高山峽谷區不良地質體堵江風險分析

王周萼 蔡耀軍

摘要：高山峽谷區地質條件復雜，為確保水電工程正常運行，需準確評價不良地質體的堵江風險，以便采取針對性的處理措施。在無人機航拍技術的不良地質體判識方法與堵江風險判識準則的基礎上，對旭龍水電站庫區的不良地質體進行了判識與堵江風險分析。結果表明：庫區分布不良地質體共19處，現狀均穩定，不存在堵江風險;蓄水后，僅17號堆積體可能存在堵江風險，經各種工況計算分析，17號堆積體不會造成堵江。因此，旭龍水電站庫區不存在堵江風險的不良地質體。研究成果對保證旭龍水電站的正常運行具有一定參考價值。

關 鍵 詞：不良地質體; 堵江風險; 判識方法; 判識準則; 旭龍水電站

中圖法分類號： TV221.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.020

0 引 言

不良地質體是指江河兩岸分布的滑坡體、變形體和堆積體[1-3]。滑坡體是指斜坡上的土體或巖體，受水流沖刷、地下水活動及地震等因素影響，沿著一定的軟弱面（帶）向下滑動形成的堆積體;變形體是指斜坡上已存在明顯變形，但未發生整體失穩的巖土體;堆積體是指除滑坡堆積以外的冰川、崩塌、凍融泥石流等各種成因形成的具有一定規模的堆積物。另外，處于高位的潛在不穩定體、緩坡平臺堆積體、地形凸出的破碎斜坡以及陡傾層狀順向河谷等地段也是產生邊坡變形失穩的風險區域。

在水電工程建設中，不良地質體對工程建設有重要影響。水庫蓄水后，不良地質體失穩入庫可能造成堵江，也可能產生高速涌浪摧毀大壩或翻過大壩威脅下游人民生命財產安全。如1963年意大利瓦依昂水庫滑坡，造成2 600余人死亡，滑坡體堵塞了水庫，使大壩和水庫完全報廢;2008年5月12日發生的汶川大地震造成唐家山山體崩塌形成堰塞湖，對下游造成巨大威脅，后經緊張處置，未造成人員傷亡;2018年10月和11月金沙江西藏境內2次滑坡形成堰塞湖，下泄洪水波及到云南境內，導致房屋、公路及跨江橋梁被沖毀，損失嚴重。可見，研究不良地質體的地質條件，進而開展穩定性評價與堵江風險分析，對水電工程正常運行具有十分重要的現實意義。

國內許多學者對不良地質體相關問題進行了比較深入的研究。針對已確定的不良地質體，對工程地質條件、物理力學參數和穩定性分析等方面開展的研究，一般采用人工地形測量、現場地質測繪、勘探及室內外試驗等手段進行[4-7]。對于不良地質體的辨識，尤其是如何快速準確辨識高山峽谷區大范圍的不良地質體，仍然是個全新的課題。

2018年10月和11月金沙江白格滑坡-堰塞堵江事件發生后，為全面排查金沙江上游河段不良地質體安全隱患，國家有關部委組織開展了金沙江上游水電梯級風險評估。筆者有幸參與了水電梯級之一的旭龍水電站風險評估，主要任務是識別庫區不良地質體，進行穩定性評價與堵江風險分析。

在評估工作中，針對庫區地形復雜、交通閉塞、傳統勘察手段難以實施等特點，以無人機航拍獲取高清影像，結合地形、巖性及構造等因素，識別不良地質體并進行穩定性評價，對堵江風險進行分析，成果匯入金沙江上游水電梯級風險評估總報告，并通過了由國內知名院士、大師和專家組成的專家組評審。

本文以上述工作成果為基礎，建立了基于無人機航拍技術的不良地質體判識方法及不良地質體堵江風險判識準則，再現了旭龍水電站庫區不良地質體的堵江風險分析過程，以期為高山峽谷區不良地質體的識別與評價提供一定的借鑒。

1 基于無人機航拍技術的不良地質體判識方法

高山峽谷區地形復雜、溝壑縱橫、交通閉塞，傳統勘察工作困難，不易實地開展不良地質體的辨識工作，基于無人機航拍技術辨識不良地質體具有獨特優勢。相比傳統衛星遙感與常規航拍，無人機航拍具有布置靈活、輕便快捷、地面分辨率高、成本低等優勢。采用無人機飛行平臺攜帶光學攝影設備，從多個不同角度對目標區域進行數據采集，將地形信息轉化為圖像色彩數據，最終以點云數據進行表達，實現地形信息的快速、高效獲取[8-9]。通過無人機航拍判識不良地質體，關鍵步驟包括三維高清影像的獲取和不良地質體的判識。

