(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074)

一、引言

隨著不可再生能源的開(kāi)采，我們急需探索新型綠色可再生能源，如風(fēng)能、核能、水能等。其中我國(guó)可開(kāi)發(fā)水電資源蘊(yùn)含量十分豐富(6.9×108kW)，包括黃河、長(zhǎng)江、瀾滄江、怒江、金沙江及雅礱江等水力資源的開(kāi)發(fā)是引領(lǐng)未來(lái)水電能源發(fā)展的一面旗幟。其中我國(guó)西南地區(qū)是水資源的富集區(qū)，但是自然條件十分惡劣，多為高(低)山峽谷地貌。進(jìn)行水電能源開(kāi)發(fā)，遇到最嚴(yán)峻的問(wèn)題便是高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定問(wèn)題[1]。

水電資源的開(kāi)發(fā)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上我們經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度，近10年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及對(duì)清潔能源強(qiáng)大需求，占全國(guó)水力資源2/3的西南地區(qū)水電資源開(kāi)發(fā)呈加速上升趨勢(shì)。受青藏高原構(gòu)造隆升影響，西南地區(qū)形成河谷深切的高(低)山峽谷地貌，地應(yīng)力高，巖體卸荷發(fā)育，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，且地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地震烈度高，天然岸坡穩(wěn)定性較差；水利水電工程規(guī)模巨大，不可避免地衍生一批復(fù)雜邊坡工程是，隨著水能的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，遇到的邊坡工程的規(guī)模也越來(lái)越大，一般200～300m級(jí)的高壩工程，需要人工開(kāi)挖邊坡將達(dá)到300～500m，開(kāi)挖邊坡上部還可能存在數(shù)百米至千余米自然邊坡，工程高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題十分突出[2]。本文旨在總結(jié)和介紹高陡邊坡工程特點(diǎn)以及工程防護(hù)研究，為水電資源開(kāi)發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供一定借鑒。

二、水電工程高陡邊坡問(wèn)題研究

(一)自然陡坡

岸坡地質(zhì)條件復(fù)雜，穩(wěn)定條件差。主要表現(xiàn)為岸坡區(qū)屬高(低)山峽谷地貌，河水切割侵蝕能力強(qiáng)，形成自然高邊坡；岸坡經(jīng)歷表生改造階段進(jìn)入時(shí)效變形階段，原巖應(yīng)力狀態(tài)被打破，近平行岸坡方向發(fā)生卸荷回彈，表生卸荷裂隙較發(fā)育，岸坡崩塌、滑坡等時(shí)有發(fā)生。

(二)人工開(kāi)挖邊坡

隨著水電大型項(xiàng)目的推進(jìn)，遇到的工程巖石力學(xué)問(wèn)題復(fù)雜多樣(見(jiàn)表1)。邊坡開(kāi)挖高度一般從幾十米級(jí)至數(shù)百米級(jí)不等，坡度一般達(dá)60°～80°，開(kāi)挖方量從數(shù)萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)立方米不等，開(kāi)挖水平深度從數(shù)十米到上百米不等，臨空面約束釋放，巖體應(yīng)力重新調(diào)整，卸荷回彈現(xiàn)象較為明顯，岸坡穩(wěn)定性問(wèn)題十分嚴(yán)峻。

表1 大型水電工程高陡邊坡情況

(三)變形控制

高陡邊坡工程變形控制制約因子多樣，作用機(jī)制研究不足，工程安全控制難度高。諸如地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)挖技術(shù)、錨固支護(hù)技術(shù)、防滲排水、庫(kù)水位驟降、泄洪霧化現(xiàn)象等。

高陡邊坡變形控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)是時(shí)效變性階段(自重應(yīng)力作用下)，重視推進(jìn)巖土體變形理論、巖土與結(jié)構(gòu)相互作用的理論研究，施工過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋分析，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息化施工。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)綜合考慮高陡邊坡變形穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)原則：低開(kāi)口、高清破、緩接坡、強(qiáng)鎖頭及緊固腳等。

三、河谷高陡邊坡應(yīng)力場(chǎng)條件研究

(一)高山峽谷地貌形成

早更新世川西-藏東地區(qū)強(qiáng)烈的差異抬升，導(dǎo)致EW向及或SN向巨大的地勢(shì)差，河流縱比降的增大加速了河流的溯源侵蝕作用，西部在早更新世廣泛發(fā)育的星羅棋布的湖泊與東部之間的單薄分水嶺在強(qiáng)烈的溯源侵蝕背景下逐漸降低，終于在早更新世晚期-中更新早期這些分水嶺相繼被切穿，大渡河、金沙江和岷江上有相繼貫通。

