西北某水電站高邊坡危巖穩(wěn)定性分析及防治措施研究

馬國(guó)文

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)上距水電站高壩壩址7.5 km，距引水隧洞進(jìn)水口約2.9 km，右岸布置導(dǎo)流工程，閘頂高程1 654 m。閘址區(qū)河道順直，流向N25E，兩岸山體雄厚，相對(duì)高差數(shù)百米，河谷呈略為開闊的“V”型縱向谷，左岸為順向坡(圖1)，地形較陡，斜坡坡度在40～65之間，平均坡度約51°；右岸為反向坡(圖2)，地形總體為下陡-中緩-上陡，坡體前部1 810 m高程以下平均坡度約60°，1 810～2 130 m高程段較緩，平均坡度約39°，而2 130 m高程以上斜坡平均坡度約44°。正常蓄水位1 646 m時(shí)，水面寬127～147 m。閘址下游左岸發(fā)育有一條大奔流溝，溝床深切，基巖裸露，常年流水，溝口有洪積扇堆積。閘址兩岸無階地及漫灘分布，兩岸沖溝發(fā)育短淺。

圖1 閘址左岸地貌 圖2 閘址右岸地貌

閘址區(qū)出露地層巖性主要為三疊系上統(tǒng)(T3)的深灰色-灰色變質(zhì)砂巖、板巖，兩者常以互層狀產(chǎn)出。受強(qiáng)降雨影響，研究區(qū)內(nèi)斜坡上部發(fā)生過危巖崩落現(xiàn)象，落石砸入下方的構(gòu)筑物內(nèi)。由于研究區(qū)內(nèi)危巖位置高，破壞性大，對(duì)水電站的安全構(gòu)成極大威脅，因此需對(duì)研究區(qū)內(nèi)危巖進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，為有效防治措施提供依據(jù)。

2 邊坡危巖發(fā)育分布特征

研究區(qū)為深切峽谷地形，兩岸邊坡高陡，植被發(fā)育，險(xiǎn)惡的自然環(huán)境限制了調(diào)查人員的深入。因此，我們引入非接觸式測(cè)量技術(shù)，采用“人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查+無人機(jī)遙感航拍”相結(jié)合的新調(diào)查方法對(duì)研究區(qū)危巖發(fā)育分布情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。無人機(jī)遙感技術(shù)是一種快速發(fā)展的新興航測(cè)技術(shù)，以其風(fēng)險(xiǎn)小、成本低、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于各種環(huán)境下的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，并取得了較好的成果[1-3]。

通過遙感影像對(duì)研究區(qū)危巖進(jìn)行解譯，結(jié)合人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，共識(shí)別統(tǒng)計(jì)危巖35個(gè)，其中，閘址左岸邊坡危巖18個(gè)，右岸邊坡危巖17個(gè)。分析表明，研究區(qū)內(nèi)危巖以傾倒式變形破壞模式為主，共18個(gè)，占危巖總數(shù)51%，該類危巖主控因素為后緣傾坡外結(jié)構(gòu)面；其次為滑移式，共12個(gè)，占總數(shù)34%，此類危巖主控因素為底部緩傾坡外結(jié)構(gòu)面。危巖類型以危巖體集中發(fā)育的危巖帶為主，占總數(shù)88%，可知研究區(qū)危巖總體上呈零星分布，局部為集中發(fā)育的特征。

研究區(qū)邊坡范圍較大，為了合理評(píng)價(jià)危巖對(duì)工程的影響程度，更好的進(jìn)行有效防治，對(duì)閘址邊坡危巖按以下兩個(gè)原則進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)：(1)從危巖威脅范圍出發(fā)，根據(jù)范圍內(nèi)不同水工建筑進(jìn)行分區(qū)，考慮危巖對(duì)不同水工建筑物的影響；(2)危巖發(fā)育分布特征，如巖體結(jié)構(gòu)、方量、破壞模式及穩(wěn)定性等。根據(jù)該原則將左岸邊坡分為Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)大區(qū)(圖3)，右岸邊坡分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)大區(qū)(圖4)。各個(gè)分區(qū)危巖發(fā)育分布特征如下說述。

2.1 閘址左岸

2.1.1 Ⅰ區(qū)危巖特征

Ⅰ區(qū)危巖分布于壩肩區(qū)和壩前區(qū)，危巖發(fā)育高程1 690～1 780 m，右側(cè)以壩肩區(qū)上游約200 m小型沖溝左側(cè)岸坡為界，左側(cè)以壩肩處沖溝右側(cè)岸坡為界，整體坡度非常陡峭，整體坡度55°～85°。區(qū)內(nèi)有危巖帶8處，集中發(fā)育于植被稀少、基巖裸露位置。