（1） 三維高清影像的獲取。

首先利用無人機航拍獲取二維影像，然后把二維影像進行一系列處理形成實景三維模型。即通過攝影測量對相鄰影像進行計算，獲得空間上的三維距離信息，亦即通過相鄰影像之間重疊部分的同名點進行影像匹配，獲得相鄰影像之間的視差和深度（距離）信息的一種技術。結合每張影像的位置、姿態信息，然后利用攝影測量技術解算出相鄰影像之間的空間關系，從而處理出三維影像成果。航拍時，可以根據地質的需要設定無人機的航高拍攝出不同分辨率的照片，根據高分辨率照片可以進行精細化建模從而達到毫米級分辨率的三維影像。

（2） 不良地質體的判識。

借助無人機航拍獲取的三維高清影像，經地質專業人員進行影像解譯，識別出目標區域分布的滑坡體、變形體及堆積體等不良地質體[10-11]。該項工作相當于把現場地質測繪搬到電腦上，極大地提高了工作效率，而且能更好把握不良地質體的空間形態。

不良地質體識別后，還需確定其前后緣高程、平面尺寸等幾何信息，有2個途徑：① 在電腦上安裝Acute3D Viewer瀏覽器軟件，該瀏覽器具備查看三維模型影像功能，可以查看三維影像的坐標、高程，并能進行平面距離測量;② 在電腦上安裝南方CASS成圖系統軟件，該軟件具備與Acute3D Viewer瀏覽器軟件相似的功能。

2 不良地質體堵江風險判識準則

不良地質體是否堵江與多個因素有關，主要有穩定性、規模、河谷形態以及失穩模式4個方面。具體到某一不良地質體變形失穩是否可能堵江，需結合多方面因素綜合考量。

（1） 穩定性。

穩定的不良地質體不會變形失穩，不存在堵江風險;穩定性差或不穩定的不良地質體可能失穩下滑造成堵江風險。1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50

（2） 規模。

根據工程經驗及研究，可能導致堵江的不良地質體規模300萬m3以上。

（3） 河谷形態。

寬谷河段不易堵江，“U”型或深“V”型河谷地段易于堵江，且滿足堵江條件的失穩規模可能小于100萬m3[12-13]。

（4） 失穩模式。

失穩模式主要有塌岸與滑坡兩種類型。塌岸型失穩為逐步解體過程，一次性解體方量小，且部分會被江水帶走，不會發生堵江風險;滑坡型失穩方量一般較大，存在堵江風險，這方面有諸多學者進行了研究[14-15]。

3 旭龍水電站庫區不良地質體判識與堵江風險分析

3.1 庫區地質概況

旭龍水電站位于金沙江上游，以發電為主要開發任務，是西電東送骨干電源點之一。電站正常蓄水位2 302.00 m，死水位2 294.00 m，最大壩高213.00 m，裝機容量2 400 MW，水庫長約62.5 km，總庫容8.29億m3，為Ⅰ等大（1）型工程。庫區屬高原高山氣候區，降水量小，多年平均降水量不超過400 mm，蒸發量大，多年平均蒸發量超過1 800 mm。庫區為高山峽谷地貌（見圖1），河谷深切，岸坡陡峻，山頂高程達3 500～5 180 m，河谷切割深度1 000～2 800 m。出露基巖主要為變質巖與巖漿巖，變質巖主要為中元古界雄松群（Pt2x）的含硅質結晶灰巖、絹云石英千枚巖與云母片巖;巖漿巖主要為金沙江蛇綠巖群（DTJ）的基性-超基性巖及其他外來巖塊形成的蛇綠混雜巖，局部有石英閃長巖、花崗閃長巖及輝長輝綠巖出露。第四系堆積體成因類型多樣，有崩坡積、崩積、洪積、冰積、滑坡堆積等，零星分布于岸坡相對平緩地段。區內構造十分發育，主要以南北向斷裂構造為主。基巖場地50 a超越概率10%的水平向地震動峰值加速度為0.20g，對應地震基本烈度為Ⅷ度。庫區岸坡以巖質岸坡為主，一般處于穩定或基本穩定狀態，局部存在崩塌、掉塊等;土質岸坡較少，一般穩定或基本穩定，未見明顯變形跡象。

