環(huán)境邊坡安全等級分類方法研究

摘要：為更好地評估環(huán)境邊坡的安全性，通過對環(huán)境邊坡的相關(guān)特征及影響因素進(jìn)行研究，提出環(huán)境邊坡的安全等級分類方法，以便為環(huán)境邊坡的治理、設(shè)計和施工提供可靠的依據(jù)。該方法綜合考慮邊坡形態(tài)修正系數(shù)（依據(jù)坡度和坡高取值）和邊坡巖土體特征值（由覆蓋層特征、巖體基本質(zhì)量、結(jié)構(gòu)面特征、水文地質(zhì)條件4個要素組成），采用積差評分模型將環(huán)境邊坡安全等級分為5類。以烏東德水電站右岸尾水出口環(huán)境邊坡和石臺抽水蓄能電站下水庫進(jìn)出水口環(huán)境邊坡為例，驗(yàn)證了該方法的有效性。結(jié)果表明：烏東德水電站右岸尾水出口環(huán)境邊坡可能發(fā)生大規(guī)模的平面或楔形滑動，嚴(yán)重變形或傾倒；石臺抽水蓄能電站下水庫進(jìn)出水口環(huán)境邊坡可能發(fā)生小規(guī)模的平面滑動或淺層變形。研究成果可用于定性和定量評價環(huán)境邊坡的安全性。

關(guān)鍵詞：環(huán)境邊坡； 邊坡安全評價； 積差評分模型； 烏東德水電站； 石臺抽水蓄能電站

中圖法分類號：TU43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.003

文章編號：1006-0081（2024）12-0011-05

0 引 言

環(huán)境邊坡是影響工程安全的自然邊坡，一般鑒定為工程邊坡開口線以外至山脊分水嶺或者臺地一定范圍內(nèi)。水電工程的環(huán)境邊坡穩(wěn)定問題尤為突出，中國的水能資源主要集中在云貴川藏等西南地區(qū)，集中分布在金沙江、雅礱江、大渡河、瀾滄江、怒江等流域。受印度洋板塊與歐亞大陸板塊擠壓碰撞影響，這些流域的河谷深切，坡高山陡，構(gòu)造應(yīng)力水平高，卸荷作用強(qiáng)烈，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地震烈度高等［1］。金沙江烏東德水電站，壩址區(qū)屬于嶂谷地貌，兩岸環(huán)境邊坡高度近千米，約為壩高的3～4倍。下方工程邊坡最高約400 m；再如石臺抽水蓄能電站，上、下水庫高差約490 m，環(huán)境邊坡陡峻，在基坑或下水庫及進(jìn)出水口邊坡開挖過程中，上方環(huán)境邊坡安全隱患突出，在暴雨及開挖擾動等不利工況下極有可能產(chǎn)生失穩(wěn)，從而危及工程施工與永久運(yùn)行安全［1］。因此，對環(huán)境邊坡優(yōu)先進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查并采取相應(yīng)防治措施，建立工程安全屏障十分必要。

國內(nèi)外對環(huán)境邊坡危險源辨識、變形破壞機(jī)理、防治措施的研究較多，如宋勝武等［2］進(jìn)一步闡釋了坡體結(jié)構(gòu)的概念，提出了基于邊坡穩(wěn)定性評價的邊坡統(tǒng)一分類體系，共劃分出塊狀結(jié)構(gòu)、似塊狀結(jié)構(gòu)、非塊狀結(jié)構(gòu)、碎裂散狀結(jié)構(gòu)和變形結(jié)構(gòu)五大類21個子類的坡體結(jié)構(gòu)類型，其分類方法突出了軟弱結(jié)構(gòu)面及其與坡面的組合特征對邊坡穩(wěn)定的控制作用。劉東澤等［3］通過引入剪應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型，對傳統(tǒng)條分法進(jìn)行改進(jìn)，分析了新型條分法的基本原理，提出基于臨界狀態(tài)的滑坡穩(wěn)定性評價系數(shù)，可用于判斷滑坡不同階段的滑體穩(wěn)定情況，從而為邊坡的分類和穩(wěn)定性分析提供了新的方法。上述研究方法主要集中在理論研究、定量計算方面，并沒有針對環(huán)境邊坡進(jìn)行系統(tǒng)性安全等級分類。因此，本文從工程建設(shè)和運(yùn)用的實(shí)際出發(fā)，綜合概括環(huán)境邊坡特征，反映邊坡在內(nèi)外地質(zhì)營力作用下的變形破壞規(guī)律，對邊坡存在的整體穩(wěn)定及局部穩(wěn)定問題進(jìn)行歸納總結(jié)，提出環(huán)境邊坡的分類與分級方法，旨在為邊坡勘察提供參考。

