旭龍水電站自然邊坡防治設計研究

劉爍楠 丁剛 傅興安 熊瑤

摘要：旭龍水電站壩址處河流谷深坡陡，巖體卸荷強烈，地震烈度高。為解決自然邊坡中存在堆積體、危巖體、強烈卸荷松弛區、不穩定塊體等局部不穩定問題，保障邊坡下部施工及運行安全，提出自然邊坡防治設計方案。根據旭龍水電站自然邊坡特點，明確了邊坡防治范圍和防治目標，以“分類處理、防治結合、因地制宜、減少擾動”的原則進行防治設計，針對不同類型的局部穩定問題采取針對性的處理措施，對于堆積體、強烈卸荷松弛區、危巖體等局部不穩定問題，采取防護網、噴錨支護、錨索加固等措施；針對坡面滾石、落石問題，采用坡面清理等措施來減輕或消除危害。結果表明：采取針對性的防治設計措施可提高邊坡整體穩定性，有效保障工程安全。該防治設計思路及成果可為類似工程自然邊坡防治設計提供參考。

關鍵詞：自然邊坡； 危巖體； 防治設計； 堆積體； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV223

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.011

文章編號：1006-0081（2024）05-0060-06

0 引言

中國云、貴、川、藏等地區水資源豐富，這些區域一般山體雄厚，河流谷深坡陡，地震活動強度大。這些區域的大型水電工程開挖邊坡往往高達300～500 m，還可能存在數百米至千余米的自然邊坡。烏東德水電站在工程邊坡之上還有600～800 m的高位自然邊坡［1］；楊房溝水電站工程邊坡高差約550 m；猴子巖水電站開挖邊坡最大超過150 m，自然邊坡800～1 000 m［2］；雙江水電站壩址區臨河坡高達1 000 m以上［3］。工程邊坡開口線以上一定范圍的高位自然邊坡可能發生滑坡、落石等自然災害，對工程施工及運行安全造成威脅［4］。因此，高位自然邊坡的防治設計問題對于工程的安全運行具有重要意義。

許多學者對水利水電工程高位自然邊坡的防治設計進行了一定研究［5-8］。王漢輝等［1］提出了依據塊體穩定程度及對樞紐建筑物的危害大小開展烏東德水電站高位自然邊坡的防治設計；楊正貴等［2］提出了猴子巖水電站高陡自然邊坡條件下危巖治理防護工程的設計、施工工藝和施工方法；丁剛等［5］提出塊體失穩風險定量評估方法，并提出針對性管控措施。然而，高位自然邊坡局部穩定問題種類較多，防治設計工作存在諸多困難。旭龍水電站自然邊坡存在6處大型堆積體（體積648萬m3），6處重要危巖體（體積167萬m3），4處強卸荷松弛區（面積40萬m2），198個塊體，局部穩定問題十分繁雜，嚴重威脅工程安全。本文結合旭龍水電站工程實踐，總結了高位自然邊坡的防治思路及方案，可為同類工程提供參考。

1 自然邊坡概況

旭龍水電站工程區域地跨川、滇、藏兩省一區，壩址區兩岸山體雄厚，自然邊坡以巖質邊坡為主，巖質多堅硬；岸坡巖體多呈微風化狀，弱風化巖體零星出露；強卸荷巖體多發育于一級岸坡坡頂及混合巖、斜長角閃片巖岸坡，且深度不大；弱卸荷帶巖體內卸荷裂隙張開寬多小于1 cm，延展性差；壩址區地應力總體屬中等地應力水平。壩址區自然邊坡整體穩定性較好，主要存在局部穩定問題。

壩址區自然高邊坡局部穩定問題主要有3類，即第四系崩塌堆積體、強烈卸荷松弛區、危巖體（區）等。左、右岸自然邊坡局部不穩定體分布示意見圖1，2。局部穩定問題具體情況詳見表1。

1.1 防治范圍

工程涉及自然邊坡防治范圍，在立面高程上按河谷谷底高程2 150 m至二級岸坡高程2 700 m左右考慮，左岸上游邊界為上游圍堰，下游邊界為3號堆積體下游側；右岸上游邊界為F2斷層，下游邊界為1號堆積體下游側。高程2 700 m以上自然邊坡坡度較緩，且坡面植被茂盛，邊坡巖體失穩后對樞紐區水工建筑物影響小，因此不在防治范圍內。

