水電工程環(huán)境邊坡危巖體危害程度確定方法研究

胡金山，閔勇章，劉永波，曹建平，馬德林

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司 地質(zhì)處，成都 610072)

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水電工程環(huán)境邊坡危巖體危害程度確定方法研究

胡金山，閔勇章，劉永波，曹建平，馬德林

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司 地質(zhì)處，成都 610072)

危巖體危害程度是指度量致災(zāi)體的活動程度、活動特征、地理分布及其對受災(zāi)體的影響程度。它不僅與危巖體穩(wěn)定性有關(guān)，還與其危害對象、離危害對象高度、危巖體規(guī)模有關(guān)，其它情況相同下，規(guī)模越大、高度越高其危害越大，即危害程度級別越高。通過對已建及在建水電工程環(huán)境邊坡危巖體系統(tǒng)研究，建立一套危巖體穩(wěn)定性評價、危害程度分級體系，根據(jù)危害程度分級提出危巖體防治措施一般選取原則。首先根據(jù)水電工程環(huán)境邊坡危巖體所影響水工建筑物級別、部位、人員密集活動程度對危害對象進行分級，然后根據(jù)危巖體自身的穩(wěn)定性、規(guī)模及其離危害對象的高度建立危巖體危害程度分級方法，提出危巖體防治措施一般選取原則。將該方法應(yīng)用于成都勘測設(shè)計研究院承建的大多數(shù)水電工程環(huán)境邊坡危巖體評價及處理，取得了較好的效果。

環(huán)境邊坡；危巖體；危害對象；危害程度；防治措施

1 研究背景

水電工程環(huán)境邊坡是指位于工程邊坡開口線之外的，一級谷肩以下，一旦失穩(wěn)可能會對工程或工程區(qū)人員構(gòu)成威脅的斜坡，它是自然邊坡的一部分[1]。在自然條件及人類工程活動等作用下，在工程邊坡范圍之外可能發(fā)生落石、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，進而造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。

如何衡量水電工程環(huán)境邊坡可能造成的損害，評價其危害程度，進而采取針對性處理措施一直是水電工程的難點問題。隨著大型水電站的相繼開工建設(shè)，工程開口線外的環(huán)境邊坡安全問題日益突出，因此有必要建立一套科學(xué)的評價體系來評價危巖體的穩(wěn)定性及危害程度。

危巖體危害程度是指度量致災(zāi)體(危巖體)的活動程度、活動特征、地理分布及其對受災(zāi)體的影響程度。它不僅與危巖體穩(wěn)定性有關(guān)，還與其危害對象、離危害對象高度、危巖體規(guī)模有關(guān)。在其它情況相同下，規(guī)模越大、高度越高，其危害越大，即危害程度級別越高，相應(yīng)地其防治措施也越強。

目前有一些條例從地質(zhì)災(zāi)害角度闡述了危害程度，如《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》根據(jù)損失金額或傷亡人數(shù)對地質(zhì)災(zāi)害分成4個等級，分別為特大型、大型、中型、小型。實際工程中由于環(huán)境邊坡危害造成的損失金額和傷亡人數(shù)往往不易量化，不便于操作。只能利用它的一般原則，并通過水電工程實際加以細化。

本文首先根據(jù)水電工程環(huán)境邊坡危巖體所影響水工建筑物級別、部位、人員密集活動程度對危害對象進行分級，然后系統(tǒng)論述危巖體穩(wěn)定性評價；根據(jù)危巖體自身的穩(wěn)定性、規(guī)模及其離危害對象的高度提出危巖體危害程度分級方法；根據(jù)危害程度分級提出危巖體防治措施一般選取原則。將該方法應(yīng)用于成都勘測設(shè)計研究院承建的大多數(shù)水電工程環(huán)境邊坡危巖體評價及處理，取得了較好的效果。

2 危害對象分級

危害對象分級根據(jù)水工建筑物重要程度及人員工程活動情況按表1劃分。參考《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T5353—2006)[2]、《水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》[3](DL/T5337—2006)，根據(jù)水工建筑物重要程度，將水工建筑物分為關(guān)鍵部位及非關(guān)鍵部位區(qū)別對待。水工建筑物級別按《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準》(DL 5180—2003)[4]確定。

