西部水電工程大規(guī)模危巖體勘察與防治

王壽宇

（水電水利規(guī)劃設計總院，北京 100120）

1 引言

目前水電開發(fā)逐步向各流域上游挺進，壩址區(qū)多高山峽谷地貌，兩岸邊坡高陡，山頂海拔高程多在4 000 m以上，河流沿線及其支流強烈侵蝕切割，山崖陡峭，形成高差達千余米深切河谷，通行艱險。壩址區(qū)自然邊坡高度達500 m 以上，地形坡度45°～75°不等，局部有直立懸崖；邊坡往往基巖裸露，該區(qū)地震烈度高，加之坡體中裂隙型小斷層較發(fā)育，同時此區(qū)域均為高山、高寒區(qū)域，巖體風化卸荷強烈，邊坡上部往往廣布危巖體，且危巖體規(guī)模較大。危巖體的失穩(wěn)對水電站施工期、運行期人員設備構成重要安全威脅，需進行專題研究，并采取相應的防護措施，確保作業(yè)人員等的安全。將從西部水電開發(fā)中危巖體勘察、發(fā)育特征、危害性、防治等進行探討和論述，提出相應的意見和建議，以供各方參考。

2 危巖體掉落破壞實例

西部某水電站樞紐區(qū)為高山峽谷地貌，岸坡陡峻，左岸頂高2 690 m，坡高2 110 m以下坡面坡度450°～70°，2 110～2 300 m有局部懸崖；右岸頂高2 625 m，坡面坡度50°～70°，邊坡巖性為花崗閃長巖，巖質堅硬，以弱風化為主，整體穩(wěn)定條件好。但邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，表部卸荷較強烈，節(jié)理裂隙的隨機組合，分布有多處危巖體，危巖體大多穩(wěn)定性差，經常出現掉塊現象，其失穩(wěn)對工程建筑物、人員及設備安全影響較大。2019年9月17日，左岸地面開關站后邊坡擋墻外上部自然邊坡發(fā)生掉塊，上部被動網局部被砸壞，2019年9月25日，大壩右岸下游側高程2 260 m 自然邊坡局部危石掉塊，造成下部的施工設施、變壓器及冷水機組等設備損壞。

3 危巖體勘察

高邊坡危巖體勘察用傳統的技術難度大、危險性高，為查明樞紐區(qū)危巖體分布及邊界條件等分布特征，我們需在傳統的調查、測繪、勘探等工作基礎上，綜創(chuàng)新性的合運用三維激光掃描技術、三維數碼照相及無人機傾斜攝影測量技術，結合現場地質精細描述及室內試驗、分析，查明危巖體發(fā)育部位及微地貌特征、巖體結構、拉裂縫深度、側緣控制邊界等工程地質條件，實現了對危巖體各項特征準確界定，為后續(xù)危巖體防治打下了扎實的基礎。其中：①三維激光掃描技術可優(yōu)化傳統地質調查過程，且室內數據處理軟件技術成熟，可實現對危巖體的定量分析，如：危巖體幾何尺寸測量，高精度危巖剖面圖等。②三維數碼照相應用于高陡（巖質）邊坡地質測繪中，有效解決了人無法直接到達現場開展外業(yè)工作的矛盾，尤其是西部高山峽谷地形。同樣，針對危巖體的勘察，也可作為一項新的技術得以運用。從危巖體數據利用方面來看，三維數碼照相可系統獲取危巖體地質結構面的三維出露跡線，同時直接用于等高線的生成、任意一點三維坐標的提取、結構面跡長的測量和結構面信息的提取。③傾斜攝影技術通過在同一飛行平臺上搭載多角度相機陣列，從而滿足了從側面紋理的采集需求。無人機傾斜攝影測量就是以無人機為飛行平臺、以影像傳感器為任務設備的航空遙感影像獲取系統，系統包括無人機平臺、攝影傳感器、地面站和導航系統。通過同一平臺上的多臺傳感器分別從垂直、傾斜等多個角度采集影像，同時進行傾斜影像數據處理、整合其他地理信息等，進而輸出三維模型等產品。

4 危巖體發(fā)育特征

危巖體發(fā)育特征在宏觀上可劃分為單體和群體危巖兩類，單體危巖主要有危石、危巖體以及孤石；當單體危巖發(fā)育分布范圍較廣時，其往往具成帶（群）分布特征，這種由多個單體危巖組合而成的危巖帶（群體）即為群體危巖，其主要包括危石群、危巖帶和孤石群，按規(guī)模對危巖體進行分類。同時，危巖在形成演化過程中，不同階段也會呈現出與其相對應的結構和形態(tài)特征，不同的結構和形態(tài)特征便可反映出其可能的變形失穩(wěn)模式及其穩(wěn)定性，為了能更直觀的識別工程區(qū)的危巖體類型、明確體現該類型危巖體的變形破壞機理，為危巖穩(wěn)定性評價和防治措施提供可靠依據，按危巖的發(fā)育特征和巖體結構特征將其分為：貼壁式、倒懸式、砌塊式、墩座式、錯列式、孤立式等六種基本類型，其中倒懸式按邊界條件可分為懸臂式和墜腔式兩亞類；砌塊式按巖體結構還可細分為塊裂式、板裂式和碎裂式。

