烏東德水電站泄洪洞出口環(huán)境邊坡風(fēng)險評估及管控研究

丁剛 黃小艷 熊瑤 劉科

摘要：

烏東德水電站泄洪洞出口環(huán)境邊坡高達746 m，發(fā)育82個危險塊體，存在塊體崩塌滾落的風(fēng)險，嚴重威脅下方泄洪洞出口安全。根據(jù)塊體影響對象不同進行分區(qū)，采用三維剛體極限平衡法進行穩(wěn)定性計算并作針對性防治設(shè)計；為有效管控環(huán)境邊坡風(fēng)險，提出塊體失穩(wěn)風(fēng)險定量評估方法，明確了風(fēng)險管控的重點對象，并按風(fēng)險高低安排塊體施工順序，采取了設(shè)置施工支洞、臨時加固塊體和安全監(jiān)測等管控措施，有效保障了工程安全。研究成果可為環(huán)境邊坡防治設(shè)計與管理提供參考。

關(guān)鍵詞：

環(huán)境邊坡； 塊體防治； 風(fēng)險定量評估； 風(fēng)險管控； 烏東德水電站

中圖法分類號：TV221.2

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.009

文章編號：1006-0081（2023）04-0053-05

0 引 言

中國的水電資源主要集中在云、貴、川、藏等地，分布在金沙江、雅礱江、大渡河等流域。由于受到印度洋板塊與歐亞板塊的碰撞擠壓，這些地區(qū)河流谷深坡陡，地應(yīng)力水平高，巖體卸荷強烈，地震烈度高［1-2］。隨著水電工程開發(fā)向西南縱深推進，因樞紐建筑物布置需要，往往開挖形成高達300～500 m的工程邊坡，工程邊坡以上還存在高達數(shù)百米甚至上千米坡度50°以上的環(huán)境邊坡，給工程設(shè)計帶來巨大挑戰(zhàn)［3］。

錦屏一級水電站等西南水電工程在建設(shè)期均遇到不同程度的環(huán)境邊坡問題［3］，局部環(huán)境邊坡的滑坡、崩塌、落石對下方施工人員和設(shè)備的安全造成威脅，引起工期延誤。2008年汶川大地震的災(zāi)后調(diào)查表明：水電站的工程邊坡穩(wěn)定狀態(tài)一般較好，但部分水電站環(huán)境邊坡在地震后發(fā)生了滑坡、崩塌、落石等災(zāi)害，如沙牌、魚子溪、映秀灣、太平驛等水電站［4-5］，并造成建筑物不同程度損壞，影響工程正常運行。環(huán)境邊坡問題關(guān)乎工程建設(shè)期和運行期安全，其防治和管控問題逐漸受到重視。

目前，工程邊坡防治和管控技術(shù)比較成熟，但環(huán)境邊坡風(fēng)險評估和管控技術(shù)較為薄弱。吉鋒等［6］參考地質(zhì)災(zāi)害危險性評估相關(guān)規(guī)程規(guī)范，對環(huán)境邊坡危險源危險性評價體系做了初步研究。董家興等［7］考慮了危險源自身、途徑邊坡、觸發(fā)因素等指標(biāo)，建立了環(huán)境邊坡危險源危險度評價體系。牟榮峰等［8］對烏東德高位自然邊坡質(zhì)量安全管控思路進行分析，提出通過組織、管理、技術(shù)等措施保障工程安全。然而，目前風(fēng)險評估方法忽略了危險源影響對象的因素，不能科學(xué)評價環(huán)境邊坡風(fēng)險。基于此，本文以烏東德水電站泄洪洞出口花山溝附近的環(huán)境邊坡塊體防治為例，針對危險源及其影響對象進行綜合評估分析，并提出針對性管控措施。

1 工程概況與工程地質(zhì)條件

烏東德水電站位于金沙江下游河段，電站裝機容量10 200 MW，多年平均發(fā)電量389.1億kW·h，為Ⅰ等大（1） 型工程，主要由高達270 m 的混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成［9］。烏東德水電站泄洪洞出口環(huán)境邊坡高達746 m，其上塊體等風(fēng)險源較多，對下部泄洪洞出口安全構(gòu)成較大威脅。

烏東德水電站左岸泄洪洞出口邊坡位于花山溝附近，地面高程約800 m，坡頂高程約1 836 m。工程邊坡以花山溝為界，分為泄洪洞正面邊坡和左側(cè)邊坡兩部分，分別長約140 m和484 m，工程邊坡開口線高程為1 030～1 090 m，開口線以上環(huán)境邊坡最高約746 m，平均坡度約55°。環(huán)境邊坡地層由褶皺基底和沉積蓋層構(gòu)成，褶皺基底為灰色互層夾薄層灰?guī)r（Pt102l），沉積蓋層為薄層白云巖夾薄-極薄層粉砂質(zhì)泥巖頁巖（Z2g）、厚-巨厚層白云巖（Z2d）、厚層灰?guī)r（P2y）、玄武巖（P3em）等［10-12］。