一般來說，相同條件下，水工建筑物級別越高，危害程度越高。同一建筑物級別下，環(huán)境邊坡危巖體對關(guān)鍵部位危害程度大于非關(guān)鍵部位。同時人員密集部位相應(yīng)的危害程度要高(根據(jù)實踐積累的工程經(jīng)驗，一般選取同一時間內(nèi)聚集人數(shù)超過50人的工程區(qū)域為人員密集工程活動區(qū)，如施工及業(yè)主營地、土石壩心墻、砼壩體基坑施工區(qū))。

表1 危巖體危害對象分級定性描述

注：對僅影響施工期安全的危巖體其危害對象可直接劃為3級，危害對象為人員密集居住區(qū)除外。

3 危巖體穩(wěn)定性分析方法

危巖體穩(wěn)定性分析方法可分為定性分析、定量分析以及半定量快速分析。危巖體穩(wěn)定分析以定性分析為主，對每一個危巖體進行定量分析也是不現(xiàn)實的，特別是中小危巖體。因此應(yīng)根據(jù)危巖體大小采取不同方法：中、小型危巖體以定性分析評價為主，大型、特大型危巖體采取定性與定量結(jié)合的方法進行分析和評價。

危巖體定性分析方法是指可根據(jù)地形地貌、結(jié)構(gòu)面及其組合特征、巖體結(jié)構(gòu)特征等定性分析危巖體穩(wěn)定性。一般來說，相同條件下，坡度越緩，危巖體穩(wěn)定性越好。根據(jù)雙江口、猴子巖、長河壩、黃金坪、兩河口、錦屏一級等電站共261個分區(qū)統(tǒng)計資料(圖1，表2)，當(dāng)總體坡度<30°時基本無危巖體分布(僅有1個分區(qū))，此時危巖體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；一般塊碎石自然休止角為37°左右，因此當(dāng)自然坡度30°～37°時，總體穩(wěn)定性相對較好一點，其危巖體發(fā)育自然要少，經(jīng)統(tǒng)計僅占總數(shù)的5%(見圖1)，以穩(wěn)定性較差為主，部分穩(wěn)定性差，個別極差；坡度為37°～45°時，占危巖體分布總數(shù)的17%，危巖體穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面特性控制，一般穩(wěn)定性差，少量穩(wěn)定性極差，個別穩(wěn)定性較差；坡度>45°時，危巖體分布最廣泛，占統(tǒng)計總數(shù)的78%，其穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)面及其組合控制。

圖1 不同坡度危巖體分布Fig.1 Pie chart of slope of potentially hazardous rock mass

當(dāng)結(jié)構(gòu)面存在不利組合，存在順坡結(jié)構(gòu)面或2組結(jié)構(gòu)面交線順坡、傾角小于坡角且大于結(jié)構(gòu)面縻擦角[5]，結(jié)構(gòu)面連通，則稱結(jié)構(gòu)面不利組合完備，穩(wěn)定性極差；當(dāng)存在不利結(jié)構(gòu)面組合，但未完全貫通時，則穩(wěn)定性差；當(dāng)不存在不利結(jié)構(gòu)面組合時，則穩(wěn)定性較差，甚至基本穩(wěn)定。同樣地，坡體表面特征和植被發(fā)育對危巖體穩(wěn)定性也有一定影響，坡表面越粗糙，植被越發(fā)育，則危巖體穩(wěn)定性越好。定性分析成果見表3。定性分析多依賴于地質(zhì)工作人員的宏觀判斷，經(jīng)驗成份較重。

