索風營Dr2邊坡工程的風險評價指數矩陣法安全分析

劉 湘，劉世煌，王 東，樊一璟，梁勤正，劉后露，4

(1.四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065；2.水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120；3.國網四川綜合能源服務有限公司，四川 成都 611130；4.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概述

水利水電工程是受外部條件制約的復雜工程，由于水文、地質及材料參數等內外部條件本身的隨機性和復雜性，水利水電工程設計在經典力學基礎上與概率統計結合，以既定頻率下的外部條件和材料參數為依據，以不發生建筑物失穩或破壞作為設計要求，在強調建設必要性基礎上，進行技術可行性與經濟合理性比較和相應設計。但是由于風險是絕對的，且與工程建設和運行往往共存，既定概率和既定概率組合并不能含蓋所有可能發生的風險。按工程等級和危害嚴重程度確定的安全儲備，無法反應風險發生的可能性，工程設計既可能偏于安全，也可能在工程建設和工程運行期出現一些事故[1]。

隨著市場經濟的發展，人們更關注投資風險和技術風險的管控，除了提高設計標準外，又引進了風險分析理論。在可行性論證階段借助風險辨識，規避一些重大風險，在建設與運行期，借助風險防控手段實施風險管控，并編制相應應急預案，防止風險擴大。風險管控的范圍正逐步擴大，但目前風險管控仍是設計成果之外的一種輔助安全手段。隨著風險意識的不斷提高以及工程實踐的不斷豐富，在確保工程安全、經濟合理和方便管理的前提下，風險理念能否真正貫穿于工程設計之中，融合于工程等級及安全系數選取之內，風險管控能否與工程設計有機結合，從而使工程設計更科學合理，是水電工程設計工作發展的一個新課題。

索風營電站Dr2危巖體78.5萬m3，自身穩定安全系數1.0552，為基本穩定邊坡，失穩概率較小。但由于危巖體直接威脅下方進水口及中控樓的安全，按不允許失穩邊坡的要求，加固工程耗資2.2億元，歷時10年4個月。該危巖體的處理忽視自穩條件、忽視失穩發生可能性，花費了巨大的時間和財務成本。本文引進風險評價指數矩陣法，在考慮風險嚴重性的基礎上，綜合考慮了勘探深度及風險發生的可能性，把定性分析發展到半定量分析，為工程設計與連鎖類風險分析有機結合做些探索。

2 索風營水電站工程簡介

索風營水電站位于貴州省修文縣與黔西縣交界的烏江干流上，水庫總庫容2.012億m3，裝機600MW，為Ⅱ等工程。水庫正常水位837m，工程由壩高115.8m、壩頂長168.58m的碾壓混凝土重力壩、壩身開敞式溢流表孔、右岸引水系統和地下廠房等主要建筑物組成[2]。

由于第三紀以來地殼的上升運動和強烈的剝蝕與侵蝕作用，河谷兩岸地形陡峻，巖體彈模較高，蓄能條件較好，中等地應力，近臨空面巖體中順河向卸荷裂隙較為發育，強卸荷帶寬20～30m，卸荷裂隙延伸較長，切割較深，最大開口寬1.0～1.5m。受順河向卸荷裂隙和垂直河流向裂隙的切割，再加上T1y3泥巖中軟弱夾層發育，在風化、溶蝕以及重力等作用下，巖體卸荷、崩塌現象發育，影響水工建筑物的布置和施工、運行的安全。

3 Dr2危巖體及其處理

3.1 危巖體概況

勘探查明：右壩肩進水口及中控室上方的灰巖陡崖EL900-1085m中，共發現七條主要裂隙，其中距右壩肩水平距離140m處，發育一條長約160m的L1卸荷裂隙，該裂隙順河流方向發育，產狀N10-20°W、SW，∠85-90°，連通率90%以上，裂隙面平直陡立，卸荷高度180m，切割T1y3泥巖中的J2、J3、J4軟弱夾層(尚未切割J1)，開口上大下小，最大張開寬1.5m，縫內沖填黃色粘土和鈣化物，厚5～50cm，局部鈣化物膠結良好，說明該危巖體沿裂隙面近期無變形及拉裂現象[3- 4]，但該裂隙已使裂隙面前后巖體脫離，與下方泥巖T1y3中的軟弱夾層及上下游沖溝組合，構成Dr2危巖體。危巖體外側為Ⅲ堆積體，堆積體表面為粘土加碎石，下部以塊石為主，物質主要為T1m1薄至中厚層灰巖，塊徑一般大于0.5m，局部可達10m以上，大孤石層理清楚，產狀明顯與周邊巖層產狀不一致，呈假基巖狀分布，為后緣陡壁上松動巖體崩塌和座滑所致[3]。Dr2危巖體方量78.5萬m3，其中約24萬m3被埋于早先滑塌的Ⅲ堆積體內。在右壩肩、進水口、纜機平臺、公路施工過程中，Dr2危巖體有微小變形，Ⅲ號堆積體有壓縮變形跡象。Dr2危巖體與主要裂隙位置如圖1所示，Dr2危巖體及Ⅲ堆積體和軟弱夾層剖面圖如圖2所示。

