旭龍水電站自然邊坡防治設(shè)計研究

劉爍楠 丁剛 傅興安 熊瑤

摘要：旭龍水電站壩址處河流谷深坡陡，巖體卸荷強(qiáng)烈，地震烈度高。為解決自然邊坡中存在堆積體、危巖體、強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)、不穩(wěn)定塊體等局部不穩(wěn)定問題，保障邊坡下部施工及運(yùn)行安全，提出自然邊坡防治設(shè)計方案。根據(jù)旭龍水電站自然邊坡特點(diǎn)，明確了邊坡防治范圍和防治目標(biāo)，以“分類處理、防治結(jié)合、因地制宜、減少擾動”的原則進(jìn)行防治設(shè)計，針對不同類型的局部穩(wěn)定問題采取針對性的處理措施，對于堆積體、強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)、危巖體等局部不穩(wěn)定問題，采取防護(hù)網(wǎng)、噴錨支護(hù)、錨索加固等措施；針對坡面滾石、落石問題，采用坡面清理等措施來減輕或消除危害。結(jié)果表明：采取針對性的防治設(shè)計措施可提高邊坡整體穩(wěn)定性，有效保障工程安全。該防治設(shè)計思路及成果可為類似工程自然邊坡防治設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：自然邊坡； 危巖體； 防治設(shè)計； 堆積體； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV223

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.011

文章編號：1006-0081（2024）05-0060-06

0 引言

中國云、貴、川、藏等地區(qū)水資源豐富，這些區(qū)域一般山體雄厚，河流谷深坡陡，地震活動強(qiáng)度大。這些區(qū)域的大型水電工程開挖邊坡往往高達(dá)300～500 m，還可能存在數(shù)百米至千余米的自然邊坡。烏東德水電站在工程邊坡之上還有600～800 m的高位自然邊坡［1］；楊房溝水電站工程邊坡高差約550 m；猴子巖水電站開挖邊坡最大超過150 m，自然邊坡800～1 000 m［2］；雙江水電站壩址區(qū)臨河坡高達(dá)1 000 m以上［3］。工程邊坡開口線以上一定范圍的高位自然邊坡可能發(fā)生滑坡、落石等自然災(zāi)害，對工程施工及運(yùn)行安全造成威脅［4］。因此，高位自然邊坡的防治設(shè)計問題對于工程的安全運(yùn)行具有重要意義。

許多學(xué)者對水利水電工程高位自然邊坡的防治設(shè)計進(jìn)行了一定研究［5-8］。王漢輝等［1］提出了依據(jù)塊體穩(wěn)定程度及對樞紐建筑物的危害大小開展烏東德水電站高位自然邊坡的防治設(shè)計；楊正貴等［2］提出了猴子巖水電站高陡自然邊坡條件下危巖治理防護(hù)工程的設(shè)計、施工工藝和施工方法；丁剛等［5］提出塊體失穩(wěn)風(fēng)險定量評估方法，并提出針對性管控措施。然而，高位自然邊坡局部穩(wěn)定問題種類較多，防治設(shè)計工作存在諸多困難。旭龍水電站自然邊坡存在6處大型堆積體（體積648萬m3），6處重要危巖體（體積167萬m3），4處強(qiáng)卸荷松弛區(qū)（面積40萬m2），198個塊體，局部穩(wěn)定問題十分繁雜，嚴(yán)重威脅工程安全。本文結(jié)合旭龍水電站工程實(shí)踐，總結(jié)了高位自然邊坡的防治思路及方案，可為同類工程提供參考。

1 自然邊坡概況

旭龍水電站工程區(qū)域地跨川、滇、藏兩省一區(qū)，壩址區(qū)兩岸山體雄厚，自然邊坡以巖質(zhì)邊坡為主，巖質(zhì)多堅(jiān)硬；岸坡巖體多呈微風(fēng)化狀，弱風(fēng)化巖體零星出露；強(qiáng)卸荷巖體多發(fā)育于一級岸坡坡頂及混合巖、斜長角閃片巖岸坡，且深度不大；弱卸荷帶巖體內(nèi)卸荷裂隙張開寬多小于1 cm，延展性差；壩址區(qū)地應(yīng)力總體屬中等地應(yīng)力水平。壩址區(qū)自然邊坡整體穩(wěn)定性較好，主要存在局部穩(wěn)定問題。

壩址區(qū)自然高邊坡局部穩(wěn)定問題主要有3類，即第四系崩塌堆積體、強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)、危巖體（區(qū)）等。左、右岸自然邊坡局部不穩(wěn)定體分布示意見圖1，2。局部穩(wěn)定問題具體情況詳見表1。