為了客觀、快速地評價危巖體穩(wěn)定性，通過研究還提供了一種半定量危巖體穩(wěn)定性快速評價體系，參照邊坡RMR[3]分類法，考慮邊坡巖體巖石單軸抗壓強度、危巖體結(jié)構(gòu)面特征、危巖體坡度、危巖體結(jié)構(gòu)不利組合狀況、地下水文狀況、植被發(fā)育在內(nèi)的各項評價要素，按照表4并進行賦值，最后累計分數(shù)：0～25分，判斷為穩(wěn)定性極差；25～40分，穩(wěn)定性差；40～65分，穩(wěn)定性較差。該法對坡面上孤石不適用，孤石主要根據(jù)地形坡度、植被發(fā)育情況、孤石埋置于覆蓋層情況定性分析。為了驗證半定量方法效果，將危巖體區(qū)宏觀判斷穩(wěn)定性與半定量快速評價體系進行對比，結(jié)果見表5，證明該法與定性宏觀判斷基本吻合，吻合度接近90%，效果較好。

當(dāng)然，危巖體定量分析方法還包括極限平衡法，包括適用于碎裂型危巖體的圓弧型滑動分析法、適用于滑塌式危巖體的平面滑動分析法、楔形體滑動分析法和折線型滑面滑動分析法、適用于傾倒式危巖體的傾倒破壞分析法和墜落式危巖體分析方法等，這些分析方法往往在大型、特大型危巖體穩(wěn)定性評價中才采用。

4 危巖體危害性確定

確定危巖體危害性除了考慮危巖體穩(wěn)定性、危巖體危害對象外，危巖體自身屬性如規(guī)模、離危害對象高度以及坡體表面特征及植被發(fā)育特征等因素也影響危巖體危害性確定。

表2 危巖體工程實例統(tǒng)計

表3 危巖體穩(wěn)定性評價定性分析

注：可根據(jù)坡體表面特征和植被發(fā)育情況，對危巖體穩(wěn)定性進行適當(dāng)調(diào)整。

表4 危巖體穩(wěn)定性影響因素快速評分值

表5 危巖體穩(wěn)定性半定量與定性分析評價對比

危巖體規(guī)模劃分種類有很多，比較符合水電工程實際的為《水電工程地質(zhì)觀測規(guī)程》(送審稿)中危巖體分類，見表6。

表6 危巖體規(guī)模分類

結(jié)合我國水電工程實踐經(jīng)驗，根據(jù)上述各影響因素，建立危巖體危害性評價標準，見表7,以便指導(dǎo)水電工程實踐。將危害體危害程度分為3級，其中危害程度Ⅰ級為危害程度最高級，依次為危害程度Ⅱ級、危害程度Ⅲ級。

表7 危巖體危害程度分級

注：根據(jù)坡表面特征、植被發(fā)育情況對危害程度分級可適當(dāng)調(diào)整。

5 危巖體防治及工程實例

針對危巖體的危害程度，進行與之相適應(yīng)的防護，從而有針對性地對危害對象進行有效的保護。危害程度為Ⅰ級的危巖體危害程度高，宜采用整體清除、避讓或整體支護等措施；危害程度為Ⅱ級的危巖體宜采用局部清除或局部支護或主動網(wǎng)防護等措施；危害程度為Ⅲ級的危巖體宜采用被動防護措施，穩(wěn)定性極差時宜清除或錨固。

本論文研究成果在成都勘測設(shè)計研究院承建的大多數(shù)水電工程環(huán)境邊坡治理中得到了應(yīng)用，取得了較好的效果。如長河壩水電站壩體環(huán)境邊坡發(fā)育一危巖體，分布高程1 800～1 750 m，位于下游壩殼料堆石區(qū)，總方量約5萬m3，屬特大型危巖體。地形為一山脊，三面臨空，前緣為基巖陡壁，高度約20 m，受順坡陡傾裂隙影響，局部傾倒變形。受坡陡、結(jié)構(gòu)面不利組合較完備的影響，總體穩(wěn)定性差，在爆破震動、強降雨、地震等外力作用下易產(chǎn)生較大崩塌，危及大壩填筑安全。地質(zhì)建議清除或表部清坡后采用主動網(wǎng)防護及錨固處理措施。

