張宗亮 ，程 凱 ，楊再宏 ，彭富平

（1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南省昆明市 650051；2.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高土石壩分中心，云南省昆明市 650051）

0 引言

我國是全球地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)國家。山體滑坡堵塞江河形成堰塞體[1]，不僅會(huì)造成巨大的淹沒損失，一旦失控潰決將嚴(yán)重威脅下游沿岸人民生命財(cái)產(chǎn)安全[2]，僅2008年汶川地震誘發(fā)形成34座堰塞湖，其中唐家山堰塞湖危及下游130多萬人民生命[3]，緊急轉(zhuǎn)移近28萬人。因此堰塞壩應(yīng)急處置與綜合整治是國家自然災(zāi)害防治體系建設(shè)的重大需求。受環(huán)境危險(xiǎn)、條件惡劣、時(shí)間緊迫、交通不便等因素制約，且堰塞壩地質(zhì)水文條件不明、潰堰型式不確定，應(yīng)急搶險(xiǎn)和處置難度極大[4～8]。堰塞壩綜合整治是根除堰塞體風(fēng)險(xiǎn)、減災(zāi)興利的重大舉措，國內(nèi)外尚無先例，現(xiàn)有技術(shù)難以解決堰塞壩勘察設(shè)計(jì)施工難題。

1 概述

2014年8月3日16 時(shí)30分，中國云南省魯?shù)榭h發(fā)生6.5級(jí)地震，在魯?shù)榭h火德紅鄉(xiāng)李家山村和巧家縣包谷垴鄉(xiāng)紅石巖村交界的牛欄江干流上，造成山體崩塌阻塞河道，形成庫容2.6億m3的堰塞湖。堰塞體位于原紅石巖水電站取水壩與廠房之間，為快速傾倒崩滑，其物質(zhì)主要來自右岸高處，左岸亦有滑崩物質(zhì)匯入，以碎塊石為主；最大堰頂高程約1222m，堰塞壩最大壩高約103m，垂直水流方向?qū)捈s307m，順?biāo)鞣较蜷L約911m，上游綜合坡比約1：2.5，下游綜合坡比1：5.5，總方量約1000萬m3，如圖1所示。

紅石巖堰塞湖形成后，湖水水位持續(xù)上漲，堰塞體迎水面最高水位達(dá)到1182m，回水長25km，上游會(huì)澤、魯?shù)閮煽h牛欄江沿岸5000多畝土地及居民房屋被淹沒，近1.3萬名群眾進(jìn)行了轉(zhuǎn)移安置。同時(shí)，堰塞壩潰決風(fēng)險(xiǎn)將嚴(yán)重威脅著下游沿河的魯?shù)?、巧家、昭陽三縣（區(qū)）10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、3萬余人、3.3萬畝耕地，以及下游牛欄江干流上天花板、黃角樹等水電站的安全。根據(jù)《堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)》（SL 450—2009），紅石巖堰塞湖屬大型堰塞湖，危險(xiǎn)級(jí)別為極高危險(xiǎn)，潰決損失嚴(yán)重性為嚴(yán)重。根據(jù)危險(xiǎn)性級(jí)別和潰決損失嚴(yán)重性確定堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)（最高級(jí)別）。

紅石巖堰塞湖整治主要分為三個(gè)階段：

（1）應(yīng)急處置階段：2014年8月4日至8月12日，應(yīng)用乏信息技術(shù)完成了堰塞體水文氣象、地形地質(zhì)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、潰堰形式、環(huán)境社會(huì)等數(shù)據(jù)采集，編制完成《應(yīng)急排險(xiǎn)處置方案報(bào)告》等5本報(bào)告，為堰塞湖排險(xiǎn)處置決策提供重要支撐；采取開挖泄流槽、拆除調(diào)壓井施工支洞檢修門等應(yīng)急搶險(xiǎn)成套技術(shù)，為下游災(zāi)區(qū)人民盡早的化解了險(xiǎn)情。

（2）后續(xù)處置階段：2014年8月13日至10月4日，首次采用隧洞泄洪分流方式，降低水位解除堰塞湖險(xiǎn)情，為后續(xù)整治利用創(chuàng)造了條件。

（3）后期整治階段：2014年10月至今，創(chuàng)新性提出“減災(zāi)興利、整治利用”的綜合治理理念，將紅石巖堰塞湖改造成集除險(xiǎn)防洪、供水、灌溉、發(fā)電等功能的大型綜合水利樞紐，為世界首座堰塞壩“應(yīng)急搶險(xiǎn)—后續(xù)處置—整治利用”一體化水利樞紐工程。

