石繼忠

（浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州，310014）

0 引言

水電站建設(shè)和運(yùn)行過程中，邊坡問題主要因弱地質(zhì)區(qū)域邊坡由人工擾動(dòng)后處于瞬態(tài)失衡或持續(xù)失穩(wěn)狀態(tài)誘發(fā)。其中，施工、蓄水和泄流是人工擾動(dòng)行為的三個(gè)典型階段。施工中邊坡問題的主要誘發(fā)源是基坑開挖或洞室（群）開挖：如豐寧抽蓄電站下水庫進(jìn)出水口高邊坡由于開挖后局部失穩(wěn)，發(fā)生塌方、掉塊現(xiàn)象[1]。蓄水型邊坡問題的主要誘發(fā)源是庫水位周期升降和水下滑體浸水軟化：1963年10 月，意大利的瓦依昂水庫左岸滑坡2.4 億m3（或2.7～3億m3）的超巨型滑坡體，誘發(fā)175 m高的巨浪以及超出壩頂100 m 的涌浪，導(dǎo)致近3 000 人死亡[2]。泄流型邊坡問題的主要誘發(fā)源是突發(fā)的強(qiáng)降水：2015 年汛期，二灘水電站在霧化雨和暴雨聯(lián)合作用下，右岸邊坡塌陷高程（1 215 m）超壩頂高程10 m，變形區(qū)（約1 948 m2）分布在高程1 131～1 192 m[3]。根據(jù)中國水利水電邊坡數(shù)據(jù)庫，國內(nèi)仍存在大量的邊坡失穩(wěn)問題，尤其是大型水利工程的開發(fā)運(yùn)用，超百米高的邊坡穩(wěn)定問題十分突出，且水土流失愈發(fā)嚴(yán)重[4]。

針對(duì)各類邊坡問題，有效的邊坡穩(wěn)定性分析是開展問題邊坡專業(yè)加固和科學(xué)治理的基礎(chǔ)。采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及物理模擬等手段來判別邊坡穩(wěn)定性，通過仿真模擬、力學(xué)計(jì)算分析確定最為經(jīng)濟(jì)、可靠的處理方式，達(dá)到邊坡治理的最優(yōu)化。同時(shí)，在現(xiàn)代化邊坡治理中，新型生態(tài)技術(shù)也逐步推廣至邊坡治理，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)、和諧的發(fā)展理念。

1 典型的邊坡問題

1.1 施工誘發(fā)邊坡問題

水電工程施工期間，人為因素（如基坑開挖、洞室開挖）會(huì)改變?cè)械刭|(zhì)條件，使得邊坡失穩(wěn)或重新構(gòu)筑穩(wěn)定狀態(tài)，此過程中往往會(huì)產(chǎn)生一系列的邊坡問題。根據(jù)邊坡地質(zhì)勘察分析，分為淺層和深層兩大類問題。

淺層問題多由開挖揭露的弱地質(zhì)條件變化誘發(fā)，形成危巖體。韓祥森[5]以雅礱江錦屏一級(jí)水電站高邊坡危巖體為研究對(duì)象，分析危巖體成因，總結(jié)出六種主要成因，建立了危巖體形成和變形失穩(wěn)機(jī)理的地質(zhì)力學(xué)模型。郭素芳[6]在前人研究基礎(chǔ)上，總結(jié)了危巖體的分類并進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，認(rèn)為危巖體按破壞模式分為崩落（塌）式、滑落（塌）式、擴(kuò)離式和剝落式4 種，其中崩塌式根據(jù)其運(yùn)動(dòng)方式和破壞機(jī)理又分為墜落式崩塌、傾倒式崩塌兩個(gè)亞類。劉衛(wèi)華[7]總結(jié)錦屏一、二級(jí)水電站發(fā)現(xiàn)：危巖體主要集中發(fā)育在大于50°的陡坡和邊坡高高程部位，大理巖區(qū)危巖體發(fā)育集中。對(duì)多個(gè)水利工程高邊坡危巖體進(jìn)行總結(jié)研究發(fā)現(xiàn)：危巖體存在區(qū)域集中、危巖體區(qū)塊量大、同一區(qū)塊成因基本一致等特點(diǎn)。

