烏東德水電站泄洪洞出口環境邊坡風險評估及管控研究

丁剛 黃小艷 熊瑤 劉科

摘要：

烏東德水電站泄洪洞出口環境邊坡高達746 m，發育82個危險塊體，存在塊體崩塌滾落的風險，嚴重威脅下方泄洪洞出口安全。根據塊體影響對象不同進行分區，采用三維剛體極限平衡法進行穩定性計算并作針對性防治設計；為有效管控環境邊坡風險，提出塊體失穩風險定量評估方法，明確了風險管控的重點對象，并按風險高低安排塊體施工順序，采取了設置施工支洞、臨時加固塊體和安全監測等管控措施，有效保障了工程安全。研究成果可為環境邊坡防治設計與管理提供參考。

關鍵詞：

環境邊坡； 塊體防治； 風險定量評估； 風險管控； 烏東德水電站

中圖法分類號：TV221.2

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.009

文章編號：1006-0081（2023）04-0053-05

0 引 言

中國的水電資源主要集中在云、貴、川、藏等地，分布在金沙江、雅礱江、大渡河等流域。由于受到印度洋板塊與歐亞板塊的碰撞擠壓，這些地區河流谷深坡陡，地應力水平高，巖體卸荷強烈，地震烈度高［1-2］。隨著水電工程開發向西南縱深推進，因樞紐建筑物布置需要，往往開挖形成高達300～500 m的工程邊坡，工程邊坡以上還存在高達數百米甚至上千米坡度50°以上的環境邊坡，給工程設計帶來巨大挑戰［3］。

錦屏一級水電站等西南水電工程在建設期均遇到不同程度的環境邊坡問題［3］，局部環境邊坡的滑坡、崩塌、落石對下方施工人員和設備的安全造成威脅，引起工期延誤。2008年汶川大地震的災后調查表明：水電站的工程邊坡穩定狀態一般較好，但部分水電站環境邊坡在地震后發生了滑坡、崩塌、落石等災害，如沙牌、魚子溪、映秀灣、太平驛等水電站［4-5］，并造成建筑物不同程度損壞，影響工程正常運行。環境邊坡問題關乎工程建設期和運行期安全，其防治和管控問題逐漸受到重視。

目前，工程邊坡防治和管控技術比較成熟，但環境邊坡風險評估和管控技術較為薄弱。吉鋒等［6］參考地質災害危險性評估相關規程規范，對環境邊坡危險源危險性評價體系做了初步研究。董家興等［7］考慮了危險源自身、途徑邊坡、觸發因素等指標，建立了環境邊坡危險源危險度評價體系。牟榮峰等［8］對烏東德高位自然邊坡質量安全管控思路進行分析，提出通過組織、管理、技術等措施保障工程安全。然而，目前風險評估方法忽略了危險源影響對象的因素，不能科學評價環境邊坡風險。基于此，本文以烏東德水電站泄洪洞出口花山溝附近的環境邊坡塊體防治為例，針對危險源及其影響對象進行綜合評估分析，并提出針對性管控措施。

1 工程概況與工程地質條件

烏東德水電站位于金沙江下游河段，電站裝機容量10 200 MW，多年平均發電量389.1億kW·h，為Ⅰ等大（1） 型工程，主要由高達270 m 的混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物及引水發電系統等建筑物組成［9］。烏東德水電站泄洪洞出口環境邊坡高達746 m，其上塊體等風險源較多，對下部泄洪洞出口安全構成較大威脅。

烏東德水電站左岸泄洪洞出口邊坡位于花山溝附近，地面高程約800 m，坡頂高程約1 836 m。工程邊坡以花山溝為界，分為泄洪洞正面邊坡和左側邊坡兩部分，分別長約140 m和484 m，工程邊坡開口線高程為1 030～1 090 m，開口線以上環境邊坡最高約746 m，平均坡度約55°。環境邊坡地層由褶皺基底和沉積蓋層構成，褶皺基底為灰色互層夾薄層灰巖（Pt102l），沉積蓋層為薄層白云巖夾薄-極薄層粉砂質泥巖頁巖（Z2g）、厚-巨厚層白云巖（Z2d）、厚層灰巖（P2y）、玄武巖（P3em）等［10-12］。

泄洪洞出口環境邊坡塊體（含潛在不穩定傾倒巖體，下同）在卸荷、風化、降雨及地震等自然因素或工程擾動作用下，可能產生局部失穩、崩塌滾落，危及工程施工與運行安全。環境邊坡共發現82個塊體，其中1 000～10 000 m3有16個、100～1 000 m3的有52個、小于100 m3有14個，見圖1。

2 環境邊坡塊體防治

泄洪洞出口環境邊坡范圍廣闊，不同區域危害對象有所差別，因此分為4個區進行防治：① D1區影響左岸低線過壩路通行及下游圍堰施工安全，為Ⅲ級邊坡；② D2區影響尾水洞與泄洪洞出口施工及運行安全，為Ⅰ級邊坡；③ D3區影響泄洪洞出口側面邊坡施工安全，為Ⅱ級邊坡；④ D4區影響850混凝土系統安全，為Ⅲ級邊坡。