圖1 紅石巖堰塞壩概貌Figure 1 General picture of the Hongshiyan barriers lake dam

2 乏信息條件下應(yīng)急處置及后續(xù)處置

2.1 堰塞體位置的獨(dú)特性

原紅石巖水電站引水隧洞在堰塞體右岸山體內(nèi)，地震時(shí)電站進(jìn)水口閘門開啟，下游有露天式調(diào)壓井與堰塞湖連通，堰塞湖水水位壅高后，2014年8月4日堰塞湖水位超過調(diào)壓井頂高程1171.80m時(shí)，調(diào)壓井頂部開始自由溢流，形成獨(dú)特的應(yīng)急泄洪通道。

2.2 乏信息條件定義

乏信息條件：指在缺乏需要開展實(shí)測或綜合勘察才能獲得的水文、氣象、地形、地質(zhì)、社會(huì)影響、交通建材及造價(jià)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與資料的工作背景，如國內(nèi)外偏遠(yuǎn)地區(qū)或應(yīng)急搶險(xiǎn)等緊急情況。乏信息勘察設(shè)計(jì)技術(shù)：指在乏信息條件下，利用互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等取得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并利用專業(yè)軟件等手段對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)化，并能夠快速、高效率、低成本完成前期勘察設(shè)計(jì)工作的方法和技術(shù)?？臻g地理信息和新一代信息技術(shù)發(fā)展拓展了數(shù)據(jù)獲取的來源和方法?？刹坏竭_(dá)工程現(xiàn)場獲取基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)、新一代信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，提供了數(shù)據(jù)資料收集手段。

2.3 乏信息條件下水文模型、地形模型的建立

針對(duì)水文氣象、地形地質(zhì)和環(huán)境社會(huì)的不確定性，研發(fā)了空天地一體化乏信息數(shù)據(jù)快速采集與處理技術(shù)，構(gòu)建堰塞湖及其影響區(qū)域的水文模型，利用三維激光掃描、低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)精確測量了堰塞體位置、幾何參數(shù)及堆積方量，建立了三維地形模型。測量及地形模型成果見圖2。

圖2 堰塞體地形模型及平面地形Figure 2 Three-dimensial terrain model and planer terrain of barriers lake dam

2.4 潰壩洪水計(jì)算及對(duì)上下游影響分析

基于乏信息條件下數(shù)據(jù)處理后的堰塞體形態(tài)和水庫庫容、上下游地形等成果，聯(lián)合中國水利水電科學(xué)研究院提出高精度潰決洪水與演進(jìn)計(jì)算方法及模型，采用堰塞湖潰壩洪水分析軟件DB-IEHR進(jìn)行潰壩洪水計(jì)算及 “紅石巖堰塞壩-天花板電站-黃角樹電站” 洪水演進(jìn)分析，研究堰塞湖對(duì)上下游的影響，提出上下游影響范圍及警戒線。

初擬泄流槽底高程1208m（底寬20m和5m）、泄流槽底高程1214m（底寬20m和5m）四個(gè)方案。最終結(jié)合現(xiàn)場施工條件選定泄流槽底高程1208m、底寬5m方案，計(jì)算得潰堰峰值流量6345 m3/s，到達(dá)洪峰時(shí)間6.47h，總泄洪量2.03億m3，泄洪總歷時(shí)16.4h。

堰塞壩頂部泄流槽形成后，上游庫區(qū)的調(diào)洪高水位會(huì)降低，人員疏散危險(xiǎn)區(qū)及警戒區(qū)界限也相應(yīng)降低，庫尾小巖頭廠房的防洪標(biāo)準(zhǔn)可相應(yīng)提高；即使發(fā)生潰堰對(duì)下游河段已建兩電站（天花板水電站和黃角樹水電站）大壩安全基本沒有影響，天花板水電站入庫洪峰較大（Qm=6345m3/s超過電站校核洪水洪峰流量）、壩前水位較高會(huì)對(duì)庫區(qū)淹沒產(chǎn)生一定影響；黃角樹水電站泄洪建筑最大泄量6781m3/s，堰塞湖潰堰洪水經(jīng)天花板水庫的調(diào)蓄以后的入庫洪峰僅4868m3/s，不會(huì)對(duì)黃角樹水電站大壩安全產(chǎn)生威脅。開挖泄流槽還后可提高下游居民及電站的防洪能力。

2.5 應(yīng)急搶險(xiǎn)成套技術(shù)

應(yīng)急搶險(xiǎn)成套技術(shù)包括非工程措施和工程措施。

非工程措施主要包括：做好群眾轉(zhuǎn)移安置工作、利用上游德澤水庫滯洪、騰出下游天花板和黃角樹水電庫容、加密現(xiàn)場實(shí)施監(jiān)測、組織提出堰塞湖處置技術(shù)方案等。

應(yīng)急搶險(xiǎn)成套技術(shù)工程措施包括：

（1）拆除調(diào)壓井施工支洞檢修門。8月11日中午，對(duì)調(diào)壓井底部施工支洞堵頭檢修門進(jìn)行爆破拆除，拆除后檢修門1.8m進(jìn)人門后下泄流量約60m3/s；