3.2 庫區不良地質體判識

旭龍水電站庫區植被稀少，巖土層多裸露，有利于無人機航拍作業（見圖2），獲取的影像清晰，滿足不良地質體的辨識要求（見圖3）。按照不良地質體判識方法，確定庫區不良地質體共19處（見圖4）。

3.3 堵江風險分析

對無人機航拍獲取的不良地質體影像數據進行矢量化處理，生成1∶1 000比例地形圖，繪制不良地質體的典型地質剖面，結合三維高清影像，確定不良地質體的基本特征（見表1）。19處不良地質體總方量1.537億m3，單個方量平均約809萬m3;18號體積最小為140萬m3;4號體積最大，為4 650萬m3。不良地質體成因類型多樣，有崩坡積、崩積、洪積、冰積、滑坡堆積等。現狀穩定性判別主要根據高清影像判斷是否存在變形跡象，如裂縫、下錯陡坎等，現狀均為整體穩定，不存在堵江風險。水庫蓄水后，不受庫水影響的不良地質體穩定條件沒有變化，仍將保持原有穩定狀態，不存在堵江風險。受庫水影響的不良地質體有2號、4號、7號、10號、11號、12號、14號、17號共8處。根據不良地質體地質條件及堵江風險判識準則綜合分析，變形破壞以塌岸為主，不會發生堵江風險;個別可能產生滑坡，如17號堆積體，存在堵江風險。為此，以可能產生滑坡的17號堆積體對堵江風險進行分析。

3.4 17號堆積體堵江風險分析

3.4.1 基本地質特征

17號堆積體距壩址約3.8 km，無人機航拍影像如圖5所示。堆積體前緣抵金沙江河床，高程2 186 m左右，順江寬約750 m，后緣高程2 650 m左右，縱向長750～780 m，總面積約40萬m2。堆積體地形總體較陡，平均坡度35°左右。據地表調查與鉆孔揭示，組成物質主要有碎石、角礫及礫砂等碎石土，細粒土很少，碎石巖性主要是石英閃長巖，間夾云母片巖。堆積體平均厚約25 m，體積約1 000萬m3。

堆積體典型地質剖面如圖6所示。2 400 m高程以下下伏基巖為雄松群第三段石榴石云母片巖，2 400 m高程以上及后緣高陡岸坡大面積出露晚三疊系石英閃長巖，兩者之間呈斷層接觸（F6-1）。

從成因分析來看，堆積體的形成是地形與構造兩因素共同作用的結果。堆積體所在的金沙江右岸地形陡峻，第一岸坡坡頂高程3 500～4 000 m，平均坡度在50°以上，多處呈近似直立的陡崖狀，結構面很發育，崩塌、掉塊時有發生，局部比較頻繁，多年來經常發生數十方至數百方規模的崩塌現象，坡底可見大量塊石堆積。

3.4.2 穩定性分析評價

現狀條件下，堆積體無論是整體還是局部均沒有明顯變形跡象，表明堆積體處于整體穩定狀態。堆積體下游側曾經局部失穩形成滑坡，其后緣滑坡壁保留清晰，滑坡體形態完整，表明滑坡時代較近。水庫蓄水后，因堆積體前部已抵河床，分析認為堆積體可能產生牽引式整體低速滑動。穩定性計算采用不平衡推力法，該方法適用于滑面為任意形狀的滑坡，并考慮堆積體中的動水壓力、浮托力、地震等動荷載及各個滑塊不同抗剪強度參數的影響。

影響穩定性計算結果的2個主要因素是地下水水位與滑面抗剪強度。庫區降雨量很小，加之堆積體主要以粗顆粒為主，透水性強，堆積體中地下水位很低，長期觀測表明鉆孔水位與江水位齊平，即使偶有較大降雨，鉆孔水位也未見明顯變化。因此，結合工程經驗，地下水位確定原則：2 302.00 m庫水位條件下，庫水位以上的堆積體無地下水;2 302.00 m水位降至2 294.00 m水位條件下，假定庫水位快速下降，該水位之間的堆積體仍維持2 302.00 m水位;暴雨條件下，堆積體按1/3飽水考慮。這種地下水位的確定方法偏保守，計算獲得的穩定系數相對實際的穩定系數偏低，有利于堆積體的穩定性評價。滑面抗剪強度主要參照堆積體下游側滑坡體的抗剪強度取值，該滑坡體基本穩定，穩定系數處于1.05～1.15之間，按1.05進行參數反演，結合堆積體物質組成并參考其他類似堆積體的抗剪強度，天然狀態下，黏聚力取10 kPa，獲得內摩擦角為29°;飽和狀態下，黏聚力取8 kPa，獲得內摩擦角為26°。計算工況與結果如表2所列。1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50