2.1 穩定性計算分析

2.1.1 計算方法

采用三維剛體極限平衡法，對單面和雙面滑動的塊體進行穩定性計算分析［13-14］。

（1） 單面滑動。設塊體自重、地下水及地震的合力為r，滑移方向為S，合力和滑移方向的夾角為θ，塊體在滑移方向的法向作用力（N）與切向作用力（H）分別為

H=|r|cosθ（1）

N=|r|sinθ（2）

單面滑動塊體安全系數按式（3）計算：

Kc=|r|sinθ·tanφ+cA+∑mj=1cjAj|rcosθ|（3）

式中：φ，c，A分別為滑面的內摩擦角、黏聚力和面積；m，cj，Aj分別為塊體其他結構面的數量、黏聚力和面積。

（2） 雙面（楔形體）滑動。設塊體在自重、地下水及地震的合力為r，滑移方向為2個滑面的交棱線，方向為S，合力和滑移方向的夾角為θ。法向作用力與兩個滑面的夾角分別為α1，α2（圖2），兩個滑面法向作用力分別為

N1=N·sinα2sin（α1+α2）（4）

N2=N·sinα1sin（α1+α2）（5）

雙滑面塊體安全系數按式（6）計算：

Kc=∑2i=1（Nitanφi+ciAi）+∑mj=1cjAj|r|cosθ（6）

式中：φi，ci，Ai分別為2個主滑面的內摩擦角、黏聚力和面積；m，cj，Aj分別表示塊體其他結構面數量、各結構面黏聚力和面積。

2.1.2 計算工況與荷載

塊體穩定計算考慮持久、短暫、偶然等3種工況。根據現場調查分析，塊體位置均較高，地下水排泄條件較好，持久工況不考慮地下水作用；短暫工況考慮一定地下水作用；偶然工況主要考慮地震作用。各類荷載如下。

（1） 自重。塊體巖性主要為灰巖、白云巖等，容重取26.8～27.3 kN/m3。

（2） 地下水。短暫工況考慮暴雨或泄洪霧雨作用下排泄不及時的情況。

（3） 地震。主要考慮水平地震力，采用擬靜力法計算。設計地震概率水準取50 a一遇超越概率5%，相應基巖水平加速度峰值為0.169g。

（4） 錨固力。錨桿（錨筋樁）只考慮錨固力沿滑移方向的切向作用力，預應力錨索分別考慮錨固力沿滑移方向的切向和法向作用力。

2.1.3 天然穩定性計算結果

經過計算，3個塊體天然穩定性滿足安全標準，其余79個塊體天然穩定性不滿足安全標準，持久工況穩定系數約為1.05～1.10，短暫工況與偶然工況處于臨界穩定狀態，穩定系數約為0.95～1.05，均需采取針對性的處理措施。

2.2 塊體防治方案

對滿足安全標準的3個塊體，采取維持現狀、加強巡視的防治措施。對不滿足安全標準的79個塊體，經過方案比選，采取針對性的防治措施：分別對51，11，15個塊體采用錨索、錨筋樁、錨桿加固，開挖清除2個塊體。經過計算，錨固后塊體穩定性均滿足安全標準。

3 環境邊坡風險管控

泄洪洞出口環境邊坡存在以下風險問題：① 環境邊坡山高坡陡，交通條件差，塊體防治施工工期較長，未施工的塊體高懸于邊坡之上，嚴重威脅泄洪洞出口建設期安全；② 塊體數量眾多、位置分散，對塊體的監測難以面面俱到，運行期安全風險突出。因此，有必要對塊體失穩風險進行評估，并采取針對性的管控措施，以有效降低工程建設期和運行期安全風險。

3.1 塊體失穩風險定量評估

3.1.1 塊體失穩風險定量評估體系

根據泄洪洞出口環境邊坡特點，提出了塊體失穩風險定量評估體系，包括對象層、特征層、因子層和結果層等4個層次（圖3）：① 對象層為各個塊體；② 特征層為塊體的穩定系數、塊體體積、相對高度、影響對象、接觸頻率等；③ 因子層為評估塊體失穩的4個風險因子，分別為發生可能性（A）、事故影響程度（B）、影響對象重要性（C）和接觸頻繁程度（D），首先需要建立風險因子的權重系數ai及賦分標準，根據特征層信息可以求得風險因子值xi；④ 結果層為塊體的風險等級，計算風險因子的權重系數ai與因子賦分xi乘積的總和，根據風險劃分標準可對塊體失穩風險進行分級。

3.1.2 風險因子權重及賦分標準

風險因子權重及賦分標準確定原則：① 根據各個因子對風險的影響程度確定因子權重ai，對失穩風險的影響越大，因子權重就越大，各個因子權重的總和為1；② 根據因子特征對風險的影響程度，將因子賦分標準xi劃分為4個等級，分別為0.75＜xi≤1，0.5＜xi≤0.75，0.25＜xi≤0.5，0＜xi≤0.25。根據泄洪洞出口環境邊坡的特點，建立風險因子權重及賦分標準，見表1。