根據(jù)破壞后影響的區(qū)域不同，將一區(qū)分為了兩個(gè)亞區(qū)(見圖3)：

圖3 閘址左岸危巖分布圖 圖4 閘址右岸危巖分布圖

I1亞區(qū)發(fā)育3處危巖帶，危巖帶規(guī)模在500～2 000 m3不等，總規(guī)模約3 858.8 m3，受多組結(jié)構(gòu)面切割，巖體在卸荷回彈下更為破碎，使巖體下部和兩側(cè)易產(chǎn)生臨空面，在外部因素的影響下易向坡外產(chǎn)生傾倒式破壞。

I2亞區(qū)發(fā)育5處危巖帶，危巖帶規(guī)模在40～1 000 m3之間，其中3處危巖受中～陡傾結(jié)構(gòu)面和兩組陡傾結(jié)構(gòu)面切割，形成不利組合塊體，在外力作用下易產(chǎn)生傾倒式破壞，規(guī)模約2 153 m3，占比93.0%；另外2處下部局部臨空，且裂隙較為發(fā)育，易發(fā)生墜落式破壞，規(guī)模約161.1 m3。

2.1.2 Ⅱ區(qū)危巖特征

Ⅱ區(qū)危巖分布于壩后區(qū)，危巖發(fā)育高程1 700～1 900 m，右側(cè)以壩肩處沖溝右側(cè)岸坡為界，左側(cè)以壩肩下游約300 m處沖溝右側(cè)岸坡為界。該區(qū)地形陡峭，坡度可達(dá)55°～70°，巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體被結(jié)構(gòu)面切割形成臨空面，易發(fā)生破壞。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育2組結(jié)構(gòu)面：(1)J1：N72°W/NW∠30°、(2)J2：N68°W/NE∠71°。

Ⅱ區(qū)主要發(fā)育10處危巖帶，規(guī)模大都集中在200～1 000 m3之間，最大規(guī)模達(dá)2 000 m3，其中8處危巖受中～陡傾結(jié)構(gòu)面及兩組陡傾結(jié)構(gòu)面切割，形成不利組合塊體，易產(chǎn)生傾倒式破壞，總規(guī)模約5 834.1 m3，占比約91.3%；另外2處下部局部臨空，且裂隙較為發(fā)育，易發(fā)生墜落式破壞，總規(guī)模約558.7 m3。

2.2 閘址右岸

2.2.1 Ⅰ區(qū)危巖特征

Ⅰ區(qū)危巖分布于閘址下游，危巖帶發(fā)育規(guī)模48～1 000 m3不等，下側(cè)以1 630 m高程為界，上側(cè)以2 700 m高程為界，左側(cè)以閘址下游導(dǎo)流洞出口為界，右側(cè)以閘址所在沖(干)溝左山脊為界，整體坡度55°～75°。區(qū)內(nèi)危巖集中發(fā)育于植被稀少，基巖裸露的位置。這些部位巖體風(fēng)化較為強(qiáng)烈，且卸荷回彈較明顯，在反傾坡內(nèi)層面以及中～陡傾坡外結(jié)構(gòu)面的切割下表部易發(fā)生階梯狀滑移式破壞，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及無人機(jī)解譯，區(qū)內(nèi)共發(fā)育5處，其中危石群1處，危巖帶4處。危巖集中發(fā)育于1 685～1 829 m高程之間。

2.2.2 Ⅱ區(qū)危巖特征

Ⅱ區(qū)危巖分布于閘址右岸正上方，危巖帶規(guī)模200～3 900 m3不等，上側(cè)以2 700 m高程為界，左側(cè)以閘址所在沖(干)溝左山脊為界，右側(cè)以閘址上游約50 m處沖溝右山脊為界，2 000 m高程后以兩支溝中部山脊為界，整體坡度50°～80°。在坡度較低位置，巖體在各組結(jié)構(gòu)面的切割下表部易產(chǎn)生階梯狀滑塌式破壞，而坡度陡位置易產(chǎn)生傾倒式破壞或墜落式破壞。Ⅱ區(qū)內(nèi)危巖共計(jì)7處，其中孤石1處，危巖帶6處。危巖集中發(fā)育于1 720～1 940 m高程內(nèi)，極個(gè)別危巖發(fā)育位置較高，發(fā)育高程在2 630 m高程附近。