5 危巖體失穩(wěn)破壞特征

危巖體失穩(wěn)破壞特征從工程防治的角度分類更有現實價值，可概化為三類：滑塌式、傾倒式和墜落式危巖。邊坡上的危巖體，一般與坡腳可達數百米高差，一旦脫離母巖體形成落石。起滾后將在重力和坡面的共同作用下向下運動，經過斜拋、碰撞和滑動等多種方式向下，給其下的生命財產、建構筑物及設備、基礎設施等造成直接破壞。概括而言，在重力作用下落石主要以自由飛落、跳躍、滾動、滑動為主，在坡角變化之處或發(fā)生碰撞后，都會形成飛落；滾石在自由飛落過程中一旦遇到坡面的阻擋，就會發(fā)生碰撞彈跳，當滾石撞擊等方式后形成滾動，常見短距離彈跳模式有一系列連續(xù)拋物線。坡面的不規(guī)則程度、落石質量對落石運動狀態(tài)的影響很大。坡面相對均一，落石主要作小彈跳和滑移運動；反之，落石作有滑動的滾動。

由于工程場區(qū)不同、危巖基本特征（規(guī)模、巖體結構、失穩(wěn)模式）以及坡面特征組合（坡度、植被、坡表強度）等的不同，危巖失穩(wěn)后，沿著坡面運動的狀態(tài)與建構筑物接觸時的沖擊功就會有較大差別，從而對建構筑物的破壞程度就有所不同。

6 危巖體穩(wěn)定性評價

研究表明，影響危巖體穩(wěn)定性的因素主要有：巖體的控制性結構面完備程度、張開程度、傾角及地形坡度；降雨、人工爆破和地震等構成影響危巖體穩(wěn)定性的最主要外界因素。巖體的控制性結構面完備程度、張開程度等是危巖體變形失穩(wěn)的物質基礎，降雨、人工爆破和地震等是危巖體變形失穩(wěn)的外動力因素。工程地質作為基本條件能反映出危巖體天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性本質，與主要影響因素共同作用顯現出危巖體穩(wěn)定程度。這些因素相互綜合作用構成危巖體穩(wěn)定性的總體影響；一些因素對危巖體起控制影響，另一些因素則通過與其它因素的相互作用對危巖體穩(wěn)定性產生顯著的綜合影響。在充分研究工程地質條件的基礎上選擇評價指標，分析評價指標對危巖體穩(wěn)定性的影響程度，最終歸納總結出便于野外現場快速判斷的評價指標。有研究顯示，岸坡巖體的控制性結構面完備程度、張開程度、傾角及地形坡度四個方面已經構成影響危巖穩(wěn)定的主要因素。通過對危巖穩(wěn)定性影響因素分析，選取了地形坡度，控制性結構面傾角、完備程度及張開程度四個穩(wěn)定性判別指標為穩(wěn)定性分級指標，分別為極差、差、較差。同時，根據《滑坡防治工程勘察規(guī)范》中危巖體穩(wěn)定性等級劃分標準，又可將危巖穩(wěn)定性劃分為不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和穩(wěn)定四種狀態(tài)。

7 危巖體危險性分級

危險性等級劃分根據危巖賦存的地形、巖體結構和風化程度等特征，建立危險源穩(wěn)定性現場判斷標準、半定量判定標準，并根據其規(guī)模和穩(wěn)定性綜合確定。危巖體崩塌災害已成為西部水電工程大規(guī)模開發(fā)所面臨的重要地質災害，系統研究危巖體崩塌災害對項目區(qū)產生危險性內在機理，在水電開發(fā)過程中建立防災減災預案和設計災害防治工程都有著重要的現實意義，開展危險性研究需建立相應的危巖危險性評價體系。危巖危險性評價體系的建立是一個系統工程，其核心問題主要有選定評價方法、選取評價指標及建立評價體系。有關地質災害危險性評價方法主要有模糊綜合評判法、神經網絡法等常用方法。上述方法均具有樣本數量越大，樣本代表性越強，其評價標準可靠性越高的特點。但所需要的工程區(qū)大量樣本數據，短時間內較難獲取。因此危巖的危險性分級標準建立以定性判別為主，遵循簡便適用的原則，能真實反映研究區(qū)危巖發(fā)育對樞紐區(qū)水工建筑施工、運行的影響。