（2）開挖應(yīng)急泄流槽。8月12日，泄流槽開挖底寬5m、底板高程1214m時(shí)，可抵御P=20%（5年一遇）洪水，該方案滿足應(yīng)急處置期防洪要求，應(yīng)急處置結(jié)束；8月28日，堰頂泄流槽繼續(xù)下挖至1208m高程，底寬約5m；

（3）采用隧洞泄洪分流方式，降低水位解除堰塞湖險(xiǎn)情。右岸新建長278m的應(yīng)急泄洪洞（尺寸7.5m×7.5m），并與原紅石巖電站引水隧洞連通，應(yīng)急泄洪洞于2014年10月3日貫通，僅用1天就放空了堰塞湖庫水，潰壩風(fēng)險(xiǎn)全部解除，為后續(xù)整治利用創(chuàng)造了條件。

3 整治工程實(shí)施方案

3.1 整治工程緊迫性和必要性

（1）堰塞湖危險(xiǎn)依然存在、度汛形勢嚴(yán)峻。

堰塞湖應(yīng)急處置、后續(xù)處置完成后僅能滿足全年常年洪水標(biāo)準(zhǔn)的度汛要求。堰塞湖集水面積12087km2，是四川汶川5·12地震形成的唐家山堰塞湖徑流面積的近4倍，洪峰流量大，如不及時(shí)進(jìn)行后期整治，到2015年汛期如遇較大洪水后潰決形成潰壩洪水，對(duì)上、下游沿岸人民生命財(cái)產(chǎn)及已建電站造成的危害難以估量，極易引發(fā)災(zāi)害鏈，故堰塞湖永久性整治迫在眉睫。

（2）地震引起的堰塞湖地質(zhì)災(zāi)害問題嚴(yán)重。

堰塞體右岸崩塌形成了高750m的邊坡，邊坡坡度陡峻，裂縫發(fā)育，危巖體依然存在不斷坍塌和崩落，嚴(yán)重危及下部安全。左岸為體積達(dá)5670萬m3的古滑坡體，地震使該滑坡后緣也產(chǎn)生了危巖體。堰塞湖庫區(qū)發(fā)育有12個(gè)滑坡、7個(gè)崩堆積體、14處不穩(wěn)定斜坡及4條泥石流溝。上述不良地質(zhì)體對(duì)堰塞體、堰塞湖庫周居民安全均存在巨大的威脅，必須盡快整治。

（3）受災(zāi)群眾生產(chǎn)生活急需安置。

紅石巖堰塞湖形成后，大部分受災(zāi)群眾均安置在堰塞湖附近村莊或公路路邊，生活條件極其惡劣，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。地震和形成堰塞湖的雙重影響破壞了群眾原有生活、生產(chǎn)環(huán)境，需因地制宜利用堰塞湖形成的庫容，可灌溉區(qū)域干熱河谷6.62萬畝農(nóng)田并為8.08萬人飲水提供水源，擴(kuò)大當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活環(huán)境容量，緩解安置壓力，因此受災(zāi)群眾的安置工作應(yīng)立即啟動(dòng)并實(shí)施。

3.2 減災(zāi)興利理念

堰塞壩體量大、壩坡緩，物質(zhì)組成較好，整體穩(wěn)定性滿足要求，右岸邊坡整體穩(wěn)定，有可以利用的水頭落差，后續(xù)處置完成后有施工期的泄流通道和施工時(shí)間，因此提出“減災(zāi)興利，整治利用”綜合治理理念。

（1）堰塞體穩(wěn)定性可靠。

堰塞體計(jì)算最大橫剖面為現(xiàn)場實(shí)測地形沿河床縱剖面剖切而得，河床沖積層厚度按15m考慮。經(jīng)計(jì)算，堰塞體在最高水位1222m及以下水位擋水時(shí)，滲透穩(wěn)定、變形穩(wěn)定、壩坡穩(wěn)定均滿足要求，堰塞體是安全的。

（2）邊坡穩(wěn)定性初步分析。

右岸邊坡崩塌前坡高750m，坡度70°～85°。從現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查資料分析，該崩塌體上部為厚層、巨厚層狀灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，下部為中層狀、薄層狀砂泥巖、頁巖，坡體結(jié)構(gòu)呈上硬下軟的巖質(zhì)邊坡。右岸巖層傾向山里偏下游，巖層產(chǎn)狀N20°～60°E，NW∠10°～30°。巖層產(chǎn)狀對(duì)壩肩邊坡的抗滑穩(wěn)定有利。坡面巖體發(fā)育三組節(jié)理，即橫河向陡傾節(jié)理、順河向陡節(jié)理及層間節(jié)理。邊坡巖體軟硬相間，邊坡巖體軟巖在上部巖體自重的作用下，致使上部脆性巖體拉裂、解體，形成壓致拉裂變形，在地震作用下沿順河向卸荷裂隙在其他結(jié)構(gòu)面（如層面節(jié)理）組合作用下產(chǎn)生大范圍崩塌，并沿F5斷層向下游方向滑動(dòng)。沿河流方向山體崩塌的長度約890m，后緣巖壁高度約500m（其中近直立的陡崖最大高度約350m），屬特大型崩塌。

