丁剛 黃小艷 熊瑤 劉科

摘要：

烏東德水電站泄洪洞出口環(huán)境邊坡高達(dá)746 m，發(fā)育82個(gè)危險(xiǎn)塊體，存在塊體崩塌滾落的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅下方泄洪洞出口安全。根據(jù)塊體影響對(duì)象不同進(jìn)行分區(qū)，采用三維剛體極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算并作針對(duì)性防治設(shè)計(jì)；為有效管控環(huán)境邊坡風(fēng)險(xiǎn)，提出塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估方法，明確了風(fēng)險(xiǎn)管控的重點(diǎn)對(duì)象，并按風(fēng)險(xiǎn)高低安排塊體施工順序，采取了設(shè)置施工支洞、臨時(shí)加固塊體和安全監(jiān)測(cè)等管控措施，有效保障了工程安全。研究成果可為環(huán)境邊坡防治設(shè)計(jì)與管理提供參考。

關(guān)鍵詞：

環(huán)境邊坡； 塊體防治； 風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估； 風(fēng)險(xiǎn)管控； 烏東德水電站

中圖法分類號(hào)：TV221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.009

文章編號(hào)：1006-0081（2023）04-0053-05

0 引 言

中國的水電資源主要集中在云、貴、川、藏等地，分布在金沙江、雅礱江、大渡河等流域。由于受到印度洋板塊與歐亞板塊的碰撞擠壓，這些地區(qū)河流谷深坡陡，地應(yīng)力水平高，巖體卸荷強(qiáng)烈，地震烈度高［1-2］。隨著水電工程開發(fā)向西南縱深推進(jìn)，因樞紐建筑物布置需要，往往開挖形成高達(dá)300～500 m的工程邊坡，工程邊坡以上還存在高達(dá)數(shù)百米甚至上千米坡度50°以上的環(huán)境邊坡，給工程設(shè)計(jì)帶來巨大挑戰(zhàn)［3］。

錦屏一級(jí)水電站等西南水電工程在建設(shè)期均遇到不同程度的環(huán)境邊坡問題［3］，局部環(huán)境邊坡的滑坡、崩塌、落石對(duì)下方施工人員和設(shè)備的安全造成威脅，引起工期延誤。2008年汶川大地震的災(zāi)后調(diào)查表明：水電站的工程邊坡穩(wěn)定狀態(tài)一般較好，但部分水電站環(huán)境邊坡在地震后發(fā)生了滑坡、崩塌、落石等災(zāi)害，如沙牌、魚子溪、映秀灣、太平驛等水電站［4-5］，并造成建筑物不同程度損壞，影響工程正常運(yùn)行。環(huán)境邊坡問題關(guān)乎工程建設(shè)期和運(yùn)行期安全，其防治和管控問題逐漸受到重視。

目前，工程邊坡防治和管控技術(shù)比較成熟，但環(huán)境邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管控技術(shù)較為薄弱。吉鋒等［6］參考地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估相關(guān)規(guī)程規(guī)范，對(duì)環(huán)境邊坡危險(xiǎn)源危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系做了初步研究。董家興等［7］考慮了危險(xiǎn)源自身、途徑邊坡、觸發(fā)因素等指標(biāo)，建立了環(huán)境邊坡危險(xiǎn)源危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)體系。牟榮峰等［8］對(duì)烏東德高位自然邊坡質(zhì)量安全管控思路進(jìn)行分析，提出通過組織、管理、技術(shù)等措施保障工程安全。然而，目前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法忽略了危險(xiǎn)源影響對(duì)象的因素，不能科學(xué)評(píng)價(jià)環(huán)境邊坡風(fēng)險(xiǎn)。基于此，本文以烏東德水電站泄洪洞出口花山溝附近的環(huán)境邊坡塊體防治為例，針對(duì)危險(xiǎn)源及其影響對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)估分析，并提出針對(duì)性管控措施。

1 工程概況與工程地質(zhì)條件

烏東德水電站位于金沙江下游河段，電站裝機(jī)容量10 200 MW，多年平均發(fā)電量389.1億kW·h，為Ⅰ等大（1） 型工程，主要由高達(dá)270 m 的混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成［9］。烏東德水電站泄洪洞出口環(huán)境邊坡高達(dá)746 m，其上塊體等風(fēng)險(xiǎn)源較多，對(duì)下部泄洪洞出口安全構(gòu)成較大威脅。