1.1 防治范圍

工程涉及自然邊坡防治范圍，在立面高程上按河谷谷底高程2 150 m至二級岸坡高程2 700 m左右考慮，左岸上游邊界為上游圍堰，下游邊界為3號堆積體下游側(cè)；右岸上游邊界為F2斷層，下游邊界為1號堆積體下游側(cè)。高程2 700 m以上自然邊坡坡度較緩，且坡面植被茂盛，邊坡巖體失穩(wěn)后對樞紐區(qū)水工建筑物影響小，因此不在防治范圍內(nèi)。

1.2 防治目標(biāo)

旭龍水電站自然邊坡分布范圍廣、潛在不穩(wěn)定體多，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合旭龍水電站工程實(shí)際，自然邊坡防治的目標(biāo)是最大限度降低工程施工期和運(yùn)行期安全風(fēng)險。

1.3 設(shè)計原則

參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合旭龍邊坡堆積體、強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)以及危巖體的地質(zhì)特征、穩(wěn)定性及危害性，制定如下設(shè)計原則：① 分類處理。針對不同類型的局部穩(wěn)定問題采取針對性的處理措施。② 防治結(jié)合。采用防護(hù)措施和治理措施相結(jié)合的方式確保防治目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。對于堆積體、強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)、危巖體等局部穩(wěn)定問題，采取加固措施阻止災(zāi)害發(fā)生。針對隨機(jī)廣泛存在的坡面滾石、落石問題，采用預(yù)防為主的防護(hù)措施來消除或減輕災(zāi)害帶來的危害。③ 因地制宜。針對不同的治理對象、地質(zhì)條件、施工條件及危害性進(jìn)行個性化設(shè)計。④ 減少擾動。減少對高位自然邊坡，尤其是高位堆積體的擾動，同時兼顧生態(tài)環(huán)境保護(hù)。⑤ 重點(diǎn)監(jiān)測。對可能失穩(wěn)、規(guī)模較大、風(fēng)險較高的重點(diǎn)部位進(jìn)行安全監(jiān)測，以便根據(jù)監(jiān)測結(jié)果優(yōu)化調(diào)整防治措施。

2 邊坡級別及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)

樞紐工程區(qū)自然邊坡均屬A類邊坡，堆積體、強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)和危巖體依據(jù)其主要影響的建筑物確定邊坡級別，詳見表2。

設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)參考NB/T 10512-2021《水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》和NB/T 10137-2019《水電工程危巖體工程地質(zhì)勘察與防治規(guī)程》，判斷局部穩(wěn)定問題類別應(yīng)選擇相應(yīng)的計算方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，本文不再贅述。

3 防治設(shè)計

3.1 堆積體防治設(shè)計

壩址區(qū)分布1～6號共6處堆積體，2號、4號、5號堆積體在建筑物布置范圍內(nèi)，被圍堰壓覆或開挖清除，因此，僅對1號、3號和6號堆積體的防治方案進(jìn)行研究。其中，1號、6號堆積體穩(wěn)定性計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，整體較穩(wěn)定，但地表結(jié)構(gòu)較松散，坡面孤石存在失穩(wěn)滾落風(fēng)險，因此，1號、6號堆積體防治思路為防治坡面滾石落石，并導(dǎo)排坡面水流。3號堆積體穩(wěn)定性較差，但方量相對不大，采用局部挖除措施，局部開挖后，邊坡高度達(dá)到200 m以上，且后緣基巖面坡度較陡，表面清挖后對坡面進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)，包括坡面噴護(hù)及應(yīng)用系統(tǒng)錨桿、錨索等。對1號、3號和6號堆積體采取的防治方案見表3。

3.2 強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)防治設(shè)計

壩址區(qū)自然邊坡強(qiáng)卸荷帶范圍內(nèi)，分布S1～S4共4處強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)，坡面松動巖體密集發(fā)育，對樞紐建筑物施工期和運(yùn)行期安全構(gòu)成較大威脅，須采取防治措施。

