西北某水電站高邊坡危巖穩定性分析及防治措施研究

馬國文

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 研究區概況

研究區上距水電站高壩壩址7.5 km，距引水隧洞進水口約2.9 km，右岸布置導流工程，閘頂高程1 654 m。閘址區河道順直，流向N25E，兩岸山體雄厚，相對高差數百米，河谷呈略為開闊的“V”型縱向谷，左岸為順向坡(圖1)，地形較陡，斜坡坡度在40～65之間，平均坡度約51°；右岸為反向坡(圖2)，地形總體為下陡-中緩-上陡，坡體前部1 810 m高程以下平均坡度約60°，1 810～2 130 m高程段較緩，平均坡度約39°，而2 130 m高程以上斜坡平均坡度約44°。正常蓄水位1 646 m時，水面寬127～147 m。閘址下游左岸發育有一條大奔流溝，溝床深切，基巖裸露，常年流水，溝口有洪積扇堆積。閘址兩岸無階地及漫灘分布，兩岸沖溝發育短淺。

圖1 閘址左岸地貌 圖2 閘址右岸地貌

閘址區出露地層巖性主要為三疊系上統(T3)的深灰色-灰色變質砂巖、板巖，兩者常以互層狀產出。受強降雨影響，研究區內斜坡上部發生過危巖崩落現象，落石砸入下方的構筑物內。由于研究區內危巖位置高，破壞性大，對水電站的安全構成極大威脅，因此需對研究區內危巖進行詳細調查，為有效防治措施提供依據。

2 邊坡危巖發育分布特征

研究區為深切峽谷地形，兩岸邊坡高陡，植被發育，險惡的自然環境限制了調查人員的深入。因此，我們引入非接觸式測量技術，采用“人工現場調查+無人機遙感航拍”相結合的新調查方法對研究區危巖發育分布情況進行詳細調查。無人機遙感技術是一種快速發展的新興航測技術，以其風險小、成本低、機動靈活等特點被廣泛地應用于各種環境下的地質災害調查中，并取得了較好的成果[1-3]。

通過遙感影像對研究區危巖進行解譯，結合人工現場調查，共識別統計危巖35個，其中，閘址左岸邊坡危巖18個，右岸邊坡危巖17個。分析表明，研究區內危巖以傾倒式變形破壞模式為主，共18個，占危巖總數51%，該類危巖主控因素為后緣傾坡外結構面；其次為滑移式，共12個，占總數34%，此類危巖主控因素為底部緩傾坡外結構面。危巖類型以危巖體集中發育的危巖帶為主，占總數88%，可知研究區危巖總體上呈零星分布，局部為集中發育的特征。

研究區邊坡范圍較大，為了合理評價危巖對工程的影響程度，更好的進行有效防治，對閘址邊坡危巖按以下兩個原則進行分區評價：(1)從危巖威脅范圍出發，根據范圍內不同水工建筑進行分區，考慮危巖對不同水工建筑物的影響；(2)危巖發育分布特征，如巖體結構、方量、破壞模式及穩定性等。根據該原則將左岸邊坡分為Ⅰ、Ⅱ兩個大區(圖3)，右岸邊坡分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個大區(圖4)。各個分區危巖發育分布特征如下說述。

2.1 閘址左岸

2.1.1 Ⅰ區危巖特征

Ⅰ區危巖分布于壩肩區和壩前區，危巖發育高程1 690～1 780 m，右側以壩肩區上游約200 m小型沖溝左側岸坡為界，左側以壩肩處沖溝右側岸坡為界，整體坡度非常陡峭，整體坡度55°～85°。區內有危巖帶8處，集中發育于植被稀少、基巖裸露位置。

根據破壞后影響的區域不同，將一區分為了兩個亞區(見圖3)：

圖3 閘址左岸危巖分布圖 圖4 閘址右岸危巖分布圖

I1亞區發育3處危巖帶，危巖帶規模在500～2 000 m3不等，總規模約3 858.8 m3，受多組結構面切割，巖體在卸荷回彈下更為破碎，使巖體下部和兩側易產生臨空面，在外部因素的影響下易向坡外產生傾倒式破壞。

I2亞區發育5處危巖帶，危巖帶規模在40～1 000 m3之間，其中3處危巖受中～陡傾結構面和兩組陡傾結構面切割，形成不利組合塊體，在外力作用下易產生傾倒式破壞，規模約2 153 m3，占比93.0%；另外2處下部局部臨空，且裂隙較為發育，易發生墜落式破壞，規模約161.1 m3。