1.2 防治目標

旭龍水電站自然邊坡分布范圍廣、潛在不穩定體多，參考類似工程經驗，結合旭龍水電站工程實際，自然邊坡防治的目標是最大限度降低工程施工期和運行期安全風險。

1.3 設計原則

參考類似工程經驗，結合旭龍邊坡堆積體、強烈卸荷松弛區以及危巖體的地質特征、穩定性及危害性，制定如下設計原則：① 分類處理。針對不同類型的局部穩定問題采取針對性的處理措施。② 防治結合。采用防護措施和治理措施相結合的方式確保防治目標的實現。對于堆積體、強烈卸荷松弛區、危巖體等局部穩定問題，采取加固措施阻止災害發生。針對隨機廣泛存在的坡面滾石、落石問題，采用預防為主的防護措施來消除或減輕災害帶來的危害。③ 因地制宜。針對不同的治理對象、地質條件、施工條件及危害性進行個性化設計。④ 減少擾動。減少對高位自然邊坡，尤其是高位堆積體的擾動，同時兼顧生態環境保護。⑤ 重點監測。對可能失穩、規模較大、風險較高的重點部位進行安全監測，以便根據監測結果優化調整防治措施。

2 邊坡級別及設計安全標準

樞紐工程區自然邊坡均屬A類邊坡，堆積體、強烈卸荷松弛區和危巖體依據其主要影響的建筑物確定邊坡級別，詳見表2。

設計安全標準參考NB/T 10512-2021《水電工程邊坡設計規范》和NB/T 10137-2019《水電工程危巖體工程地質勘察與防治規程》，判斷局部穩定問題類別應選擇相應的計算方法進行穩定性分析，本文不再贅述。

3 防治設計

3.1 堆積體防治設計

壩址區分布1～6號共6處堆積體，2號、4號、5號堆積體在建筑物布置范圍內，被圍堰壓覆或開挖清除，因此，僅對1號、3號和6號堆積體的防治方案進行研究。其中，1號、6號堆積體穩定性計算結果均滿足規范要求，整體較穩定，但地表結構較松散，坡面孤石存在失穩滾落風險，因此，1號、6號堆積體防治思路為防治坡面滾石落石，并導排坡面水流。3號堆積體穩定性較差，但方量相對不大，采用局部挖除措施，局部開挖后，邊坡高度達到200 m以上，且后緣基巖面坡度較陡，表面清挖后對坡面進行系統支護，包括坡面噴護及應用系統錨桿、錨索等。對1號、3號和6號堆積體采取的防治方案見表3。

3.2 強烈卸荷松弛區防治設計

壩址區自然邊坡強卸荷帶范圍內，分布S1～S4共4處強烈卸荷松弛區，坡面松動巖體密集發育，對樞紐建筑物施工期和運行期安全構成較大威脅，須采取防治措施。

3.2.1 S1強烈卸荷松弛區穩定分析與防治設計

S1區位于左岸F1上游側，分布于高程2 320～2 520 m，平面面積約1.5萬m2，坡表危巖體多受張開貫穿裂隙切割，塊體穩定性差，易崩塌墜落，威脅二道壩及水墊塘等建筑物。S1區防治方案：① 對坡面預先采用坡面清理和主動防護網進行防護，以降低施工期安全風險。② 針對S1區坡面遍布松動巖體，采用系統錨桿加固。③ 有關卸荷松弛區巖體在雨水沖刷等作用下易風化剝落的問題，采用系統噴錨支護的措施進行封閉。④ 針對S1區范圍內發育的危巖體，采用錨桿、錨筋樁或錨索進行加固。

3.2.2 S2強烈卸荷松弛區穩定分析與防治設計

S2區位于左岸3號堆積體上方，分布高程2 480～3 000 m，該區卸荷強烈，坡表巖體裂隙發育，卸荷松弛嚴重，易發生風化剝落、崩塌、小范圍淺層滑動等，威脅下游圍堰及3號堆積體處理施工。考慮S2區平面面積達19.7 萬m2，若全范圍采用錨固措施處理，代價高昂。參考類似工程經驗，選取防治方案：對危巖體進行小藥量爆破清除，危巖體低高程部位設置張口式引導防護網，在S2區下方局部坡度稍緩處布置攔石墻，在攔石墻上布置一道被動防護網。針對S2區范圍內局部發育的危巖體，采用錨桿、錨筋樁或錨索進行加固。

3.2.3 S3強烈卸荷松弛區穩定分析與防治設計

S3區位于右岸F2下游，分布高程2 450～2 680 m，平面面積約3.72萬m2。S3區發育3處松動區，松動區卸荷松弛強烈，淺表巖體具有松動特征，松動深度一般5～7 m，沿卸荷裂隙面具有傾倒剝離特征，巖體破碎，危巖體與危石集中發育，多為5～8 m的塊體。松動區巖體易發生崩塌、剝落等，穩定性差，影響引水洞進口及纜機平臺邊坡安全。S3區防治方案：① 對3處松動區進行局部修整，并采用長錨桿和主動防護網進行加固防護，S3區其他區域采用淺錨桿進行加固。② 針對卸荷松弛區巖體在雨水沖刷等作用下易風化剝落的問題，采用系統噴錨支護的措施進行封閉。③ 針對S3區范圍內局部發育的危巖體，采用隨機錨桿、錨筋樁或錨索進行加固。