危巖崩塌災害具有不同于其它地質災害形式的差異性，其發(fā)生發(fā)展直至破壞的內在機理、整體運動以致產生破壞的過程都是作為一種特殊的地質災害顯現的。危巖災害本身，其危險性分析是在穩(wěn)定性評價的基礎上對危巖體成災的可能性和發(fā)生的幾率進行分析評價。危巖災害不同于其它地質災害的顯著特點：①破壞失穩(wěn)的突然性。②破壞運動速度快、軌跡和形式多變。③以側面沖撞或正面撞擊方式導致構建筑物或設備破損。④破壞過程具有明顯的三個階段性，即破壞階段、失穩(wěn)后運動階段（滾石運動）、對受災體沖撞階段。因此，危巖危險性主要由危巖體的穩(wěn)定性、失穩(wěn)后的運動軌跡、以及災害體到達承災對象時所產生的破壞能力（沖擊力大小）所決定。綜上可知，危巖體失穩(wěn)破壞產生災害的影響要素：危巖體發(fā)育規(guī)模、危巖體自身穩(wěn)定性和威脅對象的等級。針對水電站而言，壩址區(qū)兩岸邊坡地形坡度較陡，植被覆蓋率較低，中高高程危巖體或其它危險源一旦失穩(wěn)后其運動速度較快一般都能抵達承災對象并且產生較大的沖擊力，低高程危巖或其它危險源失穩(wěn)后對公路、車輛以及行人亦能產生較大威脅。因此，對工程區(qū)危巖危險性分析時可忽略高差的影響，應在危巖規(guī)模和穩(wěn)定性基礎上針對其威脅對象進行危險性等級的劃分。目前，水電工程危巖體處理尚無統一的標準和規(guī)范，采用其他行業(yè)規(guī)范與水電工程實際情況差別較大，工作中可參考以往大型水電開發(fā)中的經驗，將危巖危險性評價標準按危巖規(guī)模、危巖穩(wěn)定性及危脅對象等級“三要素”將危巖體危險性等級按危害性程度由大到小劃分為三個等級：危險性Ⅰ級、危險性Ⅱ級、危險性Ⅲ級。

8 危巖體防治

由于自然邊坡上的危巖體、滾石如不在樞紐主體工程大規(guī)模開挖之前進行清理、處置，會造成對下部樞紐區(qū)施工人員、設備造成嚴重威脅。因此對規(guī)模大、危險性大的危巖體、不穩(wěn)定體治理的首要原則是，應在所在部位工程開工之前盡早完成清理或支護。在穩(wěn)定性評價的基礎上，超高陡邊坡危巖治理方案確定需綜合考慮危巖體的位置、類型、變形破壞機制、穩(wěn)定性評價及危險性分級等因素，面臨施工組織困難、突發(fā)性強的難題，針對危巖體分別制定適合其自身條件的個性化治理方案。目前，對危巖體主要采取開挖清除、錨固，對噴錨的危石區(qū)設置排水，對坡面隨機孤石、陡壁危石區(qū)，綜合防護治理措施包括主動防護網、分層被動防護網和擋渣墻防護，同時重點危巖體安全監(jiān)測等。

9 危巖體監(jiān)測與預警

對危巖體監(jiān)測通常采用的設備包括表面變形測點、多點位移計、錨索測力計、錨桿應力計等，從表面到巖體內部發(fā)生的變形特征能夠構成危巖體穩(wěn)定狀態(tài)的重要指標，應用錨桿、錨索支護，研究其受力狀態(tài)，用以輔助判斷危巖體的穩(wěn)定狀態(tài)。工程實踐中已經建立起判斷危巖體穩(wěn)定特性的有效方法，即以變形監(jiān)測成果為主，支護受力為輔的預警模式。

預警危巖體的穩(wěn)定性應預先設定變形觀測警戒指標，對危巖體的總變形量、變形速率分別設定警戒值，若變形測值超過警戒值，首先要可通過察看是否超越儀器量程或測值合理范圍的方法進行初步排除觀測失誤情形。若未出現上述情況，應組織人員復測，巡視變形部位，進一步排除偶然因素影響。若上述情況皆不存在，則應通過查看附近以及其他測點（包括支護受力監(jiān)測成果）數據情況判斷危巖體的整體穩(wěn)定狀態(tài)。當有多個測點的測值超過警戒值或多個測點的測值有增大趨勢時，應及時引起警覺，通過加密監(jiān)測和巡視頻次，必要時應采取撤離危巖體下部作業(yè)人員、設備等應急措施。

10 結語

西部水電工程大規(guī)模開發(fā)建設將再次進入新的發(fā)展階段，工程開發(fā)步伐將逐步邁進青藏高原深處，這將會使正面臨的危巖體問題越來越突出。為此，要廣泛收集相關資料，開展針對性的研究探索。系統勘察西部水電工程項目區(qū)河谷岸坡的形成演化歷史，在查明水電站樞紐區(qū)邊坡巖體淺表性改造特征的基礎上，綜合運用傳統與現今的多種勘察技術手段，采用原型調研與室內分析相結合、宏觀分析與微觀分析相結合、工程地質與巖體力學相結合的思路，重點對危巖體的工程地質條件、力學參數、可能的變形破壞模式和邊界條件開展深入系統的研究，對危巖體的穩(wěn)定性進行分析與評價，以此根據不穩(wěn)定區(qū)的工程地質條件和可能的失穩(wěn)模式及破壞影響等，提出處理措施與監(jiān)測預警方案。