1 現(xiàn)有環(huán)境邊坡分類方法

環(huán)境邊坡屬于自然邊坡的范疇，是自然營力作用下形成的邊坡，分類需考慮眾多因素，根據(jù)邊坡成因、物質(zhì)組成、巖土體結(jié)構(gòu)、變形破壞形式、坡高、坡度的不同，形成不同類型的邊坡。現(xiàn)有的環(huán)境邊坡分類方法大體按以下6個依據(jù)進(jìn)行分類［4］，見表1。

2 安全等級分類方法

2.1 分類原則

環(huán)境邊坡安全等級分類不僅能夠深化對邊坡的認(rèn)識，而且有助于邊坡工程適宜性的快速評價。因?yàn)楦鱾€工程的重要等級不同，同一工程不同部位建筑物的重要等級亦不同，故本文中對邊坡重要等級分類未納入考慮，分類原則如下。

（1） 可操作性。分類需具有現(xiàn)場可操作性，盡量簡單明了地幫助地質(zhì)人員更好的掌握現(xiàn)場實(shí)際情況，快速高效識別危險源。

（2） 層次性。將復(fù)雜的工程地質(zhì)問題分解，邊坡整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性問題統(tǒng)一考慮，將按“點(diǎn)、面、體”三位一體的思路統(tǒng)籌考慮。

（3） 系統(tǒng)性。不同類型的邊坡中各個地質(zhì)條件權(quán)重占比不盡相同，單一指標(biāo)只能反映邊坡在該特定方面的差異特征，但不能全面反映邊坡的總體規(guī)律及穩(wěn)定性特征［5-6］，需將影響環(huán)境邊坡穩(wěn)定性的所有因素進(jìn)行系統(tǒng)性分析，綜合給出邊坡安全級別。

2.2 分類方法

環(huán)境邊坡安全等級（Ks）的分類因素主要分為兩部分，一部分是邊坡形態(tài)修正系數(shù)（λ），另一部分是邊坡巖土體特征值（E），采用積差評分模型，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

Ks=λE（1）

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，邊坡形態(tài)特征中，影響邊坡的安全主要有2個因素，即坡度α和坡高h(yuǎn)，考慮到安全等級分類方法的易用性和可操作性，以及其他因素（如地形完整性）對邊坡穩(wěn)定性影響甚小，故未納入修正，修正系數(shù)λ取值見表2。

邊坡巖土體特征值E采用百分制評分方法，考慮環(huán)境邊坡多為巖土混合邊坡，邊坡穩(wěn)定性的影響因素主要由邊坡覆蓋層特征、巖體基本質(zhì)量、結(jié)構(gòu)面特征、水文地質(zhì)條件4個要素組成，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

E=OL+BQ+T+W（2）

式中：E為邊坡巖土體特征值；OL為覆蓋層特征值；BQ為巖體基本質(zhì)量；T為結(jié)構(gòu)面特征值；W為水文地質(zhì)條件。

各要素評分原則及權(quán)重如下。

（1） 覆蓋層特征（30分）。地表覆蓋層特征對邊坡穩(wěn)定性起至關(guān)重要的作用，主要影響因素包括土的類型、密度、孔隙比、內(nèi)摩擦角、黏聚力及厚度等，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及NB/T 10513-2021《水電工程邊坡工程地質(zhì)勘察規(guī)程》，邊坡覆蓋層特征取值主要參考指標(biāo)為密實(shí)度和厚度，見表3。