深層的邊坡問題主要表現(xiàn)為大型滑坡體失穩(wěn)，山體內(nèi)部存在弱地質(zhì)條件，進(jìn)而在施工過程中產(chǎn)生滲漏、內(nèi)部塌陷、內(nèi)部溶洞等問題。白偉[8]等以烏東德水電站為例，發(fā)現(xiàn)其左岸進(jìn)水口邊坡存在內(nèi)部巖溶問題，導(dǎo)致邊坡錨索支護(hù)施工困難。劉俊松[9]以西藏某水電站為例，其左壩肩存在大型滑坡體穩(wěn)定性問題，滑坡體方量約37.5 萬m3，滑坡體加固和防滲處理嚴(yán)重制約了工程進(jìn)度。2016年四川省雅礱江桐子林水電站右岸原桐-雅公路（高程1 017～1 020 m）改建，雷運(yùn)華等[10]指出開挖和支護(hù)的不及時(shí)，尤其是深層支護(hù)的滯后是導(dǎo)致該邊坡出現(xiàn)較大變形的主要因素。不同高程的錨索施工完畢后，邊坡巖體的整體變形將漸趨穩(wěn)定，故應(yīng)關(guān)注工程運(yùn)行（包括公路下導(dǎo)流明渠開挖）及監(jiān)測(cè)成果情況，以便對(duì)邊坡進(jìn)行及時(shí)分析論證并及時(shí)采取相應(yīng)工程措施［7］。不論何種層次的邊坡問題，在施工過程中均存在極大的安全威脅和隱患，制約工程進(jìn)度，如不及時(shí)處理往往會(huì)帶來嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和災(zāi)害。

1.2 蓄水誘發(fā)邊坡問題

庫區(qū)蓄水后，水位周期升降和水下滑體浸水軟化，誘發(fā)山體滑坡、局部沉降、塌陷等災(zāi)害。而當(dāng)庫區(qū)發(fā)生滑坡時(shí)，滑坡體入庫后會(huì)引起庫水位的上漲，進(jìn)而誘發(fā)嚴(yán)重的涌浪次生危害。

武明鑫等[11]討論了11 座高混凝土壩工程蓄水后的河谷-庫壩變形原型觀測(cè)資料，指出水庫蓄水后能誘發(fā)庫盤沉降、谷幅變形以及壩體的累計(jì)徑向變形，不同工程誘發(fā)的主要變形形式和程度有個(gè)體差異但存在共性特征。宋丹青[12]分析了九甸峽庫區(qū)燕子坪滑坡在不同蓄水區(qū)段的變形位移，指出此滑坡機(jī)制為牽引式滑坡，破壞源于蓄水速率主要加劇作用和降雨次要作用下的蠕變破壞。裴向軍等[13]將錦屏一級(jí)水電站左岸大型人工開挖邊坡分為開口線高位傾倒變形區(qū)（一區(qū)）、上游山梁f5和f8殘留體變形區(qū)（二區(qū)）以及拱肩槽上游開挖邊坡變形區(qū)（三區(qū)）。分析表明，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移、方位角及傾角在不同變形區(qū)域響應(yīng)特征不同，且變形均未收斂。