邊坡崩塌后，坡體應(yīng)力調(diào)整，坡面卸荷裂隙大量發(fā)育并與不利結(jié)構(gòu)面組成危險(xiǎn)塊體，受余震、降雨及坡面應(yīng)力調(diào)整的影響，不穩(wěn)定塊體將斷續(xù)崩塌掉落。經(jīng)初步穩(wěn)定性分析，邊坡整體穩(wěn)定，坡頂開裂巖體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，需對(duì)邊坡頂部開裂巖體處理。

2.1 妊娠期 第一胎大白豬和長大二元豬的妊娠期與長白豬比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），第三胎長白豬與大白豬比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；第二胎長大二元豬有高于大白豬的趨勢（P=0.08），第三胎長白豬有高于長大二元豬的趨勢（P=0.08）；第二胎長白豬與大白豬、長大二元豬比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

（3）可利用的水能資源。

羅家坪水電站為小巖頭至原紅石巖電站之間的規(guī)劃梯級(jí)，在堰塞壩形成后，由于堰塞壩較高，堰塞湖蓄水位可直接與上游小巖頭電站銜接。為充分利用水能資源，根據(jù)堰塞湖形成的實(shí)際，將紅石巖、羅家坪合并為一級(jí)開發(fā)，可形成季調(diào)節(jié)水庫，提高本梯級(jí)自身和對(duì)下游電站的補(bǔ)償效益。

（4）施工期的泄流通道和施工時(shí)間。

后續(xù)處置完成后，利用已有的調(diào)壓井加施工支洞檢修門和應(yīng)急泄洪洞，可滿足施工期10年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，為整治工程創(chuàng)造了導(dǎo)流條件。

3.3 整治方案比選

根據(jù)國內(nèi)外堰塞湖整治的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，堰塞湖整治分為整治利用與拆除整治兩大類，為此，對(duì)兩種整治方案進(jìn)行了綜合比較。

（1）紅石巖堰塞體規(guī)模巨大，最大壩高103m，總方量達(dá)1000萬m3，拆除難度巨大、費(fèi)用高昂。若采用拆除方案，堰塞體開挖渣料總量約991萬m3，不僅沒有合適的渣場，而且爆破拆除難度極大，拆除后左岸古滑坡體穩(wěn)定性也將降低，加固處理難度極大，很可能帶來新的次生災(zāi)害。

（2）從補(bǔ)償補(bǔ)助政策標(biāo)準(zhǔn)、移民安置區(qū)生活水平質(zhì)量、基本公共服務(wù)水平和基礎(chǔ)設(shè)施保障能力，緩解災(zāi)區(qū)生態(tài)壓力、改善災(zāi)區(qū)環(huán)境質(zhì)量，加快安置進(jìn)度等角度出發(fā)，推薦整治利用方案。

（3）整治利用方案將紅石巖堰塞湖改造為一座大型水利樞紐工程?？値烊?.85億m3，防洪標(biāo)準(zhǔn)2000年一遇；供水8.08萬人；灌溉6.62萬畝；裝機(jī)20.1萬kW，年發(fā)電8億kWh。

3.4 整治工程及關(guān)鍵技術(shù)

紅石巖堰塞湖整治工程樞紐由堰塞壩、高邊坡治理、右岸溢洪洞、右岸泄洪沖沙放空洞、右岸引水發(fā)電建筑物、下游供水及灌溉建筑物等組成，見圖3所示。

圖3 紅石巖堰塞湖整治工程樞紐三維BIM布置圖（右圖為透視圖）Figure 3 Three-dimensial BIM layout of the Hongshiyan treatment engineering（Perspective on the right）

紅石巖堰塞湖整治工程關(guān)鍵技術(shù)主要有：750m級(jí)強(qiáng)震碎裂高邊坡綜合整治關(guān)鍵技術(shù)、130m級(jí)不連續(xù)寬級(jí)配堰塞壩綜合治理等關(guān)鍵技術(shù)等。

4 750m強(qiáng)震碎裂高陡邊坡整治關(guān)鍵技術(shù)

4.1 勘察與地質(zhì)分析

（1）第一階段：無人機(jī)測繪、三維激光掃描技術(shù)、地質(zhì)調(diào)查，為邊坡分析設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

采用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)高邊坡進(jìn)行精細(xì)的掃描，掃描完成后，對(duì)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到相對(duì)位置準(zhǔn)確的三維點(diǎn)云圖，并與無人機(jī)測量的三維模型結(jié)合，對(duì)無人機(jī)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，得到更為精確的數(shù)字三維模型。