3.1.3 塊體失穩風險評估標準

塊體失穩風險定量評估計算公式為

f（x）＝∑（ai×xi）（7）

式中：f（x）為風險評估值；ai為權重系數；xi為風險因子賦分值。

根據風險評估值，將塊體失穩風險劃分為3個等級：① 0.75＜f≤1屬于高風險；② 0.5＜f≤0.75屬于中等風險；③ 0≤f≤0.5屬于低風險。

3.1.4 塊體失穩風險評估結果

根據上述風險評估體系及相關標準，對泄洪洞出口環境邊坡82個塊體的失穩風險進行評估。據統計，22個塊體屬于高風險、44個塊體屬于中風險、16個塊體屬于低風險，塊體風險分布影像示意見圖4。

3.2 風險管控措施

根據塊體失穩風險定量評估結果，從施工安排、臨時加固、安全監測等方面進行風險管控。對于高風險塊體，優先對其進行處理施工，設置臨時加固措施，并作重點安全監測。

3.2.1 施工安排管控措施

按風險等級高低安排塊體處理施工順序，優先進行高風險塊體施工，稍緩進行中風險塊體施工，擇機進行低風險塊體施工。

泄洪洞出口邊坡地形陡峻，交通困難，為了便于材料運輸、加快塊體施工進度，在優先考慮高風險塊體的前提下，共設置3條施工支洞：① 左高1號

施工支洞承擔D2區塊體施工；

② 左高2號施工支洞承擔D1，D2區塊體施工；③ 泄7號施工支洞承擔D3，D4區塊體施工。

通過設置施工支洞，可將施工設備和材料快速運抵至環境邊坡，再輔以施工便道、鋼棧橋、鋼爬梯和纜索吊等手段，可加快高風險塊體處理施工進度，有效管控安全風險。

3.2.2 臨時加固管控措施

環境邊坡塊體一般位于強卸荷帶內，自身穩定性差，在錨固過程中，鉆孔機械的擾動可能引起塊體失穩。為降低塊體施工期安全風險，對于高風險和中風險塊體，在施工前采取臨時加固措施：對于高風險塊體，設置縱橫向鋼絲繩進行“兜錨”，縱橫向間距0.5～1.0 m，鋼絲繩交點及端點設置鋼絲繩錨桿固定；對于中風險塊體，設置GPS2型主動防護網進行“包裹”。

3.2.3 安全監測管控措施

為監測塊體在施工期和運行期的安全狀況，按塊體風險等級高低進行分級監測：對于高風險塊體，采用儀器進行重點監測；對于中、低風險塊體，則以巡視檢查為主。塊體安全監測措施主要有以下3種。① 加固措施監測：對千方級以上塊體采用錨索測力計進行監測，對百方級塊體采用錨桿應力計進行監測。② 深部變形監測：對可能存在深部變形的重點塊體，采用多點位移計進行監測。③ 人工巡視檢查：針對邊坡表面裂縫、滑塌等變形跡象進行定期巡視檢查。

4 結 語

（1） 烏東德水電站泄洪洞出口相關建筑物已施工完成，施工過程中未發生塊體崩塌安全事故，環境邊坡安全監測數據無異常。烏東德水電站全部機組已于2021年6月投產發電，至今均運行正常。環境邊坡塊體防治及風險管控有效保障了工程安全。

（2） 環境邊坡塊體嚴重威脅工程建設期和運行期安全，可能造成重大人員傷亡或設備損壞事故、導致工程直線工期嚴重滯后或影響工程正常運行。隨著中國水電工程建設向地質環境脆弱的西南地區縱深推進，建議在工程選址階段高度重視環境邊坡問題，在工程建設階段重點對環境邊坡進行防治，盡可能消除工程安全隱患。

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（編輯：江 燾，高小雲）

Research on environmental slope risk assessment and management at spillway tunnel outlet of Wudongde Hydropower Station

DING Gang1，HUANG Xiaoyan1，XIONG Yao1，LIU Ke2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.Wudongde Engineering Construction Department of China Three Gorges Construction Engineering （Corporation） Co.，Ltd.，Kunming 651500，China）Abstract：

The environmental slope at the outlet of the spillway tunnel of Wudongde Hydropower Station was as high as 746 m and with 82 dangerous blocks.There were risks of block collapsing and rolling，seriously threatening the safety of the spillway exit below.According to the different objects affected by the block，the partition control was carried out，the three-dimensional rigid body limit equilibrium method was used to calculate the stability，and pertinent control measures were designed.In order to effectively control the risks of environmental slopes，a quantitative assessment method for the risk of block instability was proposed，the key objects of risk management were clarified，and the block construction sequence was arranged according to the level of risk，measures such as designing construction adit，reinforcing blocks and taking safety monitoring were carried out，which effectively guaranteed the safety of the project.The research results can be a reference for the design and management of environmental slope treatment.

Key words：

environmental slope； block management； quantitative risk assessment； risk management and control； Wudongde Hydropower Station

收稿日期：

2022-06-21

基金項目：

中國三峽建工（集團）有限公司技術服務/咨詢項目（WDD/0579）

作者簡介：

丁 剛，男，高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程設計工作。E-mail：410707291@qq.com