江強(qiáng)強(qiáng)等[14]采用大比尺物理模型模擬了三峽庫區(qū)黃土坡滑坡臨江Ⅰ號(hào)崩滑體滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)的變化特征，指出在水位驟降條件下其表現(xiàn)為動(dòng)水壓力型滑坡破壞模式，在庫水位下降和降雨聯(lián)合作用下，坡體變形呈現(xiàn)典型的牽引式破壞模式。田忠等[15]以Heinrich（1992）的滑坡涌浪試驗(yàn)為數(shù)值驗(yàn)證算例，采用FLOW-3D 軟件數(shù)值模擬分析了山區(qū)庫岸滑坡涌浪的產(chǎn)生-傳播-翻壩全過程。王芳等[16]基于Geostudio數(shù)值模擬平臺(tái)，模擬計(jì)算了三峽庫區(qū)萬州區(qū)塘角1號(hào)滑坡各分區(qū)滑坡破壞概率，開展了次生涌浪災(zāi)害總經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)和庫區(qū)內(nèi)人口風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。黃戰(zhàn)庫[17]指出拉西瓦水電站右岸壩前的果卜邊坡是處于臨界穩(wěn)定的天然邊坡，在人工強(qiáng)擾動(dòng)作用下存在非均勻大變形問題。周建平等[18]指出黃河上游拉西瓦（壩高250 m）水庫蓄水后牽動(dòng)了近壩庫岸高達(dá)600 m、9 240 萬m3的巨型變形體，當(dāng)前雖不會(huì)整體高速下滑，但仍需要繼續(xù)深化研究，提出風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，確保工程全生命周期在極端條件下的安全運(yùn)行。

1.3 泄流誘發(fā)邊坡問題

泄流產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)為高速?zèng)_刷、空蝕空化和霧化雨侵蝕等。霧化雨是一種新發(fā)現(xiàn)的侵蝕問題。干旱峽谷地區(qū)的高水頭挑流消能型水電站中，泄流霧化改變?cè)胁糠值刭|(zhì)體（由天然干旱狀態(tài)轉(zhuǎn)變至富水狀態(tài)后）誘發(fā)滑坡問題。1989 年，龍羊峽水電站底孔泄流霧化誘發(fā)下游消能區(qū)右岸百萬方滑坡，修復(fù)工作持續(xù)了6年，工程總投資達(dá)3.08億元[19]。二灘水電站設(shè)計(jì)為空中碰撞消能，霧化問題突出。1998年汛期，在庫水位最高達(dá)到1 182.26 m高程的泄流條件下，處在壩身泄洪霧化影響區(qū)內(nèi)的中灘溝發(fā)生了約8 000～9 000 m3的泥石流，泥石流流入水墊塘引發(fā)底板破壞。1999年汛期，在設(shè)計(jì)庫水位1 200 m 高程的泄流條件下，多表孔和中孔聯(lián)合泄洪（約7 700 m3/s），壩后約700 m范圍內(nèi)的邊坡及附屬建筑物遭到了損壞，開挖線以上的表層覆蓋物（泥土、碎石、塊石及大孤石）滑落，大量滾落的石塊使開挖線以下已經(jīng)支護(hù)過的邊坡、馬道和馬道上的建筑物遭到了不同程度的毀壞，滯積的泥石流堵塞了邊坡交通梯道和各級(jí)馬道[20]。福建高唐水電站由2007年投產(chǎn)以來，每至汛期洪水季節(jié)，均因大流量泄洪對(duì)左岸邊坡形成沖刷，致使岸坡坡腳不斷后退，威脅下游結(jié)構(gòu)安全[21]。

2 邊坡問題的穩(wěn)定性分析和防控措施

邊坡問題存在極大的安全隱患和威脅，國內(nèi)專家對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和防護(hù)措施進(jìn)行了大量的研究，總結(jié)出了極為有效的處理經(jīng)驗(yàn)和防護(hù)手段，逐漸由防護(hù)技術(shù)上的運(yùn)用轉(zhuǎn)變到生態(tài)修復(fù)技術(shù)的改進(jìn)，由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的問題處理深入到深層次的修復(fù)改善。

2.1 傳統(tǒng)工藝的邊坡處理技術(shù)