計算表明：17號堆積體在工況1即現狀條件下整體基本穩定;工況2～5條件下均處于極限平衡狀態;工況6與工況7條件下穩定性進一步下降;表明水庫運行期堆積體可能變形失穩，疊加地震時失穩可能性增大。水庫蓄水、暴雨及地震是影響堆積體穩定的重要因素。

3.4.3 堵江風險分析

根據穩定性分析成果，17號堆積體在水庫蓄水疊加暴雨工況及地震工況時可能產生失穩滑動。

水庫蓄水前，17號堆積體整體穩定，地表無明顯變形跡象，不存在堵江風險。工程建設期，圍堰水位抬升小，對堆積體的穩定性影響微弱，與現狀工況相似，對工程建設影響小。水庫運行期，17號堆積體失穩可能性大，失穩后主要堆積在右岸坡腳附近，河道過水斷面被束窄，不存在堵江風險（見圖7）。

堆積體的典型地質斷面水上面積約17 700 m2，正常庫水位時該處水庫斷面面積約34 600 m2，即使堆積體水上部分全部入江，也僅約占該處水庫斷面面積的50%，不存在堵江風險。

4 結 論

（1） 鑒于高山峽谷區的地形特點，采用無人機航拍獲取三維高清影像，通過影像解譯、地形圖繪制、穩定性評價等環節，辨識不良地質體并進行堵江風險分析，主要工作過程為無人機航拍獲取三維高清影像→影像解譯辨識不良地質體→對不良地質體影像進行矢量化處理→繪制1∶1 000比例地形圖與地質剖面→結合影像評價不良地質體穩定性→針對重點地段進行勘探→堵江風險分析及結論。

（2） 基于無人機航拍技術的不良地質體判識方法與不良地質體堵江風險判識準則，確定旭龍水電站庫區分布不良地質體共有19處，現狀均穩定，不存在堵江風險。水庫蓄水后，11處不受庫水影響的不良地質體仍將保持原有穩定狀態，不存在堵江風險;8處受庫水影響的不良地質體中，有7處為塌岸型失穩，不存在堵江風險，17號堆積體可能產生滑坡型失穩，存在堵江風險。

（3） 根據穩定性分析成果，水庫蓄水前，17號堆積體整體穩定，不存在堵江風險;工程建設期，圍堰水位抬升小，對17號堆積體影響微弱，不存在堵江風險;水庫運行期，17號堆積體失穩可能性大，失穩后主要堆積在右岸坡腳附近，不會造成堵江。因此，旭龍水電站庫區不存在堵江風險的不良地質體。

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（編輯：劉 媛）

Risk analysis of river blocking by unfavorable geological bodies in alpine-gorge area：

case of Xulong Hydropower Station

WANG Zhou′e1，CAI Yaojun1，2

（1.Changjiang Institute of Survey Technical Research，The Ministry of Water Resources，Wuhan 430011，China; 2.CISPDR Corporation，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The geological conditions in alpine-gorge area are complex.To ensure the normal operation of hydropower projects，it is necessary to accurately evaluate the river blocking risk by unfavorable geological bodies，so that targeted treatment measures can be taken.Based on the identification method of unfavorable geological bodies and the risk identification criteria of river blocking by UAV aerial photography，the identification and river blocking risk analysis of unfavorable geological bodies in the Xulong Hydropower Station reservoir area were carried out.The results showed that there were 19 unfavorable geological bodies in the reservoir area，whose current situations were stable，and there was no risk of river blocking.After water storage，only the No.17 accumulation body may had the risk of blocking the river.Through calculation and analysis of various working conditions，the No.17 accumulation body would not cause river blocking.Therefore，there was no unfavorable geological body that would block the river in the reservoir area of Xulong Hydropower Station.The research results have certain reference value for ensuring the normal operation of Xulong Hydropower Station.

Key words：

unfavorable geological body;identification method;identification criteria;risk of blocking river;Xulong Hydropower Station1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50