泄洪洞出口環(huán)境邊坡塊體（含潛在不穩(wěn)定傾倒巖體，下同）在卸荷、風(fēng)化、降雨及地震等自然因素或工程擾動作用下，可能產(chǎn)生局部失穩(wěn)、崩塌滾落，危及工程施工與運行安全。環(huán)境邊坡共發(fā)現(xiàn)82個塊體，其中1 000～10 000 m3有16個、100～1 000 m3的有52個、小于100 m3有14個，見圖1。

2 環(huán)境邊坡塊體防治

泄洪洞出口環(huán)境邊坡范圍廣闊，不同區(qū)域危害對象有所差別，因此分為4個區(qū)進行防治：① D1區(qū)影響左岸低線過壩路通行及下游圍堰施工安全，為Ⅲ級邊坡；② D2區(qū)影響尾水洞與泄洪洞出口施工及運行安全，為Ⅰ級邊坡；③ D3區(qū)影響泄洪洞出口側(cè)面邊坡施工安全，為Ⅱ級邊坡；④ D4區(qū)影響850混凝土系統(tǒng)安全，為Ⅲ級邊坡。

2.1 穩(wěn)定性計算分析

2.1.1 計算方法

采用三維剛體極限平衡法，對單面和雙面滑動的塊體進行穩(wěn)定性計算分析［13-14］。

（1） 單面滑動。設(shè)塊體自重、地下水及地震的合力為r，滑移方向為S，合力和滑移方向的夾角為θ，塊體在滑移方向的法向作用力（N）與切向作用力（H）分別為

H=|r|cosθ（1）

N=|r|sinθ（2）

單面滑動塊體安全系數(shù)按式（3）計算：

Kc=|r|sinθ·tanφ+cA+∑mj=1cjAj|rcosθ|（3）

式中：φ，c，A分別為滑面的內(nèi)摩擦角、黏聚力和面積；m，cj，Aj分別為塊體其他結(jié)構(gòu)面的數(shù)量、黏聚力和面積。

（2） 雙面（楔形體）滑動。設(shè)塊體在自重、地下水及地震的合力為r，滑移方向為2個滑面的交棱線，方向為S，合力和滑移方向的夾角為θ。法向作用力與兩個滑面的夾角分別為α1，α2（圖2），兩個滑面法向作用力分別為

N1=N·sinα2sin（α1+α2）（4）

N2=N·sinα1sin（α1+α2）（5）

雙滑面塊體安全系數(shù)按式（6）計算：

Kc=∑2i=1（Nitanφi+ciAi）+∑mj=1cjAj|r|cosθ（6）

式中：φi，ci，Ai分別為2個主滑面的內(nèi)摩擦角、黏聚力和面積；m，cj，Aj分別表示塊體其他結(jié)構(gòu)面數(shù)量、各結(jié)構(gòu)面黏聚力和面積。

2.1.2 計算工況與荷載

塊體穩(wěn)定計算考慮持久、短暫、偶然等3種工況。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析，塊體位置均較高，地下水排泄條件較好，持久工況不考慮地下水作用；短暫工況考慮一定地下水作用；偶然工況主要考慮地震作用。各類荷載如下。

（1） 自重。塊體巖性主要為灰?guī)r、白云巖等，容重取26.8～27.3 kN/m3。

（2） 地下水。短暫工況考慮暴雨或泄洪霧雨作用下排泄不及時的情況。

（3） 地震。主要考慮水平地震力，采用擬靜力法計算。設(shè)計地震概率水準取50 a一遇超越概率5%，相應(yīng)基巖水平加速度峰值為0.169g。

（4） 錨固力。錨桿（錨筋樁）只考慮錨固力沿滑移方向的切向作用力，預(yù)應(yīng)力錨索分別考慮錨固力沿滑移方向的切向和法向作用力。

2.1.3 天然穩(wěn)定性計算結(jié)果

經(jīng)過計算，3個塊體天然穩(wěn)定性滿足安全標(biāo)準，其余79個塊體天然穩(wěn)定性不滿足安全標(biāo)準，持久工況穩(wěn)定系數(shù)約為1.05～1.10，短暫工況與偶然工況處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)約為0.95～1.05，均需采取針對性的處理措施。