3.2.1 S1強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)穩(wěn)定分析與防治設(shè)計

S1區(qū)位于左岸F1上游側(cè)，分布于高程2 320～2 520 m，平面面積約1.5萬m2，坡表危巖體多受張開貫穿裂隙切割，塊體穩(wěn)定性差，易崩塌墜落，威脅二道壩及水墊塘等建筑物。S1區(qū)防治方案：① 對坡面預(yù)先采用坡面清理和主動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，以降低施工期安全風(fēng)險。② 針對S1區(qū)坡面遍布松動巖體，采用系統(tǒng)錨桿加固。③ 有關(guān)卸荷松弛區(qū)巖體在雨水沖刷等作用下易風(fēng)化剝落的問題，采用系統(tǒng)噴錨支護(hù)的措施進(jìn)行封閉。④ 針對S1區(qū)范圍內(nèi)發(fā)育的危巖體，采用錨桿、錨筋樁或錨索進(jìn)行加固。

3.2.2 S2強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)穩(wěn)定分析與防治設(shè)計

S2區(qū)位于左岸3號堆積體上方，分布高程2 480～3 000 m，該區(qū)卸荷強(qiáng)烈，坡表巖體裂隙發(fā)育，卸荷松弛嚴(yán)重，易發(fā)生風(fēng)化剝落、崩塌、小范圍淺層滑動等，威脅下游圍堰及3號堆積體處理施工?？紤]S2區(qū)平面面積達(dá)19.7 萬m2，若全范圍采用錨固措施處理，代價高昂。參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，選取防治方案：對危巖體進(jìn)行小藥量爆破清除，危巖體低高程部位設(shè)置張口式引導(dǎo)防護(hù)網(wǎng)，在S2區(qū)下方局部坡度稍緩處布置攔石墻，在攔石墻上布置一道被動防護(hù)網(wǎng)。針對S2區(qū)范圍內(nèi)局部發(fā)育的危巖體，采用錨桿、錨筋樁或錨索進(jìn)行加固。

3.2.3 S3強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)穩(wěn)定分析與防治設(shè)計

S3區(qū)位于右岸F2下游，分布高程2 450～2 680 m，平面面積約3.72萬m2。S3區(qū)發(fā)育3處松動區(qū)，松動區(qū)卸荷松弛強(qiáng)烈，淺表巖體具有松動特征，松動深度一般5～7 m，沿卸荷裂隙面具有傾倒剝離特征，巖體破碎，危巖體與危石集中發(fā)育，多為5～8 m的塊體。松動區(qū)巖體易發(fā)生崩塌、剝落等，穩(wěn)定性差，影響引水洞進(jìn)口及纜機(jī)平臺邊坡安全。S3區(qū)防治方案：① 對3處松動區(qū)進(jìn)行局部修整，并采用長錨桿和主動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行加固防護(hù)，S3區(qū)其他區(qū)域采用淺錨桿進(jìn)行加固。② 針對卸荷松弛區(qū)巖體在雨水沖刷等作用下易風(fēng)化剝落的問題，采用系統(tǒng)噴錨支護(hù)的措施進(jìn)行封閉。③ 針對S3區(qū)范圍內(nèi)局部發(fā)育的危巖體，采用隨機(jī)錨桿、錨筋樁或錨索進(jìn)行加固。

3.2.4 S4強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)穩(wěn)定分析與防治設(shè)計

S4區(qū)位于右岸F1上游，分布高程2 380～2 500 m，平面面積約1.32萬m2，該區(qū)坡表塊體穩(wěn)定性差，易崩塌墜落。區(qū)坡腳邊坡松散塊石遍布，崩塌跡象明顯，威脅開關(guān)站、水墊塘、二道壩等建筑物。S4區(qū)防治方案：① 對S4區(qū)局部地形突出且松動巖體密集發(fā)育區(qū)域采用爆破或人工撬挖等方式進(jìn)行清除，對坡面預(yù)先采用坡面清理和主動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)；② 針對卸荷松弛區(qū)頂部巖體易發(fā)生卸荷拉裂破壞的問題，S4區(qū)頂部采用3～4排1 000 kN級預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行鎖口支護(hù)，針對卸荷松弛區(qū)中下部巖體易發(fā)生剪切破壞的問題，S4區(qū)鎖口錨索下方邊坡采用328錨筋樁進(jìn)行支護(hù)；③ 針對卸荷松弛區(qū)巖體在雨水沖刷等作用下易風(fēng)化剝落的問題，對S4區(qū)全坡面進(jìn)行噴錨支護(hù)。

3.3 危巖體穩(wěn)定分析與防治設(shè)計

樞紐工程區(qū)危巖體共255個，其中左岸109個，右岸146個。樞紐工程區(qū)對建筑物有較大影響的共有6個危巖體（1～6號危巖體），3號和6號危巖體可結(jié)合工程邊坡開挖予以清除。兩岸一般危巖體共250個，其中，左岸包含106個一般危巖體，右岸包含144個一般危巖體。