2.1.2 Ⅱ區危巖特征

Ⅱ區危巖分布于壩后區，危巖發育高程1 700～1 900 m，右側以壩肩處沖溝右側岸坡為界，左側以壩肩下游約300 m處沖溝右側岸坡為界。該區地形陡峭，坡度可達55°～70°，巖體風化卸荷強烈，節理裂隙較發育，巖體被結構面切割形成臨空面，易發生破壞。區內主要發育2組結構面：(1)J1：N72°W/NW∠30°、(2)J2：N68°W/NE∠71°。

Ⅱ區主要發育10處危巖帶，規模大都集中在200～1 000 m3之間，最大規模達2 000 m3，其中8處危巖受中～陡傾結構面及兩組陡傾結構面切割，形成不利組合塊體，易產生傾倒式破壞，總規模約5 834.1 m3，占比約91.3%；另外2處下部局部臨空，且裂隙較為發育，易發生墜落式破壞，總規模約558.7 m3。

2.2 閘址右岸

2.2.1 Ⅰ區危巖特征

Ⅰ區危巖分布于閘址下游，危巖帶發育規模48～1 000 m3不等，下側以1 630 m高程為界，上側以2 700 m高程為界，左側以閘址下游導流洞出口為界，右側以閘址所在沖(干)溝左山脊為界，整體坡度55°～75°。區內危巖集中發育于植被稀少，基巖裸露的位置。這些部位巖體風化較為強烈，且卸荷回彈較明顯，在反傾坡內層面以及中～陡傾坡外結構面的切割下表部易發生階梯狀滑移式破壞，根據現場及無人機解譯，區內共發育5處，其中危石群1處，危巖帶4處。危巖集中發育于1 685～1 829 m高程之間。

2.2.2 Ⅱ區危巖特征

Ⅱ區危巖分布于閘址右岸正上方，危巖帶規模200～3 900 m3不等，上側以2 700 m高程為界，左側以閘址所在沖(干)溝左山脊為界，右側以閘址上游約50 m處沖溝右山脊為界，2 000 m高程后以兩支溝中部山脊為界，整體坡度50°～80°。在坡度較低位置，巖體在各組結構面的切割下表部易產生階梯狀滑塌式破壞，而坡度陡位置易產生傾倒式破壞或墜落式破壞。Ⅱ區內危巖共計7處，其中孤石1處，危巖帶6處。危巖集中發育于1 720～1 940 m高程內，極個別危巖發育位置較高，發育高程在2 630 m高程附近。

2.2.3 Ⅲ區危巖特征

Ⅲ區危巖分布于閘址上游庫區內，危巖帶規模200～1 250 m3不等，下側以1 646 m水庫水位線為界，上側以2 700 m高程為界，左側以閘址上游約50 m處沖溝右山脊為界，2 000 m高程后以兩支溝中部山脊為界，右側以閘址上游約200 m處沖溝右山脊為界，整體坡度55°～80°。在坡度較低位置，巖體易產生階梯狀滑塌式破壞，在較陡位置易產生傾倒式破壞。Ⅲ區內危巖共計5處，均為危巖帶，危巖集中發育于1 720～1 749 m高程、2 216～2 544 m高程內。

3 危巖穩定性分析

3.1 定性分析

根據危巖發育分布特征，分析危巖穩定性的主控因素，選取主控結構面、巖體切割狀態、結構面張開程度及地形坡度四個因子為評價指標，將危巖穩定性分為較差、差、極差三個定性等級，建立滑移式、傾倒式及墜落式危巖穩定性分級標準，并對區內危巖進行相應評價。

結果可知，總體上看，閘址區邊坡發育的35處危巖中，穩定性較差13個，左岸5個，右岸8個；穩定性差的17個，左岸9個，右岸8個；穩定性極差的5個，左岸4個，右岸1個，研究區危巖穩定性以差為主，其次為穩定性較差。從分區上來看，左岸I區危巖中，I1亞區內穩定性差2個，穩定性較差1個；I2亞區內穩定性差2個，極差3個；Ⅱ區內穩定性差5個，較差4個。右岸I區內主要為穩定性差，共3個，其余分別1個；Ⅱ區和Ⅲ區危巖都是穩定性較差和穩定性差，分別為4個和3個、3個和2個。

在這些影響因子中，邊坡坡度對危巖穩定性影響較大，邊坡越陡，穩定性越差。閘址區兩岸邊坡整體高陡，受河流深切陡傾坡外結構面發育。邊坡危巖多為半確定性～確定性塊體，穩定性多為差～極差，易以傾倒式、滑移式失穩。局部坡度稍緩位置，巖體相對臨空，裂隙局部貫通，危巖多成半切割狀態，穩定性多較差。

