后的邊坡進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)。根據(jù)右岸電站進(jìn)水口邊坡結(jié)構(gòu)及巖體質(zhì)量的不同，將其分5個(gè)區(qū)：正面邊坡為反向坡區(qū)，右側(cè)邊坡從下游至上游依次為橫向坡區(qū)、斜向坡區(qū)和順向坡區(qū)，左側(cè)邊坡為橫向坡區(qū)。順向坡區(qū)開挖坡比為1∶0.3，其余邊坡開挖坡比為1∶0.1，開挖后均采用鎖口錨索和系統(tǒng)噴錨支護(hù)。

烏東德水電站進(jìn)水口高陡邊坡開挖支護(hù)施工總歷時(shí)30個(gè)月，建設(shè)期環(huán)境邊坡未發(fā)生崩塌問(wèn)題，施工過(guò)程中無(wú)安全事故，環(huán)境邊坡和工程邊坡均無(wú)明顯變形，防治效果顯著。

2.2 高質(zhì)效錨索加固成套技術(shù)

特高陡環(huán)境邊坡塊體加固錨索長(zhǎng)度達(dá)100 m、噸位達(dá)300 t（索體重達(dá)2.31 t），由于施工排架空間狹窄，錨索安裝困難。針對(duì)錨索施工難的問(wèn)題，研發(fā)了多層嵌套結(jié)構(gòu)、滾動(dòng)對(duì)中結(jié)構(gòu)、孔底牽拉技術(shù)等高質(zhì)效錨索加固成套技術(shù)。

（1）多層嵌套組裝式錨索結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)錨索結(jié)構(gòu)具有“構(gòu)件繁雜”、“笨重”的特性，施工過(guò)程中錨索搬運(yùn)不便、推送安裝困難。針對(duì)以上問(wèn)題，研發(fā)了多層嵌套組裝式錨索結(jié)構(gòu)，打破常規(guī)的“錨索整體組裝成型、一次性推索入孔”的固有思路，對(duì)錨索體進(jìn)行“化整為零”的拆解，將錨索分為外包層、中間層和軸心層，可以化整為零拆解進(jìn)行搬運(yùn)，然后由外至內(nèi)進(jìn)行分序組裝，可大幅降低錨索搬運(yùn)重量和安裝難度，保證錨索順利推送，避免卡索現(xiàn)象發(fā)生，提高錨索結(jié)構(gòu)可靠度。錨索多層嵌套方法見圖7。

圖7 錨索多層嵌套方法Fig.7 multi layer nesting method of anchor cable

（2）錨索滾動(dòng)對(duì)中支架結(jié)構(gòu)。常規(guī)錨索在安裝過(guò)程中，錨索對(duì)中支架與鉆孔孔壁摩擦阻力大、推送錨索困難、卡索現(xiàn)象頻發(fā)。針對(duì)以上問(wèn)題，研發(fā)了錨索滾動(dòng)對(duì)中支架裝置，在錨索對(duì)中支架外側(cè)設(shè)置萬(wàn)向輪，將與孔壁的摩擦方式由滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦，使錨索體在鉆孔內(nèi)保持順直狀態(tài)，并能夠順利推送至設(shè)計(jì)深度，避免卡索現(xiàn)象發(fā)生，提高錨索施工效率，保證錨固質(zhì)量。錨索滾動(dòng)對(duì)中裝置見圖8。

圖8 錨索滾動(dòng)對(duì)中裝置Fig.8 Anchor cable rolling centering device

（3）錨索孔底牽拉技術(shù)。錨索施工采用傳統(tǒng)的孔口推送安裝方法時(shí)，存在推送錨索困難、錨索體易被扭轉(zhuǎn)等問(wèn)題。針對(duì)這以上問(wèn)題，研發(fā)了錨索孔底反向牽拉結(jié)構(gòu)及安裝方法，利用孔底預(yù)置楔型卡固的定滑輪裝置，采用孔底反向牽拉的方法，將錨索安裝由尾部“推送”改為頭部“牽引”方式，解決錨索安裝困難的問(wèn)題，保證錨索體在鉆孔內(nèi)呈順直狀態(tài)，尤其適用于仰孔大噸位錨索。錨索反向牽拉技術(shù)見圖9。