（2） 巖體基本質(zhì)量（30分）。巖體基本質(zhì)量采用BQ值進(jìn)行評定，表達(dá)式如下：

BQ=100+3Rc+250Kv（3）

式中：Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Kv為巖體完整性系數(shù)。

依據(jù)GB/T 50218-2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》，使用式（3）計算時，應(yīng)符合下列規(guī)定：

① 當(dāng)Rc＞90Kv+30時，應(yīng)以Rc=90Kv+30和Kv代入計算BQ值；

② 當(dāng)Kv＞0.04Rc+0.4時，應(yīng)以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入計算BQ值。

巖體基本質(zhì)量分級，應(yīng)根據(jù)巖體基本質(zhì)量的定性特征和巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ兩者相結(jié)合，并按表4確定。

（3） 結(jié)構(gòu)面特征（30分）。結(jié)構(gòu)面特征主要包括2個方面：結(jié)構(gòu)面性狀與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。① 結(jié)構(gòu)面性狀（15分）：結(jié)構(gòu)面的性狀包括結(jié)構(gòu)面粗糙度、充填物、張開度和延伸長度，見表5。② 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀（15分）：分析結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對邊坡穩(wěn)定性影響時，需結(jié)合邊坡坡面的產(chǎn)狀綜合考慮，具體取值見表6。

（4） 水文地質(zhì)條件（10分）。水文地質(zhì)條件對環(huán)境邊坡穩(wěn)定性有著多方面的影響：① 地下水的類型和賦存狀態(tài)至關(guān)重要，潛水、承壓水等不同類型的地下水及其在巖土體中的分布和儲存方式會改變邊坡內(nèi)部的應(yīng)力分布。地下水水位的高低及變化幅度也是關(guān)鍵因素，過高的地下水位或頻繁大幅的水位變化，會使巖土體的孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，從而削弱其抗剪強(qiáng)度，增加邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險。地下水的流速和流向影響著水對巖土體的沖刷與侵蝕作用，流速快、流向集中的區(qū)域更易造成巖土體結(jié)構(gòu)的破壞。含水層的滲透性和富水性同樣不容忽視，滲透性強(qiáng)且富水性好的含水層可能致使大量的水進(jìn)入邊坡，加重邊坡的負(fù)擔(dān)。② 水的化學(xué)性質(zhì)如酸堿度和礦化度，可能對巖土體產(chǎn)生化學(xué)侵蝕和軟化作用，降低其強(qiáng)度。降水的強(qiáng)度和頻率也起著重要作用，強(qiáng)降水或頻繁降水會迅速使邊坡土體含水量上升，重量增加，下滑力增大。地表水體與地下水的水力聯(lián)系，比如河流、湖泊等與地下水的相互補(bǔ)給關(guān)系，會改變邊坡的水動力條件。③ 巖土體自身的滲透系數(shù)決定了水在其中的滲透速度和滲透量，進(jìn)而影響孔隙水壓力的形成和消散，對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。地質(zhì)人員可根據(jù)實(shí)際情況來判斷水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度，具體取值見表7。

通過上述建立的評分體系對環(huán)境邊坡安全等級進(jìn)行定性和定量評價，共分為5個等級，詳見表8。

3 工程案例應(yīng)用

3.1 烏東德水電站右岸尾水出口環(huán)境邊坡

烏東德水電站右岸尾水出口環(huán)境邊坡兩面臨空，被稱為“雞冠山梁子”，開口線以上地形陡峭，坡頂高程1 630 m，環(huán)境邊坡高約700 m，平均坡度約70°，為懸坡地形（圖1）。地層巖性為薄—中厚層狀灰?guī)r，巖層走向80°～90°、傾向S、傾角75°～85°，邊坡結(jié)構(gòu)以橫向坡為主，局部為順向坡（側(cè)面），邊坡坡度一般小于巖層傾角。邊坡未見大型斷層發(fā)育，裂隙總體不發(fā)育，主要發(fā)育一組傾W（傾坡內(nèi)）的中傾角裂隙，性狀平直粗糙，多閉合；局部見有中傾坡外的不利結(jié)構(gòu)面，性狀總體較好［7］。