3.2 定量分析

為進一步闡明危巖穩定性，在定性評價的基礎上，從定量計算的角度去評價危巖的穩定性，一方面可以與危巖穩定性定性分析相互校驗，另一方面可為危巖的防治設計提供一定的數據。參考相關資料[4-5]，對閘址區內各類危巖的不同工況分別進行穩定性計算。評價標準見表1，K為計算的穩定性系數。

表1 危巖穩定性評價標準

根據相應的公式，對閘址區危巖進行穩定性計算，區內典型危巖結果如表2。可知，閘址區危巖在天然工況下基本上處于欠穩定和基本穩定；暴雨工況下，巖體穩定性降低，基本上處于欠穩定，少量處于不穩定；地震工況下，都處于欠穩定及以下，需要相應的防護。

表2 典型危巖穩定性計算結果

4 危巖防治措施建議

分析研究區邊坡危巖分布特征，將邊坡分為壩前區、壩肩區、壩后區。結合危巖穩定性分析及已有的防治工程，認為防治措施應以分區為基本單元進行防治，對各分區提出了具體的防治措施建議如下：

4.1 閘址左岸危巖

壩前區危巖帶發育高程均在1 690 m高程以上，穩定性以較差～差，危巖失穩后能量為1 800～2 700 kj，沖擊力較強，威脅壩前庫區，危險性中～大。該區已設置有被動防護網和主動防護網，防護效果較好且防護措施未損壞，加強巡視即可。

壩肩區單體危巖方量一般小于10 m3，發育高程均在1 680 m以上，穩定性差～極差，危巖失穩后能量較大，除W4約為800 kj，其余4處均大于2 000 kj，沖擊力較強，威脅對象為壩肩，危巖危險性為大。該區已設置有防護措施，加強巡視即可。

壩后區危巖發育高程較高，最大高程可達1 970 m，但由于危巖帶中巖石塊體體積較小，故危巖失穩后動能一般不超過2 000 kj，僅W9大于2 000 kj，加之威脅對象為壩后區，整體危險性小～中等。該區同樣已設置防護網，但已有防護措施未對W10進行防護，其破壞后能量小于2 000 kj，建議在W10下方1 720 m高程附近補充設置被動防護網，其余地方加強巡視。

4.2 閘址左岸危巖

壩前區危巖發育體積較小，發育高程1 690～1 706 m高程，穩定性差～極差，危巖失穩后能量1 000～2 000 kj，沖擊力較強，威脅壩前庫區，危險性大，建議設置被動防護網。

壩肩區危巖方量約200 m2，發育高程均在1 690～1 715 m高程，穩定性較差～差，危巖失穩后能量1 000～2 000 kj，僅W1、W9小于1 000 kj，沖擊力較強，威脅對象為壩肩，危巖危險性中等～大，建議清除坡表孤石并設置被動防護網，在下方壩肩設置警示標志。

壩后區危巖方量15 m2，發育高程較低，穩定性差，危巖失穩后動能一般不超過100 kj，威脅對象為壩后過道，危險性小～中等，建議設置被動防護網進行防護。

5 結語

本文以西北某水電站閘址區高邊坡危巖為例，通過引入非接觸式測量技術，采用“人工現場調查+無人機遙感航拍”相結合的新調查方法，得到以下認識：

(1)研究區內共識別統計危巖35個，其中，閘址左岸邊坡危巖18個，右岸邊坡危巖17個。危巖以傾倒式破壞模式為主，其次為滑移式。危巖類型以危巖體集中發育的危巖帶為主。

(2)危巖穩定性主要為較差和差，分別為13個和17個，穩定性極差的5個。自然條件下危巖都處于欠穩定和基本穩定狀態；暴雨時，巖體穩定性降低，基本上處于欠穩定，少量處于不穩定；地震工況下，均處于欠穩定及以下，需要相應的防治。

(3)閘址左岸邊坡中，壩前區、壩肩區和壩后區已設置有被動防護網和主動防護網，防護效果較好且防護措施未損壞，僅對個別危巖帶的防護效果較弱(如W10)，建議在W10下方1 720 m高程附近補充設置被動防護網，其余地方加強巡視。閘址右岸邊坡中，壩前區危巖，穩定性差～極差，危險性大，建議設置被動網。壩肩區危巖穩定性較差～差，危險性中等～大，建議清除坡表孤石并設置被動防護網，在下方壩肩設置警示標志。壩后區危巖穩定性差，危險性小～中等，建議設置被動防護網。