圖9 錨索反向牽拉技術(shù)Fig.9 Anchor cable reverse pulling technology

2.3 超高能級(jí)被動(dòng)柔性防護(hù)技術(shù)

特高陡環(huán)境邊坡滾石、落石位置勢(shì)能高，滾落時(shí)沖擊能量大、速度高，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)因其施工方便、布置靈活等特點(diǎn)在環(huán)境邊坡落石防護(hù)中得到廣泛應(yīng)用［9］。但傳統(tǒng)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)防護(hù)能級(jí)有限，難以防護(hù)能量較大的高位落石。針對(duì)以上問(wèn)題，研發(fā)了“U形消能、滾動(dòng)緩沖” 超高能級(jí)被動(dòng)柔性防護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)提高消能件的消能效果，以及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)片聯(lián)合抵抗沖擊，大幅提高了被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的防護(hù)能級(jí)。

（1） U形消能件。被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)目前使用較多的消能件是減壓環(huán)，主要由鋼管和鋁管套頭組成［9］。但傳統(tǒng)減壓環(huán)存在消能行程小于1 m、單個(gè)消能僅50 kJ且不能重復(fù)利用的問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，發(fā)明了U-Brake型消能件，主要由鋼板帶、圓柱滾軸以及端部的套頭組成，使用時(shí)將鋼絲繩穿過(guò)鋼板帶一端預(yù)留的小孔，另一端的套頭固定在鋼絲繩錨桿或拉錨繩上，當(dāng)鋼絲繩上的荷載達(dá)到U形消能件的啟動(dòng)力閾值時(shí)，鋼板帶在鋼絲繩帶動(dòng)下開始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鋼板帶被拉過(guò)滾軸時(shí)，鋼板帶發(fā)生彎曲變形，從而實(shí)現(xiàn)緩沖吸能作用，消能行程可達(dá)5 m，單個(gè)消能達(dá)400 kJ，且可以滿足重復(fù)使用功能。U形消能件與傳統(tǒng)減壓環(huán)對(duì)比見圖10。

圖10 U形消能件與傳統(tǒng)減壓環(huán)對(duì)比Fig.10 Comparison between U-shaped energy dissipator and traditional pressure reducing ring

（2）滾動(dòng)緩沖結(jié)構(gòu)。被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)支撐繩一般直接放在鋼柱上，承受沖擊荷載時(shí)支撐繩與鋼柱滑動(dòng)摩擦力較大，能量向網(wǎng)片兩側(cè)傳遞受阻，影響被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的攔截效果。針對(duì)以上問(wèn)題，研發(fā)了被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)滾動(dòng)緩沖結(jié)構(gòu)，在鋼柱頂部、底部設(shè)置滾動(dòng)導(dǎo)引輪，支撐繩放置在導(dǎo)引輪上，將傳統(tǒng)的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，支撐繩調(diào)整更加靈敏，有利于能量向兩側(cè)傳遞消散，起到較好的消能作用。滾動(dòng)消能示意見圖11。

圖11 滾動(dòng)消能示意圖Fig.11 Schematic diagram of rolling energy dissipation

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，超高能級(jí)被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)最高消能能級(jí)達(dá)10 000 kJ，防護(hù)速度達(dá)28.6 m/s。

3 特高陡環(huán)境邊坡集成管控技術(shù)

3.1 環(huán)境邊坡風(fēng)險(xiǎn)“定量評(píng)價(jià)、分級(jí)防控”方法

目前國(guó)內(nèi)外環(huán)境邊坡危險(xiǎn)源危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)主要選取危險(xiǎn)源自身、途經(jīng)邊坡、觸發(fā)因素等指標(biāo)進(jìn)行研究［10］，未考慮與危害對(duì)象的關(guān)系。特高陡環(huán)境邊坡潛在不穩(wěn)定體數(shù)量眾多、位置分散、對(duì)主體工程施工干擾強(qiáng)，目前無(wú)合適的風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估方法，導(dǎo)致邊坡風(fēng)險(xiǎn)防控低效，施工期安全風(fēng)險(xiǎn)突出。針對(duì)以上問(wèn)題，提出了邊坡風(fēng)險(xiǎn)“定量評(píng)價(jià)、分級(jí)防控”方法。