烏東德水電站左岸泄洪洞出口邊坡位于花山溝附近，地面高程約800 m，坡頂高程約1 836 m。工程邊坡以花山溝為界，分為泄洪洞正面邊坡和左側(cè)邊坡兩部分，分別長(zhǎng)約140 m和484 m，工程邊坡開口線高程為1 030～1 090 m，開口線以上環(huán)境邊坡最高約746 m，平均坡度約55°。環(huán)境邊坡地層由褶皺基底和沉積蓋層構(gòu)成，褶皺基底為灰色互層夾薄層灰?guī)r（Pt102l），沉積蓋層為薄層白云巖夾薄-極薄層粉砂質(zhì)泥巖頁巖（Z2g）、厚-巨厚層白云巖（Z2d）、厚層灰?guī)r（P2y）、玄武巖（P3em）等［10-12］。

泄洪洞出口環(huán)境邊坡塊體（含潛在不穩(wěn)定傾倒巖體，下同）在卸荷、風(fēng)化、降雨及地震等自然因素或工程擾動(dòng)作用下，可能產(chǎn)生局部失穩(wěn)、崩塌滾落，危及工程施工與運(yùn)行安全。環(huán)境邊坡共發(fā)現(xiàn)82個(gè)塊體，其中1 000～10 000 m3有16個(gè)、100～1 000 m3的有52個(gè)、小于100 m3有14個(gè)，見圖1。

2 環(huán)境邊坡塊體防治

泄洪洞出口環(huán)境邊坡范圍廣闊，不同區(qū)域危害對(duì)象有所差別，因此分為4個(gè)區(qū)進(jìn)行防治：① D1區(qū)影響左岸低線過壩路通行及下游圍堰施工安全，為Ⅲ級(jí)邊坡；② D2區(qū)影響尾水洞與泄洪洞出口施工及運(yùn)行安全，為Ⅰ級(jí)邊坡；③ D3區(qū)影響泄洪洞出口側(cè)面邊坡施工安全，為Ⅱ級(jí)邊坡；④ D4區(qū)影響850混凝土系統(tǒng)安全，為Ⅲ級(jí)邊坡。

2.1 穩(wěn)定性計(jì)算分析

2.1.1 計(jì)算方法

采用三維剛體極限平衡法，對(duì)單面和雙面滑動(dòng)的塊體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析［13-14］。

（1） 單面滑動(dòng)。設(shè)塊體自重、地下水及地震的合力為r，滑移方向?yàn)镾，合力和滑移方向的夾角為θ，塊體在滑移方向的法向作用力（N）與切向作用力（H）分別為

H=|r|cosθ（1）

N=|r|sinθ（2）

單面滑動(dòng)塊體安全系數(shù)按式（3）計(jì)算：

Kc=|r|sinθ·tanφ+cA+∑mj=1cjAj|rcosθ|（3）

式中：φ，c，A分別為滑面的內(nèi)摩擦角、黏聚力和面積；m，cj，Aj分別為塊體其他結(jié)構(gòu)面的數(shù)量、黏聚力和面積。

（2） 雙面（楔形體）滑動(dòng)。設(shè)塊體在自重、地下水及地震的合力為r，滑移方向?yàn)?個(gè)滑面的交棱線，方向?yàn)镾，合力和滑移方向的夾角為θ。法向作用力與兩個(gè)滑面的夾角分別為α1，α2（圖2），兩個(gè)滑面法向作用力分別為

N1=N·sinα2sin（α1+α2）（4）

N2=N·sinα1sin（α1+α2）（5）

雙滑面塊體安全系數(shù)按式（6）計(jì)算：

Kc=∑2i=1（Nitanφi+ciAi）+∑mj=1cjAj|r|cosθ（6）

式中：φi，ci，Ai分別為2個(gè)主滑面的內(nèi)摩擦角、黏聚力和面積；m，cj，Aj分別表示塊體其他結(jié)構(gòu)面數(shù)量、各結(jié)構(gòu)面黏聚力和面積。

2.1.2 計(jì)算工況與荷載

塊體穩(wěn)定計(jì)算考慮持久、短暫、偶然等3種工況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，塊體位置均較高，地下水排泄條件較好，持久工況不考慮地下水作用；短暫工況考慮一定地下水作用；偶然工況主要考慮地震作用。各類荷載如下。

（1） 自重。塊體巖性主要為灰?guī)r、白云巖等，容重取26.8～27.3 kN/m3。

（2） 地下水。短暫工況考慮暴雨或泄洪霧雨作用下排泄不及時(shí)的情況。

（3） 地震。主要考慮水平地震力，采用擬靜力法計(jì)算。設(shè)計(jì)地震概率水準(zhǔn)取50 a一遇超越概率5%，相應(yīng)基巖水平加速度峰值為0.169g。

（4） 錨固力。錨桿（錨筋樁）只考慮錨固力沿滑移方向的切向作用力，預(yù)應(yīng)力錨索分別考慮錨固力沿滑移方向的切向和法向作用力。

2.1.3 天然穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，3個(gè)塊體天然穩(wěn)定性滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，其余79個(gè)塊體天然穩(wěn)定性不滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，持久工況穩(wěn)定系數(shù)約為1.05～1.10，短暫工況與偶然工況處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)約為0.95～1.05，均需采取針對(duì)性的處理措施。