2.2 塊體防治方案

對滿足安全標(biāo)準的3個塊體，采取維持現(xiàn)狀、加強巡視的防治措施。對不滿足安全標(biāo)準的79個塊體，經(jīng)過方案比選，采取針對性的防治措施：分別對51，11，15個塊體采用錨索、錨筋樁、錨桿加固，開挖清除2個塊體。經(jīng)過計算，錨固后塊體穩(wěn)定性均滿足安全標(biāo)準。

3 環(huán)境邊坡風(fēng)險管控

泄洪洞出口環(huán)境邊坡存在以下風(fēng)險問題：① 環(huán)境邊坡山高坡陡，交通條件差，塊體防治施工工期較長，未施工的塊體高懸于邊坡之上，嚴重威脅泄洪洞出口建設(shè)期安全；② 塊體數(shù)量眾多、位置分散，對塊體的監(jiān)測難以面面俱到，運行期安全風(fēng)險突出。因此，有必要對塊體失穩(wěn)風(fēng)險進行評估，并采取針對性的管控措施，以有效降低工程建設(shè)期和運行期安全風(fēng)險。

3.1 塊體失穩(wěn)風(fēng)險定量評估

3.1.1 塊體失穩(wěn)風(fēng)險定量評估體系

根據(jù)泄洪洞出口環(huán)境邊坡特點，提出了塊體失穩(wěn)風(fēng)險定量評估體系，包括對象層、特征層、因子層和結(jié)果層等4個層次（圖3）：① 對象層為各個塊體；② 特征層為塊體的穩(wěn)定系數(shù)、塊體體積、相對高度、影響對象、接觸頻率等；③ 因子層為評估塊體失穩(wěn)的4個風(fēng)險因子，分別為發(fā)生可能性（A）、事故影響程度（B）、影響對象重要性（C）和接觸頻繁程度（D），首先需要建立風(fēng)險因子的權(quán)重系數(shù)ai及賦分標(biāo)準，根據(jù)特征層信息可以求得風(fēng)險因子值xi；④ 結(jié)果層為塊體的風(fēng)險等級，計算風(fēng)險因子的權(quán)重系數(shù)ai與因子賦分xi乘積的總和，根據(jù)風(fēng)險劃分標(biāo)準可對塊體失穩(wěn)風(fēng)險進行分級。

3.1.2 風(fēng)險因子權(quán)重及賦分標(biāo)準

風(fēng)險因子權(quán)重及賦分標(biāo)準確定原則：① 根據(jù)各個因子對風(fēng)險的影響程度確定因子權(quán)重ai，對失穩(wěn)風(fēng)險的影響越大，因子權(quán)重就越大，各個因子權(quán)重的總和為1；② 根據(jù)因子特征對風(fēng)險的影響程度，將因子賦分標(biāo)準xi劃分為4個等級，分別為0.75＜xi≤1，0.5＜xi≤0.75，0.25＜xi≤0.5，0＜xi≤0.25。根據(jù)泄洪洞出口環(huán)境邊坡的特點，建立風(fēng)險因子權(quán)重及賦分標(biāo)準，見表1。

3.1.3 塊體失穩(wěn)風(fēng)險評估標(biāo)準

塊體失穩(wěn)風(fēng)險定量評估計算公式為

f（x）＝∑（ai×xi）（7）

式中：f（x）為風(fēng)險評估值；ai為權(quán)重系數(shù)；xi為風(fēng)險因子賦分值。

根據(jù)風(fēng)險評估值，將塊體失穩(wěn)風(fēng)險劃分為3個等級：① 0.75＜f≤1屬于高風(fēng)險；② 0.5＜f≤0.75屬于中等風(fēng)險；③ 0≤f≤0.5屬于低風(fēng)險。

3.1.4 塊體失穩(wěn)風(fēng)險評估結(jié)果

根據(jù)上述風(fēng)險評估體系及相關(guān)標(biāo)準，對泄洪洞出口環(huán)境邊坡82個塊體的失穩(wěn)風(fēng)險進行評估。據(jù)統(tǒng)計，22個塊體屬于高風(fēng)險、44個塊體屬于中風(fēng)險、16個塊體屬于低風(fēng)險，塊體風(fēng)險分布影像示意見圖4。

3.2 風(fēng)險管控措施

根據(jù)塊體失穩(wěn)風(fēng)險定量評估結(jié)果，從施工安排、臨時加固、安全監(jiān)測等方面進行風(fēng)險管控。對于高風(fēng)險塊體，優(yōu)先對其進行處理施工，設(shè)置臨時加固措施，并作重點安全監(jiān)測。

3.2.1 施工安排管控措施

按風(fēng)險等級高低安排塊體處理施工順序，優(yōu)先進行高風(fēng)險塊體施工，稍緩進行中風(fēng)險塊體施工，擇機進行低風(fēng)險塊體施工。