中更新世在攀西地區(qū)對(duì)河流的侵蝕相當(dāng)于3200m，切割深度約1400m，表明中更新世抬升速率大，河流縱比降大，河水侵蝕能力強(qiáng)，是地殼快速抬升的表現(xiàn)，導(dǎo)致東部河流切穿與西部湖區(qū)的分水嶺，區(qū)域性侵蝕基準(zhǔn)面降低，形成深切峽谷地貌[3]。

晚更新世-全新世具有明顯間歇性下切的特點(diǎn)，這一階段西部地殼抬升的階段性和河流強(qiáng)烈的侵蝕能力，峽谷下切程度達(dá)到5～10mm/a。究其原因，20萬(wàn)年以來(lái)，經(jīng)歷兩次大的冰期的消融期，豐富的水源是導(dǎo)致峽谷下切的主要原因。

(二)河谷邊坡應(yīng)力特征及其破壞發(fā)育規(guī)律

工程實(shí)踐已經(jīng)表明[4-7]，我國(guó)河谷應(yīng)力隨河谷臨空面的距離具有明顯分帶特征(見(jiàn)圖1[3])，研究河谷應(yīng)力場(chǎng)特征對(duì)認(rèn)識(shí)河谷邊坡演化歷史和演化進(jìn)程以及工程實(shí)踐具有重要意義。

河谷邊坡應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)為明顯的分區(qū)、分帶特點(diǎn)，隨著河谷下切，岸坡側(cè)向應(yīng)力解除，緊接著應(yīng)力發(fā)生重分布，巖體產(chǎn)生向臨空面卸荷回彈的現(xiàn)象。伴隨這一過(guò)程，邊坡應(yīng)力隨著變形狀態(tài)不斷調(diào)整，最終在一定深度范圍內(nèi)形成河谷岸坡二次應(yīng)力分布區(qū)[3]。理論上，二次應(yīng)力區(qū)包含應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，其中對(duì)岸坡威脅最大的應(yīng)力區(qū)就是應(yīng)力降低區(qū)。

圖1 河谷應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

(1)應(yīng)力降低區(qū)(或應(yīng)力松弛帶)：是指靠近河谷岸坡淺部，由于河谷岸坡表生改造作用，形成谷坡應(yīng)力釋放(σ<σ0)。其發(fā)育深度與岸坡高度有直接聯(lián)系，一般為坡高0.1～0.5倍(0～50m)。應(yīng)力降低區(qū)最小主應(yīng)力靠近坡面方向逐漸減小，在距坡面一定深度范圍內(nèi)形成拉應(yīng)力區(qū)，處于應(yīng)力增高區(qū)與拉應(yīng)力區(qū)之間為壓應(yīng)力區(qū)(σ<σ0)，而最大主應(yīng)力方向平行于坡面，并向坡腳方向逐漸增大。

(2)應(yīng)力增高區(qū)：河谷下切過(guò)程中，淺表應(yīng)力的釋放伴隨著應(yīng)力場(chǎng)的重分布，在岸坡一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)(σ>σ0)。應(yīng)力增高區(qū)深度范圍約為坡高的1/2(距岸坡表面100～300m內(nèi))。應(yīng)力梯度由應(yīng)力降低區(qū)到原始應(yīng)力區(qū)先增后降，應(yīng)力變化梯度靠近河谷一側(cè)明顯偏大。地下工程的選址避開(kāi)應(yīng)力增高區(qū)，尤其是“駝峰”應(yīng)力區(qū)。

(3)原始應(yīng)力區(qū)：距河谷岸坡坡面一定深度范圍內(nèi)(250～300m)，應(yīng)力場(chǎng)基本不受河谷下切卸荷影響而保持了原始應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)的區(qū)域。

河谷底部的應(yīng)力具有獨(dú)特的規(guī)律，存在一個(gè)明顯的“高應(yīng)力包”現(xiàn)象，同岸坡地應(yīng)力分布規(guī)律相似的分帶(區(qū))性。應(yīng)力降低區(qū)范圍一般0～25m，高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力包范圍一般以應(yīng)力場(chǎng)中σ1不小于25MPa(“巖心餅化”出現(xiàn)的最低應(yīng)力量級(jí))，應(yīng)力集中量級(jí)25～60MPa不等，深度范圍在30～200m內(nèi)。

巖質(zhì)高陡邊坡演化[8]是地殼上升-河谷下切、應(yīng)力釋放-表生改造作用的一個(gè)地質(zhì)歷史過(guò)程。河谷邊坡形成一般要經(jīng)歷3個(gè)階段：表生改造階段、時(shí)效變形階段、破壞發(fā)展階段。

四、高陡巖質(zhì)邊坡防護(hù)研究

(一)邊坡安全防護(hù)