傳統(tǒng)的邊坡問題處理工藝已經(jīng)得到了熟練的運(yùn)用。在拉西瓦、錦屏一、二級(jí)等水電站系統(tǒng)應(yīng)用了由鋼絲繩網(wǎng)、柔性鋼繩錨桿、支撐繩等組成的柔性主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)和由鋼絲繩網(wǎng)、減壓環(huán)、支撐繩、鋼柱和張拉錨繩組成的柔性主、被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)[22]，深層的邊坡問題還增加了系統(tǒng)的錨索、抗滑樁防護(hù)。王金龍等[23]采用有限元法，選取烏東德水電站距壩軸線392 m 的水墊塘右岸邊坡（位于霧化雨中心）為代表性坡面，指出裸露緩坡利于霧化雨入滲，弱透水材料防護(hù)可減少坡面霧化雨入滲量，坡體內(nèi)部滲透性上強(qiáng)、下弱的部位建議設(shè)置排水孔。尹鵬海等[24]開展了一次典型泄洪霧化降雨作用過程下，白鶴灘水電站左岸邊坡的滲流場(chǎng)模擬計(jì)算，結(jié)果表明泄洪霧化雨入滲是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素，提出邊坡表面噴護(hù)時(shí)需配置排水措施，威脅體局部置換等加固措施。練繼建等[25]以護(hù)坡不護(hù)底的烏東德水電站物理模型為基礎(chǔ)，揭示了護(hù)坡板塊的破壞力源——背/迎水面靜水壓差和脈動(dòng)壓差的疊合作用，通過對(duì)比4 種護(hù)坡板塊（不透水、透水、封閉自排和封閉抽排）的受力特征，提出了組合傾斜開孔式透水護(hù)坡板塊和封閉自排護(hù)坡板塊應(yīng)用的工程實(shí)踐方案。

2.2 生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

生態(tài)護(hù)坡技術(shù)方面，主要是針對(duì)已開挖邊坡的一種反饋治理，包含植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)（VCT）和厚層基材護(hù)坡技術(shù)（TBS）。侯燕梅[26]以向家壩擾動(dòng)邊坡運(yùn)用TBS 技術(shù)為研究對(duì)象，指出TBS技術(shù)可在一定程度上進(jìn)行人工調(diào)控，但由于環(huán)境的復(fù)雜性，人為調(diào)控成效不一。應(yīng)豐等[27]對(duì)高海拔地區(qū)的擾動(dòng)邊坡運(yùn)用JYC生態(tài)基材護(hù)坡技術(shù)，針對(duì)高寒地區(qū)的氣候條件和生態(tài)脆弱問題進(jìn)行了優(yōu)勢(shì)物種篩選、保水保肥技術(shù)研究，推廣了新技術(shù)的運(yùn)用。李天斌等對(duì)JYC 生態(tài)基材護(hù)坡技術(shù)運(yùn)用于高陡巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了研究，評(píng)價(jià)了該技術(shù)在高海拔巖質(zhì)邊坡區(qū)域的抗凍性、抗貧瘠性和穩(wěn)定性，將生態(tài)技術(shù)推廣至巖質(zhì)邊坡運(yùn)用。多種生態(tài)護(hù)坡技術(shù)目前已全面、逐步深入地運(yùn)用在邊坡治理修復(fù)中，但仍有待進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

3 結(jié)語

（1）水利工程的施工、蓄水和泄洪三個(gè)階段，直接或間接造成了一系列的邊坡問題，目前邊坡問題凸顯、成因多樣、機(jī)制復(fù)雜、形式多變、治理難度大、投資成本高。

（2）現(xiàn)代水利水電工程邊坡治理和防護(hù)研究以“防滲-促排-降載”為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法、護(hù)坡防護(hù)技術(shù)以及新型護(hù)坡結(jié)構(gòu)等方面不斷發(fā)展，為邊坡治理提供了全面完善的技術(shù)基礎(chǔ)，但技術(shù)發(fā)展、革新方面較弱，仍有待進(jìn)一步提高。

（3）生態(tài)護(hù)坡是現(xiàn)代水利工程邊坡治理的時(shí)代要求，在謀求發(fā)展的同時(shí)應(yīng)加大生態(tài)防護(hù)，而VCT、TBS、JYC 等生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在國內(nèi)有很大的推廣空間，在物種優(yōu)選、復(fù)雜地質(zhì)條件、物種多樣性等方面應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。