蔣 明，李 偉，黎 景

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

因危巖體穩(wěn)定性、施工條件差，且對施工期和運行期下方建筑物及人員安全影響較大，危巖體治理已經(jīng)成為水電工程中的重要技術(shù)問題。

對危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，是消除這些災(zāi)害隱患必不可少的工作[1]。目前，危巖體穩(wěn)定性評價主要有定性評價、半定量評價和定量計算方法。特大型危巖體因其范圍與方量巨大，各部位邊界條件與失穩(wěn)模式等不同，評價方法存在差異。因此，對于特大型危巖體，宜按潛在失穩(wěn)模式進(jìn)行分區(qū)，并相應(yīng)地進(jìn)行穩(wěn)定性評價[2]。李會中等[3]、王恒等[4]、王敬勇等[5]、蔣文明等[6]、胡顯明等[7]、程宇等[8]依托實際工程項目對危巖失穩(wěn)破壞模式、靜力計算公式進(jìn)行了分析。

采取何種措施治理危巖體，是水電工程建設(shè)安全推進(jìn)中的關(guān)鍵課題。王敬勇等[5]、蔣文明等[6]分別就街需水電站、三峽庫區(qū)工程的危巖體處理措施進(jìn)行了研究。

我國西部某水電站壩址左右兩岸均不同程度地發(fā)育危巖，尤其左岸危巖體以高度卸荷風(fēng)化破碎為主要特征，厚度大，根本無法全部挖除，此外危巖體比較分散，分布的高程比較高，邊坡陡峻，危巖體處理所需的設(shè)備、材料運輸困難，不易施工。因此，結(jié)合壩址區(qū)地形地質(zhì)特點，根據(jù)危巖體失穩(wěn)模式、穩(wěn)定性評價成果以及工程施工的便宜性，研究提出有針對性的防治方案是非常必要的。

1 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

壩址左岸邊坡陡峻，山體雄厚，高高程地形相對平緩，邊坡沿山脊呈現(xiàn)為“巴掌狀”收攏特征；低高程地形較陡，山梁呈雁形排列，與溝槽相間發(fā)育，坡表地形完整性較差。右岸為陽坡，坡度較左岸更緩，總體上緩下陡，整體較順直，平行發(fā)育8處傾NW向的陡崖，坡度一般為65°～80°。

壩址區(qū)雜谷腦組地層巖性組合較為復(fù)雜，兩岸邊坡整體上以薄～中厚層狀變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖、大理巖互層為主，左、右岸坡腳和左岸中高程處偶夾薄層狀炭質(zhì)板巖，壩址區(qū)巖體的一個特點就是軟巖夾層多。

壩址區(qū)正常巖層總體產(chǎn)狀N10°～40°W/NE∠50°～70°，巖層走向較穩(wěn)定，與河流走向基本平行。在左岸，巖層中緩傾坡內(nèi)屬逆向坡，整體上隨高程的逐步遞增，巖層傾角呈逐步下降趨勢；在右岸，巖層中陡傾坡外屬順層坡，巖層傾角多在50°～70°，且坡腳和高高程處傾角相對較陡。

壩址區(qū)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面發(fā)育，其中NW～NNW、NNE～NE向延展的兩組共軛剪節(jié)理極為發(fā)育，與層面組合往往控制著危巖發(fā)育的邊界和規(guī)模。兩岸邊坡中發(fā)育的表生結(jié)構(gòu)面的主要類型為風(fēng)化裂隙、卸荷裂隙、層內(nèi)張裂及滑移拉裂隙等。

壩址區(qū)出露變質(zhì)砂巖、大理巖、砂質(zhì)板巖、碳質(zhì)板巖等，由于巖石堅硬程度不同，抗風(fēng)化能力有所差異。坡表巖體由于不同巖性呈層組合展布，因此在地形上巖石差異性風(fēng)化表現(xiàn)顯著，常在空間上呈陡緩交替的階坎狀，甚至局部發(fā)育較大凹巖腔，致使坡表危巖演化過程如圖1所示[9]。