目前，極限平衡分析法求解安全系數(shù)有三種理論：強(qiáng)度儲(chǔ)備(即通過(guò)降低巖土體強(qiáng)度來(lái)提高安全系數(shù))，超載儲(chǔ)備(即通過(guò)增大荷載來(lái)提高安全系數(shù))，下滑力超載儲(chǔ)備(即通過(guò)增大下滑力但不增大抗滑力來(lái)求解滑坡推力設(shè)計(jì)值)。

一旦安全系數(shù)達(dá)不到儲(chǔ)備要求，可采取不同的加固措施提高邊坡的安全度。目前常采用的邊坡加固措施歸納為如下幾類：(1)截排水措施，(2)減載措施，(3)壓腳措施，(4)支擋措施(5)混凝土抗剪結(jié)構(gòu)措施，(6)錨固措施等。根據(jù)[2]文獻(xiàn)表6可知，截排水措施和錨固措施在水電高邊坡工程治理中應(yīng)用最為普遍；削方減載和支擋作為輔助措施配合應(yīng)用；而混凝土抗剪結(jié)構(gòu)處理一些復(fù)雜地質(zhì)情況取得不錯(cuò)的效果。

1.排水和防滲、削坡壓腳措施

自90年代末至今，在登錄的117個(gè)邊坡信息中，發(fā)現(xiàn)其中53%[9]的滑坡發(fā)生變形破壞的誘因是水的作用，也有十滑九水之說(shuō)。為了防治巖土體強(qiáng)度下降，產(chǎn)生超空隙水壓力，就必須控制地表水和地表水。地表水，常采用截水溝攔截和引排，其中坡體以外的地表水，于適當(dāng)位置攔截引排；坡體上的地表水要注意防滲工作，快速匯集疏出。地下水，常選用滲井、平孔排水、排水洞、匯水隧洞等到排水措施來(lái)疏干，大大降低孔隙水壓力，提高抗滑力，保證岸坡的穩(wěn)定。高陡邊坡截排水原則是以地下排水為主，地表截、防排水為輔，最大程度上降低岸坡巖體地下水位，減小滲水壓力，提高邊坡穩(wěn)定性。

當(dāng)場(chǎng)地允許時(shí)，削坡壓腳應(yīng)是優(yōu)先考慮的方案。當(dāng)削坡壓腳難以實(shí)施或仍不能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要結(jié)合混凝土擋墻、抗滑樁或預(yù)灌漿-梁錨結(jié)構(gòu)等方案治理。

2.混凝土抗滑樁

1943年，太沙基[10]開(kāi)展了活動(dòng)門試驗(yàn)，將已屈服土體中的應(yīng)力傳遞至相鄰穩(wěn)定介質(zhì)的這一現(xiàn)象稱之為土拱效應(yīng)。隨后，Wang和Yen、常保平、王成華、周德培等關(guān)于最佳樁間距計(jì)算開(kāi)展大量研究工作。在抗滑樁與滑坡體相互作用機(jī)理方面，采用數(shù)值模擬方法全面分析了樁土之間作用機(jī)理。隨著治理理念的發(fā)展，從最初的懸臂抗滑樁到H型抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁、雙排抗滑樁等。混凝土抗滑樁具備易于操作、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，尤其當(dāng)遇到滑面傾角平緩時(shí)，能夠更好發(fā)揮效果。

3.混凝土沉井

混凝土沉井具備挖土量少、對(duì)鄰近建筑物的影響比較小，并且沉井基礎(chǔ)埋置較深、穩(wěn)定性好、能支承較大的荷載，已廣泛應(yīng)用于橋梁、煙囪、水塔的基礎(chǔ)。減壓沉井[12]是一種混凝土框架結(jié)構(gòu)，施工中一般可分成數(shù)節(jié)進(jìn)行。在滑坡工程中，沉井深入承壓水層能降低承壓水頭，沉井埋置較深能抵抗較大下滑推力，同時(shí)也具備擋土墻的作用。如天生橋二級(jí)水電站左壩肩下游邊坡進(jìn)入時(shí)效階段，采用沉井抗滑+坡面保護(hù)+排水的支護(hù)方案，有效控制邊坡的穩(wěn)定。

4.預(yù)應(yīng)力錨索地梁

預(yù)應(yīng)力錨索地梁[13]的組成有框格梁體系和預(yù)應(yīng)力錨索兩部分構(gòu)成?；炷恋亓簩?duì)滑坡體表層坡體起保護(hù)作用并增強(qiáng)坡體的整體性，防止地表水滲入和坡體的風(fēng)化。預(yù)應(yīng)力錨索為主動(dòng)防護(hù)措施，錨索把預(yù)應(yīng)力傳遞到框架梁體系上，然后通過(guò)框架梁體系傳至坡面上，保證預(yù)應(yīng)力錨索提供抗力的均勻性、連續(xù)性及整體性，達(dá)到完全穩(wěn)固邊坡的目的。