3.2.4 S4強烈卸荷松弛區穩定分析與防治設計

S4區位于右岸F1上游，分布高程2 380～2 500 m，平面面積約1.32萬m2，該區坡表塊體穩定性差，易崩塌墜落。區坡腳邊坡松散塊石遍布，崩塌跡象明顯，威脅開關站、水墊塘、二道壩等建筑物。S4區防治方案：① 對S4區局部地形突出且松動巖體密集發育區域采用爆破或人工撬挖等方式進行清除，對坡面預先采用坡面清理和主動防護網進行防護；② 針對卸荷松弛區頂部巖體易發生卸荷拉裂破壞的問題，S4區頂部采用3～4排1 000 kN級預應力錨索進行鎖口支護，針對卸荷松弛區中下部巖體易發生剪切破壞的問題，S4區鎖口錨索下方邊坡采用328錨筋樁進行支護；③ 針對卸荷松弛區巖體在雨水沖刷等作用下易風化剝落的問題，對S4區全坡面進行噴錨支護。

3.3 危巖體穩定分析與防治設計

樞紐工程區危巖體共255個，其中左岸109個，右岸146個。樞紐工程區對建筑物有較大影響的共有6個危巖體（1～6號危巖體），3號和6號危巖體可結合工程邊坡開挖予以清除。兩岸一般危巖體共250個，其中，左岸包含106個一般危巖體，右岸包含144個一般危巖體。

3.3.1 危巖體危害性等別劃分

根據NB/T 10137-2019《水電工程危巖體工程地質勘察與防治規程》和《水工設計手冊》相關規定，考慮危巖體危害性等別，應根據危巖體危害對象和危險性等進行劃分，具體見表4。

3.3.2 危巖體防治設計

根據危巖體危害性等別，結合實際地質條件，1號、2號、4號、5號危巖體分別采取了不同的防治方案。1號危巖體穩定性較差，前緣已處于臨界失穩狀態，針對滑移破壞，在其剪出口處采用混凝土剛性壓坡體結合預應力錨索的強支護方案，針對危巖體泄洪霧雨區及其以上正面坡采用噴錨支護，泄洪霧雨區以上側面坡設置主動防護網。2號危巖體已處于臨界失穩狀態，考慮可靠性及經濟性，相較于預應力錨索加固危巖體，對其開挖清除可以徹底解決其穩定問題且投資更省。4號、5號危巖體若采用開挖清除方案，會對施工道路造成一定影響，因此開挖清除方案不合適，針對坡面的浮石、孤石、小規模危石及松動巖體，采用坡面清理及安裝主動防護網，用系統錨索加固危巖體。各危巖體防治方案具體見表5。

對于一般危巖體，根據其特征，綜合分析采用清除處理或錨固支護。自然邊坡存在250個一般危巖體，其中91個危巖體結合工程邊坡開挖一并挖除，159個危巖體須進行防治。左岸工程邊坡開挖范圍以外自然邊坡共61個危巖體，其中采用清除處理的11個，采用錨固支護的50個；右岸工程邊坡開挖范圍以外自然邊坡共98個危巖體，其中采用清除處理的8個，采用錨固支護的90個。

3.4 自然邊坡坡面滾石落石防治設計

滾石及落石指邊坡表面存在的松動巖塊、浮石及孤石在自然因素（如降雨、風化卸荷、地震）或工程因素（爆破震動、泄洪霧化）作用下沿坡面失穩。旭龍水電站壩址一級岸坡卸荷嚴重，坡面松動巖塊較多，二級岸坡堆積體上浮石、孤石較多，由于壩址兩岸邊坡高陡，坡面松動巖塊、浮石及孤石一旦滾落，將對下方施工人員和設備造成極大危害。

滾石落石的防治方案：針對地形較緩部位的滾石，主要采用被動防護網或攔石墻進行防治；地形較陡部位的落石，一般采用主動防護網進行防治；地形較陡且巖體破碎部位，為防止巖體繼續風化破壞或崩落，采用噴錨支護進行防治。左岸共布置7道被動防護網、2道攔石墻、4個主動防護網區域、1個噴錨支護區。右岸共布置5道被動防護網、1道攔石墻、2個主動防護網區域、2個噴錨支護區。