泄洪洞出口邊坡地形陡峻，交通困難，為了便于材料運輸、加快塊體施工進度，在優(yōu)先考慮高風(fēng)險塊體的前提下，共設(shè)置3條施工支洞：① 左高1號

施工支洞承擔(dān)D2區(qū)塊體施工；

② 左高2號施工支洞承擔(dān)D1，D2區(qū)塊體施工；③ 泄7號施工支洞承擔(dān)D3，D4區(qū)塊體施工。

通過設(shè)置施工支洞，可將施工設(shè)備和材料快速運抵至環(huán)境邊坡，再輔以施工便道、鋼棧橋、鋼爬梯和纜索吊等手段，可加快高風(fēng)險塊體處理施工進度，有效管控安全風(fēng)險。

3.2.2 臨時加固管控措施

環(huán)境邊坡塊體一般位于強卸荷帶內(nèi)，自身穩(wěn)定性差，在錨固過程中，鉆孔機械的擾動可能引起塊體失穩(wěn)。為降低塊體施工期安全風(fēng)險，對于高風(fēng)險和中風(fēng)險塊體，在施工前采取臨時加固措施：對于高風(fēng)險塊體，設(shè)置縱橫向鋼絲繩進行“兜錨”，縱橫向間距0.5～1.0 m，鋼絲繩交點及端點設(shè)置鋼絲繩錨桿固定；對于中風(fēng)險塊體，設(shè)置GPS2型主動防護網(wǎng)進行“包裹”。

3.2.3 安全監(jiān)測管控措施

為監(jiān)測塊體在施工期和運行期的安全狀況，按塊體風(fēng)險等級高低進行分級監(jiān)測：對于高風(fēng)險塊體，采用儀器進行重點監(jiān)測；對于中、低風(fēng)險塊體，則以巡視檢查為主。塊體安全監(jiān)測措施主要有以下3種。① 加固措施監(jiān)測：對千方級以上塊體采用錨索測力計進行監(jiān)測，對百方級塊體采用錨桿應(yīng)力計進行監(jiān)測。② 深部變形監(jiān)測：對可能存在深部變形的重點塊體，采用多點位移計進行監(jiān)測。③ 人工巡視檢查：針對邊坡表面裂縫、滑塌等變形跡象進行定期巡視檢查。

4 結(jié) 語

（1） 烏東德水電站泄洪洞出口相關(guān)建筑物已施工完成，施工過程中未發(fā)生塊體崩塌安全事故，環(huán)境邊坡安全監(jiān)測數(shù)據(jù)無異常。烏東德水電站全部機組已于2021年6月投產(chǎn)發(fā)電，至今均運行正常。環(huán)境邊坡塊體防治及風(fēng)險管控有效保障了工程安全。

（2） 環(huán)境邊坡塊體嚴重威脅工程建設(shè)期和運行期安全，可能造成重大人員傷亡或設(shè)備損壞事故、導(dǎo)致工程直線工期嚴重滯后或影響工程正常運行。隨著中國水電工程建設(shè)向地質(zhì)環(huán)境脆弱的西南地區(qū)縱深推進，建議在工程選址階段高度重視環(huán)境邊坡問題，在工程建設(shè)階段重點對環(huán)境邊坡進行防治，盡可能消除工程安全隱患。

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（編輯：江 燾，高小雲(yún)）

Research on environmental slope risk assessment and management at spillway tunnel outlet of Wudongde Hydropower Station

DING Gang1，HUANG Xiaoyan1，XIONG Yao1，LIU Ke2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.Wudongde Engineering Construction Department of China Three Gorges Construction Engineering （Corporation） Co.，Ltd.，Kunming 651500，China）Abstract：

The environmental slope at the outlet of the spillway tunnel of Wudongde Hydropower Station was as high as 746 m and with 82 dangerous blocks.There were risks of block collapsing and rolling，seriously threatening the safety of the spillway exit below.According to the different objects affected by the block，the partition control was carried out，the three-dimensional rigid body limit equilibrium method was used to calculate the stability，and pertinent control measures were designed.In order to effectively control the risks of environmental slopes，a quantitative assessment method for the risk of block instability was proposed，the key objects of risk management were clarified，and the block construction sequence was arranged according to the level of risk，measures such as designing construction adit，reinforcing blocks and taking safety monitoring were carried out，which effectively guaranteed the safety of the project.The research results can be a reference for the design and management of environmental slope treatment.

Key words：

environmental slope； block management； quantitative risk assessment； risk management and control； Wudongde Hydropower Station

收稿日期：

2022-06-21

基金項目：

中國三峽建工（集團）有限公司技術(shù)服務(wù)/咨詢項目（WDD/0579）

作者簡介：

丁 剛，男，高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程設(shè)計工作。E-mail：410707291@qq.com