圖1 差異性風(fēng)化危巖演化示意圖

2 危巖體評價方法

2.1 定性評價

通過對危巖穩(wěn)定性影響因素分析，選取地形坡度、控制性結(jié)構(gòu)面傾角、控制性結(jié)構(gòu)面完備程度(巖體切割狀態(tài))以及結(jié)構(gòu)面張開程度4個穩(wěn)定性判別指標(biāo)為穩(wěn)定性分級指標(biāo)，通過定性分析將危巖體穩(wěn)定性分為不穩(wěn)定、穩(wěn)定性差、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定等4個分級[10]。

2.2 半定量評價

危巖體穩(wěn)定性半定量評價法是通過危巖體結(jié)構(gòu)面特征、結(jié)構(gòu)面不利組合、變形特征、地面坡度及植被發(fā)育等因素，在地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上總結(jié)已有工程經(jīng)驗及采取數(shù)值計算方法提出的一套半經(jīng)驗性危巖體穩(wěn)定性評價方法。根據(jù)計算總分將危巖體分為不穩(wěn)定(小于25分)、穩(wěn)定性差(25～40分)、基本穩(wěn)定(40～65分)、穩(wěn)定(大于65分)等4個分級。

2.3 定量計算方法

目前，可將危巖概化分為滑塌式危巖、傾倒式危巖和墜落式危巖3類。當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾向山外，上覆蓋體后緣裂隙與結(jié)構(gòu)面貫通，在動水壓力和自重力作用下，緩慢向前滑移變形，形成滑塌式危巖；當(dāng)形成巖腔后，上覆蓋體重心發(fā)生外移，在動水壓力和自重作用下，上覆蓋體失去支撐，拉裂破壞向下傾倒，形成傾倒式危巖；多組結(jié)構(gòu)面將巖體切割成不穩(wěn)定的塊體，當(dāng)?shù)撞堪记话l(fā)育時，使局部巖體臨空，不穩(wěn)定塊體發(fā)生崩塌，進(jìn)而使上部巖體失去支撐，卸荷作用加劇，形成切割巖體的結(jié)構(gòu)面，從而形成墜落式危巖。

危巖體穩(wěn)定性系數(shù)劃分為4級，分別對應(yīng)穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定性差和不穩(wěn)定。危巖體穩(wěn)定程度等級劃分如表1所示。

表1 危巖體穩(wěn)定程度等級劃分

3 危巖體穩(wěn)定性評價

3.1 危巖體發(fā)育特征

壩址左岸為逆向坡，且坡度相對較陡，淺表生改造作用活躍，巖體破碎松弛程度較高，因而左岸危巖分布較為廣泛，左岸邊坡共發(fā)育危巖170處。根據(jù)樞紐布置，壩址區(qū)左岸劃分為壩前區(qū)(Z1區(qū))、壩肩區(qū)(Z2區(qū))、壩后區(qū)(Z3區(qū))及壩后影響區(qū)(Z4區(qū))4個分區(qū)。

壩址右岸邊坡為順層邊坡，巖層傾角與坡角相近，邊坡整體穩(wěn)定性較好；但由于巖層傾角略微波狀起伏，尤其是低高程起伏相對較大，加之一組中陡傾坡外的結(jié)構(gòu)面切割，多處產(chǎn)生局部順層滑動破壞，導(dǎo)致滑塌體后緣巖體臨空，構(gòu)成規(guī)模不等的危巖體。此外，右岸邊坡危巖發(fā)育與人類活動密切相關(guān)，最顯著體現(xiàn)是在鄉(xiāng)間公路或廢棄老公路開挖切腳產(chǎn)生多處危巖體。開挖公路時產(chǎn)生的塊石、碎石等堆積在公路邊沿及下部坡面上，遇暴雨、地震時會對下方工程建筑物及施工人員的安全造成威脅。右岸邊坡共發(fā)育危巖30處。根據(jù)樞紐布置，壩址區(qū)右岸邊坡劃分為壩前區(qū)(Y1區(qū))、壩肩區(qū)(Y2區(qū))和壩后區(qū)(Y3區(qū))。