圖1 Dr2危巖體與主要裂隙位置圖

圖2 Dr2危巖體及Ⅲ堆積體和軟弱夾層剖面圖

3.2 危巖體處理措施

鑒于Dr2危巖體規模大，后緣與完整巖體基本脫離，底部為軟弱泥巖，且發育多條層間擠壓帶，整體穩定性較差，根據地勘資料并綜合分析其與堆積體組成及形成過程，認為：Dr2破壞模式以沿軟弱夾層的剪切座滑和滑移形式為主，Ⅲ號堆積體對Dr2的穩定有利。計算表明在相同持久荷載(自重和土壓力)作用下，L1與J4、J3、J2、J1組合后，其安全系數分別為1.15、1.0954、1.141、1.0166、即L1切斷D1y1與J1組合后，安全系數最小。從安全計，Dr2抗滑穩定計算中假定L1剪斷D1y1與J1相通。

假定L1卸荷裂隙切割J1軟弱夾層，經復核Dr2抗滑穩定安全系數K=1.0552，雖滿足自然邊坡穩定要求，但考慮該邊坡位于進水口及中控樓的上方，Dr2失穩將對工程安全和正常運行產生嚴重連鎖影響，將該邊坡定為2級，再假定L1穿透T1y3泥巖與J1相通，按照2級工程邊坡[K]=1.2的要求，對Dr2危巖體進行下述加固處理[3- 4]：

(1)Dr2地表的裂隙均用混凝士封閉，防止雨水入滲，并設內外排水系統。

(2)L1外側EL1040-1060m采用176根傾角15°的2000kN無粘結錨索加固。

(3)在Dr2下部T1y3泥巖內布置一排6根ф=7.0m深層抗滑樁。

(4)在Dr2下部EL930施工平臺中布置7條錨固洞，穿透L1，澆筑混凝土。

(5)在下部EL930施工平臺聯系大梁內設置傾角15°的2000kN有粘結預應力錨索20根。

(6)對危巖體下游側2- 1倒懸體，貼坡混凝土支撐。

上述處理后Dr2抗滑穩定安全系數為1.2170，滿足規范規定。

加固工作自2003年8月至2013年12月竣工，歷時10年4個月，耗資2.23億元。據Dr2內3臺錨索測力計、3套4點式多點位移計、4支單向裂縫計和8個表面觀測墩，Ⅲ號堆積體內3個水位孔、5套4點式多點位移計和3個表面觀測墩監測[5]，Dr2變位收斂，Dr2內地下水位7m左右，穩定性滿足[K]=1.2的要求[6]。

4 風險評價指數矩陣法

4.1 問題提出

水利水電工程邊坡設計規范定義：工程邊坡為修建水利水電工程形成的、因修建水利水電工程可能影響其穩定以及對水利水電工程安全有影響的邊坡[7]。按此定義，索風營Dr2危巖體在進水口上方約100m，系工程建設前已形成的自然邊坡，雖然該邊坡的失穩將影響工程正常運行及安全，但由于庫水位低于底滑面，水庫蓄水理應不改變這些危巖體的工作環境，對危巖體的安全無多大影響。

拉西瓦水電站的果卜岸坡的穩定，雖威脅進水口安全，但視為自然邊坡的穩定問題[8]，要求安全系數k>1.05；龍羊峽上游近壩庫岸邊坡同樣威脅大壩安全，但仍視為自然邊坡[9]，要求安全系數k>1.05；而索風營Dr2危巖體，卻被視為2級工程邊坡，按[K]=1.2的要求花費10年4個月耗資2.2億元進行了加固處理。從索風營Dr2危巖體與拉西瓦果卜等邊坡的加固處理上可以看到，正確劃分邊坡類別對于合理進行邊坡加固極為重要，由此引出以下3個問題：