3.3.1 危巖體危害性等別劃分

根據(jù)NB/T 10137-2019《水電工程危巖體工程地質(zhì)勘察與防治規(guī)程》和《水工設(shè)計手冊》相關(guān)規(guī)定，考慮危巖體危害性等別，應(yīng)根據(jù)危巖體危害對象和危險性等進(jìn)行劃分，具體見表4。

3.3.2 危巖體防治設(shè)計

根據(jù)危巖體危害性等別，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，1號、2號、4號、5號危巖體分別采取了不同的防治方案。1號危巖體穩(wěn)定性較差，前緣已處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，針對滑移破壞，在其剪出口處采用混凝土剛性壓坡體結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索的強(qiáng)支護(hù)方案，針對危巖體泄洪霧雨區(qū)及其以上正面坡采用噴錨支護(hù)，泄洪霧雨區(qū)以上側(cè)面坡設(shè)置主動防護(hù)網(wǎng)。2號危巖體已處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，考慮可靠性及經(jīng)濟(jì)性，相較于預(yù)應(yīng)力錨索加固危巖體，對其開挖清除可以徹底解決其穩(wěn)定問題且投資更省。4號、5號危巖體若采用開挖清除方案，會對施工道路造成一定影響，因此開挖清除方案不合適，針對坡面的浮石、孤石、小規(guī)模危石及松動巖體，采用坡面清理及安裝主動防護(hù)網(wǎng)，用系統(tǒng)錨索加固危巖體。各危巖體防治方案具體見表5。

對于一般危巖體，根據(jù)其特征，綜合分析采用清除處理或錨固支護(hù)。自然邊坡存在250個一般危巖體，其中91個危巖體結(jié)合工程邊坡開挖一并挖除，159個危巖體須進(jìn)行防治。左岸工程邊坡開挖范圍以外自然邊坡共61個危巖體，其中采用清除處理的11個，采用錨固支護(hù)的50個；右岸工程邊坡開挖范圍以外自然邊坡共98個危巖體，其中采用清除處理的8個，采用錨固支護(hù)的90個。

3.4 自然邊坡坡面滾石落石防治設(shè)計

滾石及落石指邊坡表面存在的松動巖塊、浮石及孤石在自然因素（如降雨、風(fēng)化卸荷、地震）或工程因素（爆破震動、泄洪霧化）作用下沿坡面失穩(wěn)。旭龍水電站壩址一級岸坡卸荷嚴(yán)重，坡面松動巖塊較多，二級岸坡堆積體上浮石、孤石較多，由于壩址兩岸邊坡高陡，坡面松動巖塊、浮石及孤石一旦滾落，將對下方施工人員和設(shè)備造成極大危害。

滾石落石的防治方案：針對地形較緩部位的滾石，主要采用被動防護(hù)網(wǎng)或攔石墻進(jìn)行防治；地形較陡部位的落石，一般采用主動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防治；地形較陡且?guī)r體破碎部位，為防止巖體繼續(xù)風(fēng)化破壞或崩落，采用噴錨支護(hù)進(jìn)行防治。左岸共布置7道被動防護(hù)網(wǎng)、2道攔石墻、4個主動防護(hù)網(wǎng)區(qū)域、1個噴錨支護(hù)區(qū)。右岸共布置5道被動防護(hù)網(wǎng)、1道攔石墻、2個主動防護(hù)網(wǎng)區(qū)域、2個噴錨支護(hù)區(qū)。

3.5 自然邊坡截排水設(shè)計

旭龍壩址區(qū)河谷呈“V”型谷，壩頂以上匯水面積廣闊，匯水流量較大。自然邊坡地表徑流可能引起堆積體淺層局部垮塌，同時水流沖刷作用可能導(dǎo)致坡面浮石向下滾動，此外還可能導(dǎo)致一級岸坡坡頂局部卸荷松弛，巖體失穩(wěn)，威脅下部施工期和運(yùn)行期安全。因此，有必要對自然邊坡的地表徑流進(jìn)行系統(tǒng)導(dǎo)排。根據(jù)邊坡的地形地貌，在兩岸各布置2條排水溝。排水溝均按梯形斷面設(shè)計，采用鋼筋混凝土襯砌。

3.6 防治設(shè)計合理性分析

以5號危巖體為例，進(jìn)行防治設(shè)計的合理性分析。5號危巖體位于左岸導(dǎo)流洞邊坡上方，以f79為底滑邊界，陡傾順坡向卸荷裂隙為側(cè)滑邊界（部分張開20～30 cm，未完全貫通），危巖體范圍線內(nèi)部切割為6個次級危巖體。該危巖體體積較大，破壞失穩(wěn)后對下方導(dǎo)流洞進(jìn)口構(gòu)成直接威脅。危巖體實(shí)景詳見圖3。