為了查明堰塞體的物質(zhì)組成以及岸坡的地層巖性和構(gòu)造特征，對(duì)研究區(qū)開展了全面的現(xiàn)場踏勘工作。采用穿越法、追索法、布點(diǎn)法三種布置方法完成了大比例尺的研究區(qū)工程地質(zhì)填圖工作。

右壩肩邊坡崩塌后形成的巖質(zhì)邊坡高達(dá)750m級(jí)，坡面卸荷裂隙大量發(fā)育并與不利結(jié)構(gòu)面組成危險(xiǎn)塊體，陡崖上分布多處倒懸體，陡緩界面及塌滑槽多堆積浮渣；陡崖頂部約60m范圍內(nèi)裂縫分布較多，根據(jù)坡頂裂縫發(fā)育程度，邊坡危險(xiǎn)性程度，對(duì)坡頂穩(wěn)定性進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)，可分為三個(gè)區(qū)（見圖4）：

Ⅰ區(qū)為邊坡不穩(wěn)定，范圍為距懸崖邊10～30m斷續(xù)延伸裂縫外側(cè)條帶狀地面，除該邊界裂縫外，帶內(nèi)裂縫縱橫交錯(cuò)，寬度1～40cm不等，巖體明顯松弛，巖體有隨時(shí)塌落的可能；

Ⅱ區(qū)為邊坡穩(wěn)定差，范圍為Ⅰ區(qū)以里至距懸崖邊40～60m的條帶狀地域，該區(qū)裂縫時(shí)有發(fā)育，但密度相對(duì)較小，寬度一般小于15cm，肉眼看不出明顯錯(cuò)臺(tái)，但在下部邊坡變形調(diào)整過程中仍有失穩(wěn)的可能；

Ⅲ區(qū)為邊坡基本穩(wěn)定，范圍為Ⅱ區(qū)以外，該區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，坡面基本穩(wěn)定，在自然狀態(tài)下，邊坡再造不會(huì)延伸到該區(qū)。

圖4 右岸崩塌體坡頂穩(wěn)定性分區(qū)示意圖Figure 4 Diagram of the slope top stability zone of the right bank collapse

（2）第二階段：傾斜攝影技術(shù)用于精細(xì)化危巖體識(shí)別。

高邊坡坡高坡陡，危巖廣泛分布，震后坡面塊體不斷塌滑，勘察人員無法到達(dá)陡崖段進(jìn)行地質(zhì)素描，傳統(tǒng)測繪及勘查手段無法實(shí)施，為準(zhǔn)確查清裂縫的分布，采用無人機(jī)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行正射測量獲取平面數(shù)據(jù)，傾斜測量獲取高程數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型。通過對(duì)這些成果的分析，可以從各個(gè)角度對(duì)研究區(qū)進(jìn)行觀察，可以識(shí)別裂縫，地物、地質(zhì)體（危巖體），以適應(yīng)對(duì)研究區(qū)不同程度的研究。采用傾斜攝影技術(shù)建立了高精度右岸高邊坡山體模型，構(gòu)建高陡邊坡精細(xì)化三維地形地質(zhì)模型，精度達(dá)到2cm。

圖5 右岸高邊坡傾斜攝影成果Figure 5 Inclided shooting photegraphs of the high slope on the right bank

4.2 高邊坡崩塌及堰塞體形成機(jī)理及穩(wěn)定分析

4.2.1 形成機(jī)理

采用非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法模擬邊坡漸進(jìn)破壞過程，揭示了滑坡堆積體高速遠(yuǎn)程滑動(dòng)的動(dòng)力機(jī)制，根據(jù)地震前邊坡地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造，建立滑動(dòng)體三維數(shù)值模型，采用連續(xù)-離散耦合分析方法實(shí)現(xiàn)了紅石巖堰塞體形成全過程的動(dòng)態(tài)模擬，確定滑坡形成機(jī)理。

堰塞壩區(qū)域?qū)贅?gòu)造剝蝕為主的中高山狹谷區(qū)，兩岸谷深、坡陡，基巖多裸露，不良物理地質(zhì)作用發(fā)育及兩岸坡受不利結(jié)構(gòu)面組合、巖體風(fēng)化、卸荷較強(qiáng)等因素影響，自然邊坡多處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡的整體破壞受控于陡傾角卸荷裂隙與下部軟弱夾層。魯?shù)榘l(fā)生6.5級(jí)地震時(shí)，受水平向與豎直向地震動(dòng)的影響，邊坡中下部的軟弱夾層發(fā)生擠壓及滑動(dòng)，中上部的巖體失去支撐且受陡傾角裂隙的影響，順河向卸荷裂隙在地震力作用下貫通并與后緣完全脫開，導(dǎo)致了大范圍的崩塌破壞，在自重作用下向河床、向下游運(yùn)動(dòng)，高速傾倒崩塌，迅速向河床堆積而形成了堰塞壩。