(1)天然狀態下巖體邊坡的穩定性及失穩概率是不同的，如何根據危巖體邊坡現狀，合理評價危巖體失穩的可能性？

(2)同一危巖體邊坡失穩，對不同建筑物可產生不同影響，嚴重性有所差異，如何在分析事件嚴重性中合理考慮這種差異？

(3)危巖體邊坡穩定是一個復雜的問題，特別是受勘探條件時間等限制，往往很難查清，不得不留些安全儲備，這些安全儲備在設計中如何考慮？有些邊坡的穩定性對其加固措施不敏感，增加加固措施，安全系數改善不大，這時又如何合理確定安全系數？

4.2 風險評價指數矩陣法

為了提升邊坡加固處理工作的科學性，建議在不同建筑物級別基礎上，引進風險發生可能性及風險造成損失的嚴重性等概念，采用風險評價指數矩陣法，半定量確定工程邊坡穩定的安全標準[10]。

(1)根據邊坡正常工況下自身穩定安全系數計算值確定邊坡失穩可能性等級，見表1。

表1 邊坡失穩可能性等級[7]

(2)根據邊坡失穩后災害嚴重程度確定失穩損失嚴重程度等級，見表2。

表2 邊坡失穩損失嚴重度等級

(3)根據邊坡失穩可能性等級及失穩損失嚴重程度等級查風險評價矩陣指數表確定邊坡風險指數，見表3。

表3 風險評價矩陣指數[10]

(4)根據邊坡風險指數確定邊坡危險等級，見表4。

表4 危險等級[10]

(5)根據建筑物級別及邊坡危險等級確定邊坡安全級別，見表5。

表5 工程邊坡與水工建筑物對照表

(6)按現有規范視邊坡安全級別確定相應抗滑穩定安全系數標準，見表6。其中，若邊坡的破壞風險或其他不確定因素難以確定和查明時，取表中的大值；若邊坡安全留有一定安全儲備時，取表中標準的小值；若釆取加固措施對抗滑安全系數增加不敏感，使得增加加固措施不經濟時，取表中的小值。

表6 工程邊坡安全等級標準[7]

本文采用的風險評價指數矩陣法沿用水利水電工程邊坡設計規范中相關表格要求和解釋，僅增加了4張危險因素分析表，由此反應邊坡的勘探深度、穩定現狀、失穩發生的可能性，細化了施工期及運行期邊坡失穩對不同建筑物的影響，更好地反應了實際情況。

4.3 在Dr2危巖體上的應用

按上述風險指數矩陣分析法，索風營水電站為2等工程，進水口及中控樓為2級建筑物，因Dr2危巖體自身穩定安全系數1.0552，屬C級基本穩定(有時失穩)的邊坡。若Dr2失穩，因140m寬斜坡擋截，部分巖體可能砸壞下面的進水口及中控樓，影響工程正常發電，造成重大危害，但不影響混凝土大壩安全，經除險加固仍可投入正常使用，屬Ⅱ級重大危害，相應C級失穩Ⅱ級重大危害的風險指數為6，對應邊坡危險等級為二級風險。2級建筑物二級風險工程邊坡對應安全級別為3級，則正常工況相應安全系數標準[K]可為1.15～1.20。考慮L1與J1并未連通，之間有較大巖橋，有一定安全儲備，再考慮Ⅲ號堆積體實際的阻滑作用，以及加固措施對Dr2穩定不敏感——[K]從1.2提高到1.25，安全系數提高0.05，卻要增加6000萬元，且工程布置難度比較大，可取小值[K]=1.15，這樣既保證了邊坡安全，又省去很多加固工程量及工期，與工程實際更為接近。

5 結語

本文根據索風營Dr2危巖體邊坡工程處理的實際情況，提出基于風險評價指數矩陣法的邊坡穩定安全系數選取標準。引進風險理念，在沿用水利水電工程邊坡設計規范相關表格要求和解釋的基礎上增加了4張危險因素分析表，由此反應邊坡的勘探深度、穩定現狀、失穩發生的可能性等，細化了施工期及運行期邊坡失穩對不同建筑物影響，半定量確定工程邊坡穩定安全標準。按照水利水電工程邊坡設計規范，Dr2危巖體穩定安全系數取[K]=1.2，加固處理歷時10年4個月耗資2.23億元。若引入風險評價指數矩陣法可取小值[K]=1.15，既保證了邊坡安全，又節省加固工程量及工期，與工程實際更為接近。