（1）定量評(píng)價(jià)模型。建立了環(huán)境邊坡風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)模型，根據(jù)潛在不穩(wěn)定體的穩(wěn)定系數(shù)、體積、相對(duì)高程、影響對(duì)象及接觸頻率等特征，采用模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)建隸屬函數(shù)f（x）＝∑（ai xi），將權(quán)重系數(shù)ai與風(fēng)險(xiǎn)因子值xi相乘求和得出風(fēng)險(xiǎn)值。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值將不穩(wěn)定體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)劃分為“高、中、低”3個(gè)等級(jí)：0.75＜f≤1，屬于高風(fēng)險(xiǎn)；0.5＜f≤0.75，屬于中等風(fēng)險(xiǎn)；0≤f≤0.5，屬于低風(fēng)險(xiǎn)。邊坡風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)模型見圖12。

圖12 邊坡風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)模型Fig.12 Quantitative evaluation model of slope risk

（2）分級(jí)防控方法。根據(jù)潛在不穩(wěn)定體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)行分級(jí)防控。按潛在不穩(wěn)定體的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)來(lái)安排施工和針對(duì)性監(jiān)測(cè)：高風(fēng)險(xiǎn)不穩(wěn)定體優(yōu)先安排施工，進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)；中風(fēng)險(xiǎn)不穩(wěn)定體稍緩安排施工，進(jìn)行一般監(jiān)測(cè)；低風(fēng)險(xiǎn)不穩(wěn)定體擇機(jī)安排施工，進(jìn)行巡視檢查。

（3）工程應(yīng)用。烏東德水電站泄洪洞出口環(huán)境邊坡高達(dá)746 m，發(fā)育82個(gè)危險(xiǎn)塊體，體積最大達(dá)數(shù)千方，存在塊體崩塌滾落的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅下方泄洪洞出口安全。為有效管控環(huán)境邊坡風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)泄洪洞出口環(huán)境邊坡82個(gè)塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，據(jù)統(tǒng)計(jì)，22個(gè)塊體屬于高風(fēng)險(xiǎn)、44個(gè)塊體屬于中風(fēng)險(xiǎn)，16個(gè)塊體屬于低風(fēng)險(xiǎn)。泄洪洞出口環(huán)境邊坡塊體風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)結(jié)果見圖13。

圖13 泄洪洞出口環(huán)境邊坡塊體風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.13 Quantitative assessment results of environmental slope block risk at the outlet of spillway tunnel

根據(jù)塊體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，采取如下針對(duì)性風(fēng)險(xiǎn)防控措施。

①施工順序安排。根據(jù)塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估結(jié)果，按風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高低安排施工順序，高風(fēng)險(xiǎn)塊體優(yōu)先安排，中風(fēng)險(xiǎn)塊體稍緩安排，低風(fēng)險(xiǎn)塊體擇機(jī)安排。為了便于材料運(yùn)輸、加快塊體施工進(jìn)度，在優(yōu)先考慮高風(fēng)險(xiǎn)塊體的前提下，針對(duì)性設(shè)置左高1號(hào)、左高2號(hào)和泄7號(hào)共3條施工支洞。

②臨時(shí)加固措施。為降低塊體施工期安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)和中風(fēng)險(xiǎn)塊體，在施工前采取臨時(shí)加固措施：高風(fēng)險(xiǎn)塊體設(shè)置縱橫向鋼絲繩進(jìn)行“兜錨”，縱橫向間距0.5～1 m，鋼絲繩交點(diǎn)及端點(diǎn)設(shè)置鋼絲繩錨桿固定；中風(fēng)險(xiǎn)塊體設(shè)置主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行“包裹”。

