水利水電高陡邊坡工程防護研究

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

一、引言

隨著不可再生能源的開采，我們急需探索新型綠色可再生能源，如風能、核能、水能等。其中我國可開發水電資源蘊含量十分豐富(6.9×108kW)，包括黃河、長江、瀾滄江、怒江、金沙江及雅礱江等水力資源的開發是引領未來水電能源發展的一面旗幟。其中我國西南地區是水資源的富集區，但是自然條件十分惡劣，多為高(低)山峽谷地貌。進行水電能源開發，遇到最嚴峻的問題便是高陡巖質邊坡穩定問題[1]。

水電資源的開發速度遠遠趕不上我們經濟增長速度，近10年來，隨著我國經濟快速發展及對清潔能源強大需求，占全國水力資源2/3的西南地區水電資源開發呈加速上升趨勢。受青藏高原構造隆升影響，西南地區形成河谷深切的高(低)山峽谷地貌，地應力高，巖體卸荷發育，地質災害頻發，且地質結構復雜，地震烈度高，天然岸坡穩定性較差；水利水電工程規模巨大，不可避免地衍生一批復雜邊坡工程是，隨著水能的進一步開發，遇到的邊坡工程的規模也越來越大，一般200～300m級的高壩工程，需要人工開挖邊坡將達到300～500m，開挖邊坡上部還可能存在數百米至千余米自然邊坡，工程高邊坡穩定問題十分突出[2]。本文旨在總結和介紹高陡邊坡工程特點以及工程防護研究，為水電資源開發和基礎設施建設提供一定借鑒。

二、水電工程高陡邊坡問題研究

(一)自然陡坡

岸坡地質條件復雜，穩定條件差。主要表現為岸坡區屬高(低)山峽谷地貌，河水切割侵蝕能力強，形成自然高邊坡；岸坡經歷表生改造階段進入時效變形階段，原巖應力狀態被打破，近平行岸坡方向發生卸荷回彈，表生卸荷裂隙較發育，岸坡崩塌、滑坡等時有發生。

(二)人工開挖邊坡

隨著水電大型項目的推進，遇到的工程巖石力學問題復雜多樣(見表1)。邊坡開挖高度一般從幾十米級至數百米級不等，坡度一般達60°～80°，開挖方量從數萬至數百萬立方米不等，開挖水平深度從數十米到上百米不等，臨空面約束釋放，巖體應力重新調整，卸荷回彈現象較為明顯，岸坡穩定性問題十分嚴峻。

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，作用機制研究不足，工程安全控制難度高。諸如地層巖性、地質構造、開挖技術、錨固支護技術、防滲排水、庫水位驟降、泄洪霧化現象等。

高陡邊坡變形控制關鍵環節是時效變性階段(自重應力作用下)，重視推進巖土體變形理論、巖土與結構相互作用的理論研究，施工過程中進行動態安全監測，及時反饋分析，實現動態信息化施工。根據經驗綜合考慮高陡邊坡變形穩定性控制設計原則：低開口、高清破、緩接坡、強鎖頭及緊固腳等。

三、河谷高陡邊坡應力場條件研究

(一)高山峽谷地貌形成

早更新世川西-藏東地區強烈的差異抬升，導致EW向及或SN向巨大的地勢差，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育的星羅棋布的湖泊與東部之間的單薄分水嶺在強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對河流的侵蝕相當于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，是地殼快速抬升的表現，導致東部河流切穿與西部湖區的分水嶺，區域性侵蝕基準面降低，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，這一階段西部地殼抬升的階段性和河流強烈的侵蝕能力，峽谷下切程度達到5～10mm/a。究其原因，20萬年以來，經歷兩次大的冰期的消融期，豐富的水源是導致峽谷下切的主要原因。

(二)河谷邊坡應力特征及其破壞發育規律

工程實踐已經表明[4-7]，我國河谷應力隨河谷臨空面的距離具有明顯分帶特征(見圖1[3])，研究河谷應力場特征對認識河谷邊坡演化歷史和演化進程以及工程實踐具有重要意義。

河谷邊坡應力場表現為明顯的分區、分帶特點，隨著河谷下切，岸坡側向應力解除，緊接著應力發生重分布，巖體產生向臨空面卸荷回彈的現象。伴隨這一過程，邊坡應力隨著變形狀態不斷調整，最終在一定深度范圍內形成河谷岸坡二次應力分布區[3]。理論上，二次應力區包含應力降低區、應力增高區和原巖應力區，其中對岸坡威脅最大的應力區就是應力降低區。

圖1 河谷應力場分布規律

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

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

(3)原始應力區：距河谷岸坡坡面一定深度范圍內(250～300m)，應力場基本不受河谷下切卸荷影響而保持了原始應力場狀態的區域。

河谷底部的應力具有獨特的規律，存在一個明顯的“高應力包”現象，同岸坡地應力分布規律相似的分帶(區)性。應力降低區范圍一般0～25m，高應力區應力包范圍一般以應力場中σ1不小于25MPa(“巖心餅化”出現的最低應力量級)，應力集中量級25～60MPa不等，深度范圍在30～200m內。

巖質高陡邊坡演化[8]是地殼上升-河谷下切、應力釋放-表生改造作用的一個地質歷史過程。河谷邊坡形成一般要經歷3個階段：表生改造階段、時效變形階段、破壞發展階段。

四、高陡巖質邊坡防護研究

(一)邊坡安全防護

目前，極限平衡分析法求解安全系數有三種理論：強度儲備(即通過降低巖土體強度來提高安全系數)，超載儲備(即通過增大荷載來提高安全系數)，下滑力超載儲備(即通過增大下滑力但不增大抗滑力來求解滑坡推力設計值)。