4.2.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

軟弱夾層的工程力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性分析結(jié)果起控制性作用，由于前期勘探條件限制，針對(duì)軟弱夾層的研究較少，工程力學(xué)參數(shù)不確定性較大，因此，需在動(dòng)力條件下進(jìn)行參數(shù)反演。采用三維幾何投影的方法以現(xiàn)場實(shí)測的地質(zhì)平面圖和現(xiàn)場拍攝的正面和側(cè)面照片為基礎(chǔ)，通過關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)，將相關(guān)實(shí)測信息逐步轉(zhuǎn)換到側(cè)視圖上。同時(shí)參照河谷兩側(cè)高邊坡地形角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始地形的恢復(fù)。依據(jù)現(xiàn)場勘查并結(jié)合工程類比，提出巖體的強(qiáng)度參數(shù)地質(zhì)建議取值?；诘刭|(zhì)建議參數(shù)，根據(jù)還原后的邊坡地形，結(jié)合現(xiàn)場踏勘及地質(zhì)剖面，建立邊坡的典型斷面有限元網(wǎng)格，采用 FLAC3D 時(shí)程方法對(duì)邊坡地震作用響應(yīng)特征進(jìn)行研究，分析邊坡地震條件下的變形破壞規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上取動(dòng)態(tài)安全系數(shù)最低時(shí)刻的位移、應(yīng)力、速度、加速度場為反演初始狀態(tài)，反演軟弱夾層工程力學(xué)參數(shù)。在對(duì)邊坡失穩(wěn)模式分析的基礎(chǔ)上，對(duì)軟弱夾層部位巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了反演，并分析了其他巖層參數(shù)對(duì)反演結(jié)果的影響，最終結(jié)合試驗(yàn)成果和工程類比確定邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)。

4.2.3 穩(wěn)定性分析

崩塌后邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)在各工況下均滿足規(guī)范要求，但上部倒懸傾倒A區(qū)局部安全系數(shù)在偶然工況（地震）下相對(duì)較低，有發(fā)生傾倒破壞的可能性。在對(duì)上部倒懸傾倒巖體做開挖清除后，邊坡穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求。

4.3 綜合治理措施

綜合破壞模式判定、穩(wěn)定性分析及施工條件，提出分區(qū)分期整治思路及措施，實(shí)現(xiàn)高邊坡整治的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工。

采取削坡處理，對(duì)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)裂縫發(fā)育的邊坡巖體進(jìn)行開挖，清除不穩(wěn)定的巖體，并放緩邊坡坡度；增加主動(dòng)支護(hù)的措施，局部采用預(yù)應(yīng)力錨索，增加邊坡的穩(wěn)定性；做好坡面防護(hù)、加強(qiáng)坡面排水等措施；邊坡上分布的泥質(zhì)軟弱巖層是引起岸坡崩滑的主要原因，需對(duì)邊坡中下部的P1l梁山組地層進(jìn)行封閉；對(duì)邊坡系統(tǒng)監(jiān)測。

4.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

目前邊坡治理工作基本完成。右岸崩塌邊坡及其上游側(cè)邊坡已實(shí)施的表面變形監(jiān)測點(diǎn)水平合位移介于2.7～17.5mm之間，垂直位移介于-28.5～18.7mm之間，垂直位移總體呈下沉變化。各測點(diǎn)位移波動(dòng)變化，無明顯位移增大變形趨勢。右岸崩塌邊坡頂部開裂區(qū)域深部變形介于0.7～0.73mm，變形量值較小。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：治理后的右岸高邊坡穩(wěn)定性良好，與分析結(jié)果吻合較好。

5 130m級(jí)不連續(xù)寬級(jí)配堰塞壩綜合治理等關(guān)鍵技術(shù)

5.1 采用綜合物探技術(shù)和重型勘察技術(shù)，揭示堰塞壩物質(zhì)組成并提出物理力學(xué)指標(biāo)

5.1.1 勘察方法

（1）針對(duì)堰塞體起伏大、孤石多、大空隙、分層差、堆積厚，常規(guī)物探方法無法作業(yè)等難題，采用被動(dòng)源面波法、瞬變電磁法、綜合測井等結(jié)合鉆孔資料進(jìn)行探測和綜合解釋，探明了堰塞體的物質(zhì)不均性、相對(duì)密實(shí)情況、規(guī)模及空間分布。

（2）首次在堰塞壩頂布置3個(gè)大直徑勘探豎井（D1.5m），最深達(dá)97m見基巖，精確地查明了堰塞壩物質(zhì)組成，并論證了堰塞體防滲墻方案可行。