根據(jù)邊坡安全等級分類方法，邊坡形態(tài)修正系數(shù)λ取0.6，覆蓋層特征OL取30，巖體基本質(zhì)量BQ取23，結(jié)構(gòu)面特征T=12+13=25，水文地質(zhì)條件W取9，把各參數(shù)代入表達(dá)式求得Ks=52.2，邊坡安全等級屬于較差，可能發(fā)生大規(guī)模的平面或楔形滑動，嚴(yán)重變形或傾倒，需采取針對性的錨固措施。目前該段環(huán)境邊坡上的潛在危險源已按設(shè)計要求全部處理完畢，邊坡目前穩(wěn)定性較好［8-9］。

3.2 石臺抽水蓄能電站下水庫進(jìn)出水口環(huán)境邊坡

石臺抽水蓄能電站下水庫進(jìn)出水口邊坡位于3號溝與4號溝之間的山脊內(nèi)，山脊較完整，寬230～280 m，地形坡度23°～30°，上方環(huán)境邊坡高約400 m（圖2）。地表大部分為第四系崩坡積碎塊石土，厚度一般3～5 m，下伏基巖為震旦系石英砂巖、含碳質(zhì)硅質(zhì)巖、砂頁巖等，巖層走向70°～80°、傾向S、傾角50°～70°，邊坡結(jié)構(gòu)以順向坡為主，該區(qū)域還見有花崗斑巖（γπ）、輝綠玢巖（βμ）出露，靠近工程邊坡部位風(fēng)化強(qiáng)烈［10-11］。邊坡未見大型斷層發(fā)育，裂隙總體不發(fā)育，主要以層面裂隙為主，性狀平直粗糙，多閉合。

根據(jù)邊坡安全等級分類方法，邊坡形態(tài)修正系數(shù)λ取0.9，覆蓋層特征OL取24，巖體基本質(zhì)量BQ取20，結(jié)構(gòu)面特征T=10+12=22，水文地質(zhì)條件W取7，把各參數(shù)代入表達(dá)式求得Ks=65.7，邊坡安全等級屬于中等，可能發(fā)生小規(guī)模的平面或楔形滑動，淺層變形或傾倒。該段環(huán)境邊坡主要存在局部穩(wěn)定問題，如下方工程邊坡開挖擾動，局部邊坡發(fā)生蠕滑變形，及坡面浮石、孤石對下方的影響等［12-13］。

4 結(jié) 語

本文采用積差評分模型構(gòu)建了環(huán)境邊坡安全等級分類方法，定性和定量評價了環(huán)境邊坡的安全性，全面反映了影響環(huán)境邊坡穩(wěn)定性的因素，并將環(huán)境邊坡安全等級分為5類，可為環(huán)境邊坡工程地質(zhì)勘察及評價提供參考。

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Research on classification method for safety level of environmental slopes

Abstract：

In order to better evaluate the safety of environmental slopes，a safety level classification method for environmental slopes was proposed through the study of relevant characteristics and influencing factors of environmental slopes，so as to provide a reliable basis for the treatment，design and construction of environmental slopes.This method could comprehensively consider the slope shape correction coefficient （including to the slope gradient and height） and the geotechnical characteristic values of slope （composed of" overburden characteristics，basic rock mass quality，structural plane characteristics，and hydrogeological conditions four elements），and divide the safety level of environmental slopes into five categories by using the differential scoring model.In addition，taking the environmental slope of the right bank tail water outlet of the Wudongde Hydropower Station and the environmental slope of the lower reservoir inlet or outlet of the Shitai Pumped Storage Power Station as examples，the method was verified.The results showed that the environmental slope of the right bank tail water outlet of the Wudongde Hydropower Station may had large scale planar or wedge shaped sliding，serious deformation or toppling.The environmental slope of the lower reservoir inlet or outlet of the Shitai Pumped Storage Power Station may had small scale planar sliding or shallow layer deformation.This method can fully reflect the factors affecting the stability of environmental slopes and can be used for qualitative and quantitative evaluation of the safety of environmental slopes.

Key words：

environmental slopes； slope safety evaluation； differential scoring model； Wudongde Hydropower Station； Shitai Pumped Storage Power Station