5號危巖體防治方案有2種：① 開挖清除方案；② 坡面清理+主動防護(hù)網(wǎng)+系統(tǒng)錨索加固方案。方案1不僅施工道路布置困難，而且開挖產(chǎn)生的渣體容易散落在坡面上，易形成風(fēng)險源，因此采用方案2。采用防護(hù)和治理措施相結(jié)合的方式，具體措施：清除坡面浮石、孤石、小規(guī)模危石及松動危巖體，對危巖體高程2 355～2 410 m范圍采用主動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行覆蓋，并采用70術(shù)1 000 kN級預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固。5號危巖體錨索加固典型剖面見圖4，防治前后的穩(wěn)定性計算結(jié)果見表6，從計算結(jié)果可以看出，5號危巖體天然狀況下穩(wěn)定系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，防治后在持久狀況、短暫狀況和偶然狀況穩(wěn)定系數(shù)分別為1.16，1.11，1.02，較防治前提高0.05～0.07，均滿足規(guī)范要求，說明防治措施是合理有效的。

3.7 自然邊坡安全監(jiān)測設(shè)計

安全監(jiān)測范圍主要包括自然邊坡范圍內(nèi)堆積體、強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)、危巖體、危險塊體（包括危石）等部位。主要監(jiān)測項(xiàng)目包括表面變形及深部變形、地下水位、加固結(jié)構(gòu)（1 000 m3以上塊體及強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)等的錨索、錨桿）受力、巡視檢查（邊坡表面裂縫、滑塌等變形跡象）。此外，在樞紐區(qū)設(shè)置1臺自動起降巡查無人機(jī)測站，對自然邊坡進(jìn)行巡視檢查。在樞紐區(qū)左岸和右岸各設(shè)置1臺地基雷達(dá)，針對樞紐區(qū)左右岸自然邊坡分布的危巖體、強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)、堆積體等，定期進(jìn)行面域的變形監(jiān)測。

4 結(jié)語

旭龍水電站壩址區(qū)自然高邊坡局部穩(wěn)定問題主要有3類，即堆積體、強(qiáng)烈卸荷松弛區(qū)、危巖體（區(qū)），自然邊坡分布范圍大、潛在不穩(wěn)定體多，工程施工期和運(yùn)行期對建筑物、人員及設(shè)備都存在一定安全風(fēng)險。本文根據(jù)局部穩(wěn)定問題的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，確定防治范圍、目標(biāo)及設(shè)計原則，明確不同局部穩(wěn)定問題的具體防治方案。通過針對性的防治方案，可以有效解決旭龍水電站高自然邊坡安全問題，施工過程中暫未發(fā)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定問題，且邊坡安全監(jiān)測數(shù)據(jù)暫無異常。

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編輯：張爽

Study on prevention design for natural slope of Xulong Hydropower Station

LIU Shuonan，DING Gang，F(xiàn)U Xing′an，XIONG Yao

（ChangJiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The river valley of Xulong Dam site is deep and steep，with the strong unloading of the rock mass and high seismic intensity.In order to deal with the local unstability problems such as? accumulations，dangerous rock masses，strong unloading and relaxation zones，and blocks on the natural slope，and to ensure the construction and operation safety of the lower part of the slope，a prevention design for natural slope was proposed.Based on the characteristics of natural slope of Xulong Hydropower Station，the protection range and goals of natural slope were determined firstly.The prevention measures were carried out following the principles of classified treatment，combination of prevention and reinforce，adapting measures to local conditions and reducing disturbance.The targeted measures were taken to deal with different types of local stability problems.For the local unstability problems such as accumulations，strong unloading and relaxation zones and dangerous rock mass，measures such as protective net，shotcrete-bolt support and anchor cable reinforcement were taken to prevent the occurrence of disasters.For the problems of rolling and falling stones on the slope，measures such as slope cleaning were adopted to eliminate or reduce the hazards.The results indicated that these prevention measures can improve the stability of the slope and ensure engineering safety effectively.The prevention design ideas and results for natural slope can be a reference by other similar projects.

Key words：

natural slope； dangerous rock mass； prevention design； accumulations； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-16

作者簡介：劉爍楠，女，工程師，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計研究工作。E-mail：liushuonan@cjwsjy.com.cn