5.1.2 堰塞體試驗(yàn)成果

堰塞體和左岸古滑坡體現(xiàn)場試驗(yàn)成果見表1、表2和圖7。

5.1.3 堰塞體試驗(yàn)成果分析

從現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果分析，堰塞體比重在2.71～2.83g/cm3之間，7個(gè)檢測點(diǎn)最大干密度2.28g/cm3，最小干密度1.66g/cm3，干密度均值1.98g/cm3，相應(yīng)最小孔隙率19.4%，最大孔隙率40.7%；因室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)剔除了>60mm部分，故1組相對(duì)密度試驗(yàn)成果（最大干密度2.11g/cm3，最小干密度1.55g/cm3）僅供參考。

從挖坑顆分曲線看，100～5mm之間級(jí)配屬于一個(gè)相對(duì)陡降段，該部分占比較大。多數(shù)土樣2mm以下顆粒占比較小，根據(jù)鉆孔顆分曲線成果，ZK107鉆孔芯樣最大粒徑400mm，2mm以上部分占比較大，0.075mm以下細(xì)粒含量很少。因鉆孔芯樣在鉆頭鉆進(jìn)切削過程中的破碎作用，故實(shí)際堰塞新堆積體的顆粒粒徑要大于鉆孔芯樣篩分的粒徑。

5.1.4 左岸古滑坡體試驗(yàn)成果分析

古滑坡體平硐內(nèi)完成6個(gè)點(diǎn)的現(xiàn)場密度試驗(yàn)，干密度范圍值2.20～2.35g/cm3，均值2.30g/cm3，比重均值2.83，6個(gè)點(diǎn)孔隙率在17.5%～23.1%之間，孔隙率平均值19.5%。取其中1組土樣進(jìn)行了室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)，試驗(yàn)前剔除了>60mm部分，試驗(yàn)后得到最大干密度2.34g/cm3，最小干密度1.77g/cm3。

22組顆粒分析試驗(yàn)表明，粒徑占比主要集中在60～2mm礫石段，均值為53.6%，其次為<2mm以下部分，占22.8%，大于60mm的巨粒合計(jì)均值23.6%。

現(xiàn)場滲透試驗(yàn)在平硐內(nèi)進(jìn)行，共完成4個(gè)點(diǎn)的滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)得最小滲透系數(shù)2.13×10-2cm/s，最大值1.24×10-1cm/s，滲透性較高。

5.2 防滲方案

由于堰塞體擋水水頭達(dá)100m以上，經(jīng)上游坡面防滲方案、混凝土防滲墻方案、自密實(shí)混凝土加固等多方案比選，最終選定堰塞壩防滲墻及古滑坡體帷幕灌漿組合防滲方案。采用“主河床段深137m的防滲墻+左岸古滑坡體125m深的可控帷幕灌漿組合”的防滲結(jié)構(gòu)體系，形成擋水堰塞壩。

圖6 右岸高邊坡整治方案Figure 6 Treatment scheme of high slope on the right bank

表1 堰塞體試驗(yàn)成果Table 1 Test results of barriers lake dam

表2 左岸古滑坡體現(xiàn)場試驗(yàn)成果Table 2 Field test results of ancient landslide on the left bank

圖7 堰塞體級(jí)配曲線Figure 7 The grade curve of the barriers lake dam

防滲墻軸線沿堰塞壩頂部布置，總長267m，墻厚1.2m，入巖1m，最大深度約137m。左岸古滑坡體部位設(shè)灌漿洞及三排帷幕灌漿防滲。堆積體范圍內(nèi)帷幕最大深度約107m，基巖范圍內(nèi)采用單排灌漿防滲，灌漿間距1.5m。防滲底界按5lu線控制，防滲剖面見圖8。

5.3 堰塞壩變形、滲透、穩(wěn)定分析

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，建立了考慮古滑坡體和堰塞體的應(yīng)力變形有限元計(jì)算分析網(wǎng)格。在此基礎(chǔ)上，考慮堰塞堆積體材料的流變等特性，進(jìn)行了堰塞體和混凝土防滲墻應(yīng)力變形三維有限元計(jì)算，分析了在改造、蓄水、運(yùn)行等不同工況下的應(yīng)力和變形的性狀，評(píng)估了堰塞體和混凝土防滲墻的變形特性。計(jì)算網(wǎng)格包含了古河床al-1、古河床al-2、古滑坡del-1、古滑坡del-2、堰塞體col-1、堰塞體col-2、防滲帷幕以及混凝土防滲墻等材料分區(qū)，三維網(wǎng)格的單元形式以六面體單元及其退化單元為主，單元總數(shù) 57274，結(jié)點(diǎn)總數(shù) 56530。

圖8 沿防滲線軸線剖面圖Figure 8 The profile along the impervious line

經(jīng)計(jì)算分析：堰塞壩最大沉降31.4cm，發(fā)生在堰塞體靠近左岸表面；最大順河向位移出現(xiàn)在防滲墻的中部，最大值為9.78cm；最大的沉降為8.44cm。防滲墻大主應(yīng)力最大值約為12.6MPa，防滲墻拉應(yīng)力區(qū)拉應(yīng)力一般小于-2MPa。詳見表3。