表2 預(yù)應(yīng)力錨索框架研究進(jìn)展

5.深埋混凝土抗剪結(jié)構(gòu)

抗剪置換洞采用坡內(nèi)施工，治理的深度不受結(jié)構(gòu)體本身的限制，對(duì)處置岸坡深部不利結(jié)構(gòu)面，控制的岸坡穩(wěn)定發(fā)揮不可替代的作用。技術(shù)特點(diǎn)是針對(duì)性強(qiáng)，實(shí)施難度小。經(jīng)過(guò)地質(zhì)勘察，一旦發(fā)現(xiàn)選址區(qū)存在深層軟弱結(jié)構(gòu)面或斷層時(shí)，優(yōu)選抗剪置換洞方案，該技術(shù)適用于結(jié)構(gòu)面上下盤有堅(jiān)硬完整巖體的情況。針對(duì)可能發(fā)生深層滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)面上、下盤均為堅(jiān)硬完整巖體時(shí)，利用混凝土或鋼筋混凝土置換軟弱結(jié)構(gòu)面上軟弱土層。

其中抗剪洞在錦屏一級(jí)水電站左岸邊、坡龍羊峽對(duì)近壩、李家峽在左壩肩和大崗山右岸邊坡等邊坡上的成功運(yùn)用，取得不錯(cuò)效果。

(二)邊坡生態(tài)防護(hù)

隨著我國(guó)《水土保持法》的頒布和實(shí)施，“生態(tài)植物修復(fù)技術(shù)”方案研究得到了社會(huì)各界認(rèn)識(shí)的認(rèn)可，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，以及人們對(duì)環(huán)境保護(hù)投入，對(duì)生態(tài)植物修復(fù)技術(shù)的研究有重大的意義。

“生態(tài)植物修復(fù)技術(shù)”[20]指的是在工程建設(shè)中采用相關(guān)的生態(tài)植物(如不同的喬、灌、草、藤等)，根據(jù)一定比例在特定環(huán)境條件下混合配置后，對(duì)開(kāi)挖或填方所形成的邊坡進(jìn)行植被恢復(fù)的一種綜合技術(shù)應(yīng)用方案，它包含了綠化景觀、固土保水、防止淺層滑坡和塌方等生態(tài)環(huán)境保護(hù)”。目前，常選用“普通綠化”、“普通噴播”、“掛網(wǎng)噴播”或“香根草技術(shù)”[20-22]等。其中，鋪貼草皮、普通噴播以及掛網(wǎng)噴播是可以達(dá)到綠化景觀的目的技術(shù)，對(duì)比施工工藝和成本，前兩種有明顯的優(yōu)勢(shì)。而“香根草技術(shù)”具有抗滑護(hù)坡和水土保持的作用；因此，香根草技術(shù)不僅能達(dá)到恢復(fù)植被和綠色景觀的目的，而且具備固土保水和防止淺層滑坡的能力。

五、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)水電工程工程大多修建于高山峽谷之中，自然谷坡高陡，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，地應(yīng)力水平高、巖體卸荷強(qiáng)烈，天然條件下穩(wěn)定性較差；工程邊坡具有開(kāi)挖高、坡度陡、體量大、安全控制難的特點(diǎn)。

(1)高山峽谷地貌經(jīng)歷了從早更新世川西-藏東地區(qū)強(qiáng)烈的隆升階段；到中更新世快速隆升的同時(shí)，河谷快速下切；最后于晚更新世—全新世出現(xiàn)間歇性下切。

(2)河谷邊坡應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)為明顯的分區(qū)、分帶特點(diǎn)，隨著河谷下切，岸坡側(cè)向應(yīng)力解除，緊接著應(yīng)力發(fā)生重分布，巖體產(chǎn)生向臨空面卸荷回彈的現(xiàn)象。其中將岸坡應(yīng)力進(jìn)行區(qū)劃分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。河谷底部的應(yīng)力具有獨(dú)特的規(guī)律，存在一個(gè)明顯的“高應(yīng)力包”現(xiàn)象。巖質(zhì)高陡邊坡演化是地殼上升-河谷下切、應(yīng)力釋放-表生改造過(guò)程。

(3)水利水電高陡邊坡防護(hù)從兩個(gè)方面著手，即為安全防護(hù)、生態(tài)防護(hù)。目前，針對(duì)不同地質(zhì)條件下的高陡邊坡加固工程，通常采取截排水措施及錨固(含坡面噴混凝土、錨索、混凝土框格梁、預(yù)應(yīng)力錨索等)方案；針對(duì)擬建工程邊坡深部存在不穩(wěn)定軟弱結(jié)構(gòu)面或斷層，考慮選用地下抗剪洞結(jié)構(gòu)措施。隨著生態(tài)文明建設(shè)步伐的推進(jìn)，“生態(tài)植物修復(fù)技術(shù)”慢慢被提上日程。