根據(jù)上述情況，按本文研究成果對誤危巖體進行危害程度分級。該危巖體危害對象為大壩，為1級水工建筑物，但它非大壩心墻部位，故其危害對象為1級水工建筑物非關(guān)鍵部位，故定義為2級。由于它僅影響施工期安全，失穩(wěn)后對大壩運行無影響，因此最終危害對象級別僅為3級。其穩(wěn)定性差、屬特大型危巖體、離危害對象>30 m，按表5劃分危害程度級別為Ⅱ級，危害程度中等，最終采取主動防護網(wǎng)和局部錨固處理措施。

6 結(jié) 語

(1) 基于大量已有水電站環(huán)境邊坡危巖體評價及防治工程經(jīng)驗，系統(tǒng)地研究了危巖體穩(wěn)定性、危巖體危害性及其確定方法，根據(jù)危害性提出了危巖體防治原則，對今后環(huán)境邊坡勘察、設(shè)計與施工具有指導(dǎo)意義。

(2) 對危巖體穩(wěn)定性著重論述定性及半定量評價方法，通過經(jīng)驗總結(jié)提出了一套評價方法，并經(jīng)過實踐檢驗，有一定指導(dǎo)意義。對定量評價方法本文論述較少，特別是定量評價標準目前仍有不同觀點，今后在這方面要繼續(xù)研究。

(3) 開創(chuàng)性地提出危巖體危害性確定方法，克服以往單純地評價危巖體穩(wěn)定性的不足。如果危巖體無危害對象，不管其穩(wěn)定性有多差，仍確定其無危害性，從而不需采取治理措施。這樣可以縮短危巖體處理范圍及區(qū)別進行危巖體防治，從而在確保工程安全情況下節(jié)約工程投資及工期。

(4) 基于危害程度提出了危巖體防治原則，今后可以對防治標準進行研究及總結(jié)，以便為建立危巖體勘察及防治技術(shù)規(guī)程或規(guī)范奠定基礎(chǔ)。

[1] 張世殊，徐光黎，宋勝武，等. 水電工程環(huán)境邊坡概念及其工程地質(zhì)分類[J].水力發(fā)電，2012，38(8)：17-21.

[2] DL/T 5353—2006, 水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2006.

[3] DL/T 5337—2006,水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國電力出版社,2006.

[4] DL5180—2003,水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準[S]. 北京：中國電力出版社,2003.

[5] 張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理(第二版)[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.[6] 蔣爵光.用赤平投影進行節(jié)理巖體穩(wěn)定性分析的方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，1985，(2)：37-44.

(編輯：曾小漢)Classification of Hazard Level for Potentially Hazardous Rock Mass inSurrounding Slope of Hydroelectric Projects

HU Jin-shan，MING Yong-zhong，LIU Yong-bo，CAO Jian-ping，MA De-lin

(Geology Department, PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072,China)

Hazard level of potentially hazardous rock mass(PHRM) is referred to as activity, characteristics, geographic distribution and their effect on objects suffered hazards. It is relevant not only to the stability of PHRM，but also to object, height above object and size of PHRM. Under given other factors, with the increase of size and height, the hazard level increases. Through studying surrounding slope of hydroelectric projects finished or proposed, we establish a classification system for evaluating the stability and risk level of PHRM. On the basis of the system, we present the suitable prevention measures: firstly, risk level of object influenced by PHRM is classified according to level and position of hydraulic structures in association with density of surrounding people; then, we classify hazard levels of PHRM in view of the stability and size of PHRM and height above object. This method is applied to evaluation and treatment of PHRM in the surrounding slope of most hydroelectric projects of our corporation, and results show that it is effective.

surrounding slope; potentially hazardous rock mass; object suffered hazard; hazard level; prevention measures

2014-08-08;

2014-10-12

胡金山(1973 -)，男，江西余干人，教授級高級工程師，注冊巖土工程師，主要從事水電水利工程地質(zhì)及巖土工程工作，(電話)028-87399055(電子信箱)188770054@qq.com。

10.11988/ckyyb.20140683

2016,33(01):72-76，82

TU457

A

1001-5485(2016)01-0072-05