3.5 自然邊坡截排水設計

旭龍壩址區河谷呈“V”型谷，壩頂以上匯水面積廣闊，匯水流量較大。自然邊坡地表徑流可能引起堆積體淺層局部垮塌，同時水流沖刷作用可能導致坡面浮石向下滾動，此外還可能導致一級岸坡坡頂局部卸荷松弛，巖體失穩，威脅下部施工期和運行期安全。因此，有必要對自然邊坡的地表徑流進行系統導排。根據邊坡的地形地貌，在兩岸各布置2條排水溝。排水溝均按梯形斷面設計，采用鋼筋混凝土襯砌。

3.6 防治設計合理性分析

以5號危巖體為例，進行防治設計的合理性分析。5號危巖體位于左岸導流洞邊坡上方，以f79為底滑邊界，陡傾順坡向卸荷裂隙為側滑邊界（部分張開20～30 cm，未完全貫通），危巖體范圍線內部切割為6個次級危巖體。該危巖體體積較大，破壞失穩后對下方導流洞進口構成直接威脅。危巖體實景詳見圖3。

5號危巖體防治方案有2種：① 開挖清除方案；② 坡面清理+主動防護網+系統錨索加固方案。方案1不僅施工道路布置困難，而且開挖產生的渣體容易散落在坡面上，易形成風險源，因此采用方案2。采用防護和治理措施相結合的方式，具體措施：清除坡面浮石、孤石、小規模危石及松動危巖體，對危巖體高程2 355～2 410 m范圍采用主動防護網進行覆蓋，并采用70術1 000 kN級預應力錨索進行加固。5號危巖體錨索加固典型剖面見圖4，防治前后的穩定性計算結果見表6，從計算結果可以看出，5號危巖體天然狀況下穩定系數均不滿足規范要求，防治后在持久狀況、短暫狀況和偶然狀況穩定系數分別為1.16，1.11，1.02，較防治前提高0.05～0.07，均滿足規范要求，說明防治措施是合理有效的。

3.7 自然邊坡安全監測設計

安全監測范圍主要包括自然邊坡范圍內堆積體、強烈卸荷松弛區、危巖體、危險塊體（包括危石）等部位。主要監測項目包括表面變形及深部變形、地下水位、加固結構（1 000 m3以上塊體及強烈卸荷松弛區等的錨索、錨桿）受力、巡視檢查（邊坡表面裂縫、滑塌等變形跡象）。此外，在樞紐區設置1臺自動起降巡查無人機測站，對自然邊坡進行巡視檢查。在樞紐區左岸和右岸各設置1臺地基雷達，針對樞紐區左右岸自然邊坡分布的危巖體、強烈卸荷松弛區、堆積體等，定期進行面域的變形監測。

4 結語

旭龍水電站壩址區自然高邊坡局部穩定問題主要有3類，即堆積體、強烈卸荷松弛區、危巖體（區），自然邊坡分布范圍大、潛在不穩定體多，工程施工期和運行期對建筑物、人員及設備都存在一定安全風險。本文根據局部穩定問題的特點，結合實際地質條件，確定防治范圍、目標及設計原則，明確不同局部穩定問題的具體防治方案。通過針對性的防治方案，可以有效解決旭龍水電站高自然邊坡安全問題，施工過程中暫未發現邊坡穩定問題，且邊坡安全監測數據暫無異常。

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編輯：張爽

Study on prevention design for natural slope of Xulong Hydropower Station

LIU Shuonan，DING Gang，FU Xing′an，XIONG Yao

（ChangJiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The river valley of Xulong Dam site is deep and steep，with the strong unloading of the rock mass and high seismic intensity.In order to deal with the local unstability problems such as? accumulations，dangerous rock masses，strong unloading and relaxation zones，and blocks on the natural slope，and to ensure the construction and operation safety of the lower part of the slope，a prevention design for natural slope was proposed.Based on the characteristics of natural slope of Xulong Hydropower Station，the protection range and goals of natural slope were determined firstly.The prevention measures were carried out following the principles of classified treatment，combination of prevention and reinforce，adapting measures to local conditions and reducing disturbance.The targeted measures were taken to deal with different types of local stability problems.For the local unstability problems such as accumulations，strong unloading and relaxation zones and dangerous rock mass，measures such as protective net，shotcrete-bolt support and anchor cable reinforcement were taken to prevent the occurrence of disasters.For the problems of rolling and falling stones on the slope，measures such as slope cleaning were adopted to eliminate or reduce the hazards.The results indicated that these prevention measures can improve the stability of the slope and ensure engineering safety effectively.The prevention design ideas and results for natural slope can be a reference by other similar projects.

Key words：

natural slope； dangerous rock mass； prevention design； accumulations； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-16

作者簡介：劉爍楠，女，工程師，碩士，主要從事水工結構設計研究工作。E-mail：liushuonan@cjwsjy.com.cn