圖9 堰塞壩整體三維有限元網(wǎng)格Figure 9 Three-dimensional finite element of the barriers lake dam

正常蓄水位1200m條件下，滲流量為45.6L/s。

紅石巖堰塞壩上下游堰坡比常規(guī)土石壩都偏緩，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，且有一定安全裕值。最大橫剖面各工況上下游坡最危險(xiǎn)滑弧位置見圖10。

表3 紅石巖堰塞壩和防滲墻最大應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果Table 3 The maximum stress of the Hongshiyan barriers lake dam

圖10 最大橫剖面各工況上下游坡最危險(xiǎn)滑弧位置Figure 10 The most critical slip circle location of the upstream and downstream dam slope under the serval conditions

5.4 堰塞壩防滲墻及灌漿施工技術(shù)

5.4.1 施工重、難點(diǎn)分析

（1）本工程混凝土防滲墻最大深度達(dá)137m，穿過堰塞體及古滑坡體，堆石體粒徑極為不均勻，槽孔易偏斜、工效低，成槽過程中的漏漿、塌孔，巨大塊石成槽困難；本工程防滲墻是永久建筑物，墻體厚度和深度大，墻體接頭連接是關(guān)鍵。

（2）左岸古滑坡灌漿洞存在作業(yè)空間狹小，普通灌漿設(shè)備工效低的問題；堰塞壩存在大孔隙地層，灌漿漿液易沖散和流失；堰塞壩細(xì)顆粒集中部位存在水泥漿液難以灌入的難題。

5.4.2 施工工藝方法

防滲墻施工前采用預(yù)爆預(yù)灌等工藝，采用以沖擊鉆機(jī)為主、機(jī)械式抓斗為輔的“鉆抓法”，接頭施工采用“接頭管法”和“鉆鑿法”。

（1）混凝土防滲墻槽段施工前，在防滲墻軸線上下兩側(cè)各布設(shè)一排固結(jié)灌漿孔，灌漿孔距防滲墻軸線1.5m，孔距1.5m，采用膏狀漿液進(jìn)行灌注，對(duì)大的滲漏通道進(jìn)行封堵，減少防滲墻成槽過程中的漏漿，以保證防滲墻施工的順利實(shí)施。

（2）為了防止槽孔坍塌，施工平臺(tái)進(jìn)行碾壓密實(shí)，導(dǎo)向槽采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并在導(dǎo)墻后側(cè)用黏土夯實(shí)。

（3）固壁泥漿采用優(yōu)質(zhì)的MMH正電膠泥漿，并根據(jù)實(shí)際情況添加增粘劑或堵漏劑。

（4）對(duì)于大塊石，在施工前，利用鉆孔進(jìn)行預(yù)爆和灌漿堵漏。成槽過程中，配12t重錘沖砸，如果效果不理想或遇到特大孤石，則采用孔內(nèi)聚能爆破或小口徑鉆孔爆破。

（5）槽孔精度檢測采用KD-400或KM684型超聲波測井儀進(jìn)行檢測。

（6）為保證拔管的成功率，在接頭管外包一層泡沫，用土工布包裹后下設(shè)，以減少拔管阻力，并采用振動(dòng)液壓拔管機(jī)拔管。

（7）在造孔過程中，發(fā)現(xiàn)漏失架空地層，除了采用常規(guī)的填黏土、鋸末等材料堵漏外，還可以采用膨脹粉及高效堵漏劑堵漏。

研制了全液壓低凈空大功率工程鉆機(jī)，體形小、操作靈活，解決了狹小作業(yè)空間內(nèi)深厚覆蓋層帷幕灌漿快速鉆孔的技術(shù)難題；研發(fā)了具有塑性粘度高、屈服強(qiáng)度大、觸變性好、抗水沖性能強(qiáng)的水泥膏漿，適合于大孔隙地層和有動(dòng)水情況下的灌漿，可有效避免或減少漿液被沖散和流失。研發(fā)了硅溶膠納米級(jí)環(huán)保型灌漿材料新材料，解決了寬級(jí)配堰塞壩灌漿材料填充的技術(shù)難題。

6 結(jié)語

紅石巖堰塞湖整治工程從2014年8月堰塞湖應(yīng)急搶險(xiǎn)及后續(xù)處置結(jié)束后即開始實(shí)施，工程已于2019年下閘蓄水，經(jīng)歷了高水位的考驗(yàn)，安全運(yùn)行。本文總結(jié)了乏信息條件下堰塞體應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)、750m強(qiáng)震碎裂高陡邊坡整治關(guān)鍵技術(shù)、130m級(jí)不連續(xù)寬級(jí)配堰塞壩綜合治理等關(guān)鍵技術(shù)，可為類似堰塞壩應(yīng)急處置及整治利用提供參考和借鑒意義。