2.2.3 Ⅲ區(qū)危巖特征

Ⅲ區(qū)危巖分布于閘址上游庫(kù)區(qū)內(nèi)，危巖帶規(guī)模200～1 250 m3不等，下側(cè)以1 646 m水庫(kù)水位線為界，上側(cè)以2 700 m高程為界，左側(cè)以閘址上游約50 m處沖溝右山脊為界，2 000 m高程后以兩支溝中部山脊為界，右側(cè)以閘址上游約200 m處沖溝右山脊為界，整體坡度55°～80°。在坡度較低位置，巖體易產(chǎn)生階梯狀滑塌式破壞，在較陡位置易產(chǎn)生傾倒式破壞。Ⅲ區(qū)內(nèi)危巖共計(jì)5處，均為危巖帶，危巖集中發(fā)育于1 720～1 749 m高程、2 216～2 544 m高程內(nèi)。

3 危巖穩(wěn)定性分析

3.1 定性分析

根據(jù)危巖發(fā)育分布特征，分析危巖穩(wěn)定性的主控因素，選取主控結(jié)構(gòu)面、巖體切割狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面張開程度及地形坡度四個(gè)因子為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將危巖穩(wěn)定性分為較差、差、極差三個(gè)定性等級(jí)，建立滑移式、傾倒式及墜落式危巖穩(wěn)定性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)區(qū)內(nèi)危巖進(jìn)行相應(yīng)評(píng)價(jià)。

結(jié)果可知，總體上看，閘址區(qū)邊坡發(fā)育的35處危巖中，穩(wěn)定性較差13個(gè)，左岸5個(gè)，右岸8個(gè)；穩(wěn)定性差的17個(gè)，左岸9個(gè)，右岸8個(gè)；穩(wěn)定性極差的5個(gè)，左岸4個(gè)，右岸1個(gè)，研究區(qū)危巖穩(wěn)定性以差為主，其次為穩(wěn)定性較差。從分區(qū)上來看，左岸I區(qū)危巖中，I1亞區(qū)內(nèi)穩(wěn)定性差2個(gè)，穩(wěn)定性較差1個(gè)；I2亞區(qū)內(nèi)穩(wěn)定性差2個(gè)，極差3個(gè)；Ⅱ區(qū)內(nèi)穩(wěn)定性差5個(gè)，較差4個(gè)。右岸I區(qū)內(nèi)主要為穩(wěn)定性差，共3個(gè)，其余分別1個(gè)；Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)危巖都是穩(wěn)定性較差和穩(wěn)定性差，分別為4個(gè)和3個(gè)、3個(gè)和2個(gè)。

在這些影響因子中，邊坡坡度對(duì)危巖穩(wěn)定性影響較大，邊坡越陡，穩(wěn)定性越差。閘址區(qū)兩岸邊坡整體高陡，受河流深切陡傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育。邊坡危巖多為半確定性～確定性塊體，穩(wěn)定性多為差～極差，易以傾倒式、滑移式失穩(wěn)。局部坡度稍緩位置，巖體相對(duì)臨空，裂隙局部貫通，危巖多成半切割狀態(tài)，穩(wěn)定性多較差。

3.2 定量分析

為進(jìn)一步闡明危巖穩(wěn)定性，在定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，從定量計(jì)算的角度去評(píng)價(jià)危巖的穩(wěn)定性，一方面可以與危巖穩(wěn)定性定性分析相互校驗(yàn)，另一方面可為危巖的防治設(shè)計(jì)提供一定的數(shù)據(jù)。參考相關(guān)資料[4-5]，對(duì)閘址區(qū)內(nèi)各類危巖的不同工況分別進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1，K為計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)。

表1 危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相應(yīng)的公式，對(duì)閘址區(qū)危巖進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，區(qū)內(nèi)典型危巖結(jié)果如表2?？芍?，閘址區(qū)危巖在天然工況下基本上處于欠穩(wěn)定和基本穩(wěn)定；暴雨工況下，巖體穩(wěn)定性降低，基本上處于欠穩(wěn)定，少量處于不穩(wěn)定；地震工況下，都處于欠穩(wěn)定及以下，需要相應(yīng)的防護(hù)。

表2 典型危巖穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4 危巖防治措施建議

分析研究區(qū)邊坡危巖分布特征，將邊坡分為壩前區(qū)、壩肩區(qū)、壩后區(qū)。結(jié)合危巖穩(wěn)定性分析及已有的防治工程，認(rèn)為防治措施應(yīng)以分區(qū)為基本單元進(jìn)行防治，對(duì)各分區(qū)提出了具體的防治措施建議如下：