③安全監(jiān)測(cè)措施。按塊體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高低進(jìn)行分級(jí)監(jiān)測(cè)，高風(fēng)險(xiǎn)塊體采用儀器進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，中、低風(fēng)險(xiǎn)塊體以巡視檢查為主。

目前，烏東德水電站已順利實(shí)現(xiàn)下閘蓄水目標(biāo)，施工過(guò)程中環(huán)境邊坡未發(fā)生塊體崩塌、滾落等安全事故，安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)異常，環(huán)境邊坡風(fēng)險(xiǎn)得到有效管控。

3.2 邊坡全鏈條防治技術(shù)集成可視化管理平臺(tái)

特高陡環(huán)境邊坡防治全鏈條技術(shù)眾多，由于無(wú)數(shù)據(jù)集成管理平臺(tái)，存在各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)管理不集中、無(wú)法進(jìn)行協(xié)同工作和管理效率低的問(wèn)題，遇到突發(fā)問(wèn)題反饋處理慢。針對(duì)以上問(wèn)題，構(gòu)建了特高陡環(huán)境邊坡防治全鏈條技術(shù)集成可視化管理平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景可視化和全鏈條技術(shù)集成管理。

（1）三維實(shí)景可視化管理。利用無(wú)人機(jī)航拍的傾斜影像構(gòu)建三維實(shí)景，采用三維可視化仿真技術(shù)，構(gòu)建高清實(shí)景三維漫游場(chǎng)景，嵌入環(huán)境邊坡防治結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)設(shè)施三維模型，實(shí)現(xiàn)全要素可視化表達(dá)與仿真，支持任意部位360°球型范圍全方位觀察實(shí)景，避免環(huán)境邊坡防治管控過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)脫節(jié)，大幅提高了特高陡環(huán)境邊坡管控的效率。

（2）全鏈條技術(shù)集成管理。依托構(gòu)建的三維實(shí)景模型，采用數(shù)據(jù)庫(kù)和信息融合技術(shù)，構(gòu)建傾斜影像、數(shù)字高程模型、地質(zhì)勘察、施工管理、安全監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控等多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，集成風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、安全評(píng)價(jià)、防治設(shè)計(jì)、施工管理、監(jiān)測(cè)預(yù)警、實(shí)時(shí)診斷等邊坡防治全鏈條技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了特高陡環(huán)境邊坡數(shù)據(jù)集成管理，遇到突發(fā)情況可快速反饋。高效防治技術(shù)集成可視化管理平臺(tái)見圖14。

圖14 高效防治技術(shù)集成可視化管理平臺(tái)Fig.14 Integrated visual management platform of high efficiency prevention and control technology

以上平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了邊坡防治全鏈條技術(shù)三維可視化集成管理，能為特高陡環(huán)境邊坡工程的勘察、設(shè)計(jì)、施工、管理及運(yùn)維等持續(xù)提供技術(shù)支持，便于在全生命期進(jìn)行高效協(xié)同管理。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）本項(xiàng)目研究成果在烏東德水電站特高陡環(huán)境邊坡防治中成功應(yīng)用，有效保障了烏東德水電站施工期的人員、設(shè)備和建筑物安全。目前，烏東德水電站全部機(jī)組已投產(chǎn)運(yùn)行，特高陡環(huán)境邊坡各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)運(yùn)行正常。

（2）隨著我國(guó)西南水電基地建設(shè)速度加快，西南高山峽谷地區(qū)將建設(shè)一批巨型水電工程，面臨的特高陡環(huán)境邊坡問(wèn)題非常突出，應(yīng)高度重視特高陡環(huán)境邊坡的防治問(wèn)題，本項(xiàng)目研究成果可供相關(guān)工程借鑒。

（3）受復(fù)雜氣候條件及地下水環(huán)境等影響，邊坡的錨索和防護(hù)網(wǎng)等容易發(fā)生腐蝕而影響防治效果甚至失效，對(duì)特高陡環(huán)境邊坡的長(zhǎng)期安全構(gòu)成較大威脅，有待進(jìn)一步研究特高陡環(huán)境邊坡防治措施耐久性及應(yīng)對(duì)策略。