一旦安全系數達不到儲備要求，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)混凝土抗剪結構措施，(6)錨固措施等。根據[2]文獻表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用最為普遍；削方減載和支擋作為輔助措施配合應用；而混凝土抗剪結構處理一些復雜地質情況取得不錯的效果。

1.排水和防滲、削坡壓腳措施

自90年代末至今，在登錄的117個邊坡信息中，發現其中53%[9]的滑坡發生變形破壞的誘因是水的作用，也有十滑九水之說。為了防治巖土體強度下降，產生超空隙水壓力，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疏干，大大降低孔隙水壓力，提高抗滑力，保證岸坡的穩定。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，提高邊坡穩定性。

當場地允許時，削坡壓腳應是優先考慮的方案。當削坡壓腳難以實施或仍不能滿足設計標準時，需要結合混凝土擋墻、抗滑樁或預灌漿-梁錨結構等方案治理。

2.混凝土抗滑樁

1943年，太沙基[10]開展了活動門試驗，將已屈服土體中的應力傳遞至相鄰穩定介質的這一現象稱之為土拱效應。隨后，Wang和Yen、常保平、王成華、周德培等關于最佳樁間距計算開展大量研究工作。在抗滑樁與滑坡體相互作用機理方面，采用數值模擬方法全面分析了樁土之間作用機理。隨著治理理念的發展，從最初的懸臂抗滑樁到H型抗滑樁、預應力錨索抗滑樁、雙排抗滑樁等。混凝土抗滑樁具備易于操作、經濟實用的特點，尤其當遇到滑面傾角平緩時，能夠更好發揮效果。

3.混凝土沉井

混凝土沉井具備挖土量少、對鄰近建筑物的影響比較小，并且沉井基礎埋置較深、穩定性好、能支承較大的荷載，已廣泛應用于橋梁、煙囪、水塔的基礎。減壓沉井[12]是一種混凝土框架結構，施工中一般可分成數節進行。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，同時也具備擋土墻的作用。如天生橋二級水電站左壩肩下游邊坡進入時效階段，采用沉井抗滑+坡面保護+排水的支護方案，有效控制邊坡的穩定。

4.預應力錨索地梁

預應力錨索地梁[13]的組成有框格梁體系和預應力錨索兩部分構成?；炷恋亓簩麦w表層坡體起保護作用并增強坡體的整體性，防止地表水滲入和坡體的風化。預應力錨索為主動防護措施，錨索把預應力傳遞到框架梁體系上，然后通過框架梁體系傳至坡面上，保證預應力錨索提供抗力的均勻性、連續性及整體性，達到完全穩固邊坡的目的。

表2 預應力錨索框架研究進展

5.深埋混凝土抗剪結構

抗剪置換洞采用坡內施工，治理的深度不受結構體本身的限制，對處置岸坡深部不利結構面，控制的岸坡穩定發揮不可替代的作用。技術特點是針對性強，實施難度小。經過地質勘察，一旦發現選址區存在深層軟弱結構面或斷層時，優選抗剪置換洞方案，該技術適用于結構面上下盤有堅硬完整巖體的情況。針對可能發生深層滑動的結構面上、下盤均為堅硬完整巖體時，利用混凝土或鋼筋混凝土置換軟弱結構面上軟弱土層。

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

(二)邊坡生態防護

隨著我國《水土保持法》的頒布和實施，“生態植物修復技術”方案研究得到了社會各界認識的認可，隨著經濟快速發展，以及人們對環境保護投入，對生態植物修復技術的研究有重大的意義。

“生態植物修復技術”[20]指的是在工程建設中采用相關的生態植物(如不同的喬、灌、草、藤等)，根據一定比例在特定環境條件下混合配置后，對開挖或填方所形成的邊坡進行植被恢復的一種綜合技術應用方案，它包含了綠化景觀、固土保水、防止淺層滑坡和塌方等生態環境保護”。目前，常選用“普通綠化”、“普通噴播”、“掛網噴播”或“香根草技術”[20-22]等。其中，鋪貼草皮、普通噴播以及掛網噴播是可以達到綠化景觀的目的技術，對比施工工藝和成本，前兩種有明顯的優勢。而“香根草技術”具有抗滑護坡和水土保持的作用；因此，香根草技術不僅能達到恢復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、結語

我國水電工程工程大多修建于高山峽谷之中，自然谷坡高陡，工程地質條件復雜，地應力水平高、巖體卸荷強烈，天然條件下穩定性較差；工程邊坡具有開挖高、坡度陡、體量大、安全控制難的特點。

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

(2)河谷邊坡應力場表現為明顯的分區、分帶特點，隨著河谷下切，岸坡側向應力解除，緊接著應力發生重分布，巖體產生向臨空面卸荷回彈的現象。其中將岸坡應力進行區劃分為應力降低區、應力增高區和原巖應力區。河谷底部的應力具有獨特的規律，存在一個明顯的“高應力包”現象。巖質高陡邊坡演化是地殼上升-河谷下切、應力釋放-表生改造過程。

(3)水利水電高陡邊坡防護從兩個方面著手，即為安全防護、生態防護。目前，針對不同地質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、預應力錨索等)方案；針對擬建工程邊坡深部存在不穩定軟弱結構面或斷層，考慮選用地下抗剪洞結構措施。隨著生態文明建設步伐的推進，“生態植物修復技術”慢慢被提上日程。