3.2 典型危巖體穩(wěn)定性分析

3.2.1 滑塌式典型危巖體

當(dāng)?shù)谆嬷卸竷A坡外時，危巖的穩(wěn)定主要靠結(jié)構(gòu)面的阻滑和巖橋的鎖固。計算模型如圖2所示，按單位寬度考慮，其穩(wěn)定性按下式計算：

圖2 滑塌式危巖計算模型(滑移型)

式中，F(xiàn)為危巖穩(wěn)定性系數(shù)；c為后緣裂隙粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；φ為后緣裂隙內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°)；其余注示詳見計算模型(圖2)。

選取了3個滑塌式典型危巖體進(jìn)行半定量評價和定量計算，計算結(jié)果如表2所示。

表2 滑塌式典型危巖體穩(wěn)定性分析成果

3.2.2 傾倒式典型危巖體

計算模型如圖3所示，按單位寬度考慮，不考慮基座抗拉強(qiáng)度，其計算公式如下：

圖3 傾倒式危巖計算模型

選取了3個傾倒式典型危巖體進(jìn)行半定量評價和定量計算，計算結(jié)果如表3所示。

表3 傾倒式典型危巖體穩(wěn)定性分析成果

3.2.3 墜落式典型危巖體

對后緣有陡傾裂隙的懸挑式危巖按下列兩式計算，穩(wěn)定性系數(shù)取計算結(jié)果中的較小值，穩(wěn)定性計算模型如圖4所示。

圖4 墜落式危巖穩(wěn)定性計算模型(后緣有陡傾裂隙)

式中，ζ為危巖抗彎力矩計算系數(shù)，依據(jù)潛在破壞面形態(tài)取值，一般可取1/6～1/12，當(dāng)潛在破壞面為矩形時可取1/6；flk為危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，根據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度乘以0.2的折減系數(shù)確定；其他注示詳見計算模型(圖4)及前文。

選取了3個墜落式典型危巖體進(jìn)行半定量評價和定量計算，計算結(jié)果如表4所示。

對比表2～表4定量計算與半定量評價結(jié)果，就滑塌式危巖而言，危巖在天然工況下處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下處于極限平衡狀態(tài)(穩(wěn)定性差)；而在地震(偶然工況下)處于穩(wěn)定性差或不穩(wěn)定狀態(tài)，符合當(dāng)前對壩址左岸邊坡危巖體穩(wěn)定性的基本判斷。同時，從半定量分析判別結(jié)果來看，危巖穩(wěn)定性與暴雨(短暫)工況下穩(wěn)定性判別基本保持一致。

對于傾倒式及墜落式危巖而言，危巖在天然狀態(tài)下大部分處于基本穩(wěn)定或穩(wěn)定狀態(tài)，而在暴雨或地震工況下處于穩(wěn)定性差或不穩(wěn)定，且從數(shù)值上來說，暴雨及地震工況下穩(wěn)定性折減系數(shù)明顯大于滑塌式危巖，存在較大的誤差。從半定量評價結(jié)果來看，危巖穩(wěn)定性與暴雨工況下穩(wěn)定性判別基本保持一致。

綜上，半定量評價與定量計算在暴雨工況下穩(wěn)定性基本保持一致，但墜落及傾倒式危巖不同工況下穩(wěn)定性系數(shù)差異較大，實際判定過程中應(yīng)以半定量評價為主，輔以定量計算對危巖體做出穩(wěn)定性評價。

4 危巖體防治設(shè)計

4.1 危巖體防治總體目標(biāo)及原則

根據(jù)危巖體分布特征、可能失穩(wěn)的模式、穩(wěn)定性情況及失穩(wěn)后的危害程度等因素，確定危巖體防治總體目標(biāo)及原則如下：

(1)總體目標(biāo)：滿足施工期和運行期安全要求。

(2)總體原則：全面、安全、有效、自上而下、封閉或覆蓋優(yōu)先。

(3)邊坡開口線以內(nèi)或開口線以外系統(tǒng)支護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的危巖體，結(jié)合開挖或系統(tǒng)支護(hù)予以處理，無需單獨治理。左、右岸壩肩等重要部位及交通通道上部及附近的松動、拉裂巖體及危石采取定點全部清理。