4.1 閘址左岸危巖

壩前區(qū)危巖帶發(fā)育高程均在1 690 m高程以上，穩(wěn)定性以較差～差，危巖失穩(wěn)后能量為1 800～2 700 kj，沖擊力較強(qiáng)，威脅壩前庫(kù)區(qū)，危險(xiǎn)性中～大。該區(qū)已設(shè)置有被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，防護(hù)效果較好且防護(hù)措施未損壞，加強(qiáng)巡視即可。

壩肩區(qū)單體危巖方量一般小于10 m3，發(fā)育高程均在1 680 m以上，穩(wěn)定性差～極差，危巖失穩(wěn)后能量較大，除W4約為800 kj，其余4處均大于2 000 kj，沖擊力較強(qiáng)，威脅對(duì)象為壩肩，危巖危險(xiǎn)性為大。該區(qū)已設(shè)置有防護(hù)措施，加強(qiáng)巡視即可。

壩后區(qū)危巖發(fā)育高程較高，最大高程可達(dá)1 970 m，但由于危巖帶中巖石塊體體積較小，故危巖失穩(wěn)后動(dòng)能一般不超過2 000 kj，僅W9大于2 000 kj，加之威脅對(duì)象為壩后區(qū)，整體危險(xiǎn)性小～中等。該區(qū)同樣已設(shè)置防護(hù)網(wǎng)，但已有防護(hù)措施未對(duì)W10進(jìn)行防護(hù)，其破壞后能量小于2 000 kj，建議在W10下方1 720 m高程附近補(bǔ)充設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，其余地方加強(qiáng)巡視。

4.2 閘址左岸危巖

壩前區(qū)危巖發(fā)育體積較小，發(fā)育高程1 690～1 706 m高程，穩(wěn)定性差～極差，危巖失穩(wěn)后能量1 000～2 000 kj，沖擊力較強(qiáng)，威脅壩前庫(kù)區(qū)，危險(xiǎn)性大，建議設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

壩肩區(qū)危巖方量約200 m2，發(fā)育高程均在1 690～1 715 m高程，穩(wěn)定性較差～差，危巖失穩(wěn)后能量1 000～2 000 kj，僅W1、W9小于1 000 kj，沖擊力較強(qiáng)，威脅對(duì)象為壩肩，危巖危險(xiǎn)性中等～大，建議清除坡表孤石并設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，在下方壩肩設(shè)置警示標(biāo)志。

壩后區(qū)危巖方量15 m2，發(fā)育高程較低，穩(wěn)定性差，危巖失穩(wěn)后動(dòng)能一般不超過100 kj，威脅對(duì)象為壩后過道，危險(xiǎn)性小～中等，建議設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以西北某水電站閘址區(qū)高邊坡危巖為例，通過引入非接觸式測(cè)量技術(shù)，采用“人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查+無人機(jī)遙感航拍”相結(jié)合的新調(diào)查方法，得到以下認(rèn)識(shí)：

(1)研究區(qū)內(nèi)共識(shí)別統(tǒng)計(jì)危巖35個(gè)，其中，閘址左岸邊坡危巖18個(gè)，右岸邊坡危巖17個(gè)。危巖以傾倒式破壞模式為主，其次為滑移式。危巖類型以危巖體集中發(fā)育的危巖帶為主。

(2)危巖穩(wěn)定性主要為較差和差，分別為13個(gè)和17個(gè)，穩(wěn)定性極差的5個(gè)。自然條件下危巖都處于欠穩(wěn)定和基本穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨時(shí)，巖體穩(wěn)定性降低，基本上處于欠穩(wěn)定，少量處于不穩(wěn)定；地震工況下，均處于欠穩(wěn)定及以下，需要相應(yīng)的防治。

(3)閘址左岸邊坡中，壩前區(qū)、壩肩區(qū)和壩后區(qū)已設(shè)置有被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，防護(hù)效果較好且防護(hù)措施未損壞，僅對(duì)個(gè)別危巖帶的防護(hù)效果較弱(如W10)，建議在W10下方1 720 m高程附近補(bǔ)充設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，其余地方加強(qiáng)巡視。閘址右岸邊坡中，壩前區(qū)危巖，穩(wěn)定性差～極差，危險(xiǎn)性大，建議設(shè)置被動(dòng)網(wǎng)。壩肩區(qū)危巖穩(wěn)定性較差～差，危險(xiǎn)性中等～大，建議清除坡表孤石并設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，在下方壩肩設(shè)置警示標(biāo)志。壩后區(qū)危巖穩(wěn)定性差，危險(xiǎn)性小～中等，建議設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。