2.2 塊體防治方案

對(duì)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的3個(gè)塊體，采取維持現(xiàn)狀、加強(qiáng)巡視的防治措施。對(duì)不滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的79個(gè)塊體，經(jīng)過方案比選，采取針對(duì)性的防治措施：分別對(duì)51，11，15個(gè)塊體采用錨索、錨筋樁、錨桿加固，開挖清除2個(gè)塊體。經(jīng)過計(jì)算，錨固后塊體穩(wěn)定性均滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

3 環(huán)境邊坡風(fēng)險(xiǎn)管控

泄洪洞出口環(huán)境邊坡存在以下風(fēng)險(xiǎn)問題：① 環(huán)境邊坡山高坡陡，交通條件差，塊體防治施工工期較長(zhǎng)，未施工的塊體高懸于邊坡之上，嚴(yán)重威脅泄洪洞出口建設(shè)期安全；② 塊體數(shù)量眾多、位置分散，對(duì)塊體的監(jiān)測(cè)難以面面俱到，運(yùn)行期安全風(fēng)險(xiǎn)突出。因此，有必要對(duì)塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并采取針對(duì)性的管控措施，以有效降低工程建設(shè)期和運(yùn)行期安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估

3.1.1 塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估體系

根據(jù)泄洪洞出口環(huán)境邊坡特點(diǎn)，提出了塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估體系，包括對(duì)象層、特征層、因子層和結(jié)果層等4個(gè)層次（圖3）：① 對(duì)象層為各個(gè)塊體；② 特征層為塊體的穩(wěn)定系數(shù)、塊體體積、相對(duì)高度、影響對(duì)象、接觸頻率等；③ 因子層為評(píng)估塊體失穩(wěn)的4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子，分別為發(fā)生可能性（A）、事故影響程度（B）、影響對(duì)象重要性（C）和接觸頻繁程度（D），首先需要建立風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重系數(shù)ai及賦分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)特征層信息可以求得風(fēng)險(xiǎn)因子值xi；④ 結(jié)果層為塊體的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重系數(shù)ai與因子賦分xi乘積的總和，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)可對(duì)塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)。

3.1.2 風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重及賦分標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重及賦分標(biāo)準(zhǔn)確定原則：① 根據(jù)各個(gè)因子對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度確定因子權(quán)重ai，對(duì)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的影響越大，因子權(quán)重就越大，各個(gè)因子權(quán)重的總和為1；② 根據(jù)因子特征對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度，將因子賦分標(biāo)準(zhǔn)xi劃分為4個(gè)等級(jí)，分別為0.75＜xi≤1，0.5＜xi≤0.75，0.25＜xi≤0.5，0＜xi≤0.25。根據(jù)泄洪洞出口環(huán)境邊坡的特點(diǎn)，建立風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重及賦分標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

3.1.3 塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估計(jì)算公式為

f（x）＝∑（ai×xi）（7）

式中：f（x）為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值；ai為權(quán)重系數(shù)；xi為風(fēng)險(xiǎn)因子賦分值。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值，將塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)劃分為3個(gè)等級(jí)：① 0.75＜f≤1屬于高風(fēng)險(xiǎn)；② 0.5＜f≤0.75屬于中等風(fēng)險(xiǎn)；③ 0≤f≤0.5屬于低風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.4 塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

根據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)泄洪洞出口環(huán)境邊坡82個(gè)塊體的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。據(jù)統(tǒng)計(jì)，22個(gè)塊體屬于高風(fēng)險(xiǎn)、44個(gè)塊體屬于中風(fēng)險(xiǎn)、16個(gè)塊體屬于低風(fēng)險(xiǎn)，塊體風(fēng)險(xiǎn)分布影像示意見圖4。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)管控措施

根據(jù)塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估結(jié)果，從施工安排、臨時(shí)加固、安全監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)塊體，優(yōu)先對(duì)其進(jìn)行處理施工，設(shè)置臨時(shí)加固措施，并作重點(diǎn)安全監(jiān)測(cè)。

3.2.1 施工安排管控措施

按風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高低安排塊體處理施工順序，優(yōu)先進(jìn)行高風(fēng)險(xiǎn)塊體施工，稍緩進(jìn)行中風(fēng)險(xiǎn)塊體施工，擇機(jī)進(jìn)行低風(fēng)險(xiǎn)塊體施工。

泄洪洞出口邊坡地形陡峻，交通困難，為了便于材料運(yùn)輸、加快塊體施工進(jìn)度，在優(yōu)先考慮高風(fēng)險(xiǎn)塊體的前提下，共設(shè)置3條施工支洞：① 左高1號(hào)