(4)在工程開挖邊坡范圍外的危巖體處理，可根據(jù)實際情況分別采用清除、主動或被動防護(hù)網(wǎng)攔擋、加固及監(jiān)測等手段。

4.2 治理方案選擇

危巖體治理主要為防治結(jié)合，主動防護(hù)網(wǎng)、被動防護(hù)網(wǎng)、擋渣墻、安全監(jiān)測等措施為“防”；清撬爆破、錨桿加固、固結(jié)灌漿等措施為“治”。經(jīng)綜合分析，對危巖體治理方案分成5類：

第Ⅰ類：清除。針對危巖體分布范圍較小，清除后不會形成次生危巖體的情況。

第Ⅱ類：開挖清除+錨固。針對危巖體穩(wěn)定性差且成片分布，開挖施工方便，開挖后坡面仍存在不利組合塊體的情況。

第Ⅲ類：清坡+噴錨支護(hù)(或預(yù)應(yīng)力錨索、混凝土框格梁)。針對危巖體位于高陡邊坡，穩(wěn)定性差，危害性等級高且開挖施工難度大的情況。

第Ⅳ類：主動防護(hù)網(wǎng)+隨機(jī)錨固。針對危巖體位于高陡邊坡，穩(wěn)定性差但危害性等級低的情況，主要是坡面隨機(jī)掉塊問題。

第Ⅴ類：被動防護(hù)網(wǎng)或擋渣墻防護(hù)。針對危巖體分布范圍廣，不直接危害工程施工、運行安全或危害性等級低的情況，主要是坡面隨機(jī)掉塊、滾石、落石、浮渣等問題。

壩址左岸邊坡為逆向坡，且坡度相對較陡，淺表生改造作用活躍，巖體破碎松弛程度較高；危巖體以穩(wěn)定性差為主，危巖體危害性等級以Ⅱ、Ⅲ等為主。由于左岸邊坡尚處于較為強(qiáng)烈的變動期，且邊坡高陡，無消能緩臺，因此危巖失穩(wěn)后對工程有較大影響，直接威脅著圍堰、大壩等主要建筑物的施工安全及運營安全。施工期人員、設(shè)備密集，施工周期長，故對此區(qū)域的危巖體采取較強(qiáng)的處理手段；主要為Ⅱ類和Ⅲ類處理措施，系統(tǒng)開挖支護(hù)范圍外危巖體以Ⅲ類處理措施為主，對危害等級低的危巖體采用Ⅳ類、Ⅴ類處理措施。

壩址右岸邊坡較為平直，坡度較緩，其坡角均小于巖層傾角，前緣缺乏臨空面，故危巖數(shù)量較少，僅兩側(cè)由于沖溝切割形成少量危巖；危巖體以穩(wěn)定性差及基本穩(wěn)定為主，危巖體危害性等級以Ⅱ、Ⅲ等為主。右岸永久建筑物分布較多，運行期設(shè)備、人員密集，右岸邊坡在不同高程分布有公路，攔擋條件較好；故對此區(qū)域的危害性等級高的危巖體以Ⅱ類和Ⅲ類處理措施，對危害等級低的危巖體采用Ⅳ類、Ⅴ類處理措施。

除每個危巖體針對性防治措施外，在樞紐區(qū)邊坡還系統(tǒng)布置了被動防護(hù)網(wǎng)和擋渣墻。采用按高程分層布置、逐級攔擋，左岸邊坡共布置了7道被動防護(hù)網(wǎng)和3道擋渣墻，被動防護(hù)網(wǎng)高差約50～100 m；右岸邊坡共布置了4道被動防護(hù)網(wǎng)和2道擋渣墻，被動防護(hù)網(wǎng)高差約50～130 m。

5 結(jié) 語

在穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)上，根據(jù)危巖體穩(wěn)定性狀況、危害性等級及施工難度，對危巖體提出具體防治建議；同時考慮到危巖體的危害性和施工便宜性，將危巖劃分為多個工程片區(qū)，對各個工程片區(qū)及區(qū)內(nèi)危巖提出以某種防護(hù)措施為主的防治建議。通過不同加固措施的組合，確保危巖體在施工期和運行期的安全，可對類似工程危巖體的防治設(shè)計提供支撐和參考。