施工支洞承擔(dān)D2區(qū)塊體施工；

② 左高2號(hào)施工支洞承擔(dān)D1，D2區(qū)塊體施工；③ 泄7號(hào)施工支洞承擔(dān)D3，D4區(qū)塊體施工。

通過設(shè)置施工支洞，可將施工設(shè)備和材料快速運(yùn)抵至環(huán)境邊坡，再輔以施工便道、鋼棧橋、鋼爬梯和纜索吊等手段，可加快高風(fēng)險(xiǎn)塊體處理施工進(jìn)度，有效管控安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 臨時(shí)加固管控措施

環(huán)境邊坡塊體一般位于強(qiáng)卸荷帶內(nèi)，自身穩(wěn)定性差，在錨固過程中，鉆孔機(jī)械的擾動(dòng)可能引起塊體失穩(wěn)。為降低塊體施工期安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)和中風(fēng)險(xiǎn)塊體，在施工前采取臨時(shí)加固措施：對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)塊體，設(shè)置縱橫向鋼絲繩進(jìn)行“兜錨”，縱橫向間距0.5～1.0 m，鋼絲繩交點(diǎn)及端點(diǎn)設(shè)置鋼絲繩錨桿固定；對(duì)于中風(fēng)險(xiǎn)塊體，設(shè)置GPS2型主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行“包裹”。

3.2.3 安全監(jiān)測(cè)管控措施

為監(jiān)測(cè)塊體在施工期和運(yùn)行期的安全狀況，按塊體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高低進(jìn)行分級(jí)監(jiān)測(cè)：對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)塊體，采用儀器進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)；對(duì)于中、低風(fēng)險(xiǎn)塊體，則以巡視檢查為主。塊體安全監(jiān)測(cè)措施主要有以下3種。① 加固措施監(jiān)測(cè)：對(duì)千方級(jí)以上塊體采用錨索測(cè)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)百方級(jí)塊體采用錨桿應(yīng)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。② 深部變形監(jiān)測(cè)：對(duì)可能存在深部變形的重點(diǎn)塊體，采用多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。③ 人工巡視檢查：針對(duì)邊坡表面裂縫、滑塌等變形跡象進(jìn)行定期巡視檢查。

4 結(jié) 語

（1） 烏東德水電站泄洪洞出口相關(guān)建筑物已施工完成，施工過程中未發(fā)生塊體崩塌安全事故，環(huán)境邊坡安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無異常。烏東德水電站全部機(jī)組已于2021年6月投產(chǎn)發(fā)電，至今均運(yùn)行正常。環(huán)境邊坡塊體防治及風(fēng)險(xiǎn)管控有效保障了工程安全。

（2） 環(huán)境邊坡塊體嚴(yán)重威脅工程建設(shè)期和運(yùn)行期安全，可能造成重大人員傷亡或設(shè)備損壞事故、導(dǎo)致工程直線工期嚴(yán)重滯后或影響工程正常運(yùn)行。隨著中國水電工程建設(shè)向地質(zhì)環(huán)境脆弱的西南地區(qū)縱深推進(jìn)，建議在工程選址階段高度重視環(huán)境邊坡問題，在工程建設(shè)階段重點(diǎn)對(duì)環(huán)境邊坡進(jìn)行防治，盡可能消除工程安全隱患。

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（編輯：江 燾，高小雲(yún)）

Research on environmental slope risk assessment and management at spillway tunnel outlet of Wudongde Hydropower Station

DING Gang1，HUANG Xiaoyan1，XIONG Yao1，LIU Ke2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.Wudongde Engineering Construction Department of China Three Gorges Construction Engineering （Corporation） Co.，Ltd.，Kunming 651500，China）Abstract：

The environmental slope at the outlet of the spillway tunnel of Wudongde Hydropower Station was as high as 746 m and with 82 dangerous blocks.There were risks of block collapsing and rolling，seriously threatening the safety of the spillway exit below.According to the different objects affected by the block，the partition control was carried out，the three-dimensional rigid body limit equilibrium method was used to calculate the stability，and pertinent control measures were designed.In order to effectively control the risks of environmental slopes，a quantitative assessment method for the risk of block instability was proposed，the key objects of risk management were clarified，and the block construction sequence was arranged according to the level of risk，measures such as designing construction adit，reinforcing blocks and taking safety monitoring were carried out，which effectively guaranteed the safety of the project.The research results can be a reference for the design and management of environmental slope treatment.

Key words：

environmental slope； block management； quantitative risk assessment； risk management and control； Wudongde Hydropower Station

收稿日期：

2022-06-21

基金項(xiàng)目：

中國三峽建工（集團(tuán)）有限公司技術(shù)服務(wù)/咨詢項(xiàng)目（WDD/0579）

作者簡(jiǎn)介：

丁 剛，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。E-mail：410707291@qq.com