地质灾害风险对水电工程影响的评价与控制

2011-04-23程光伟

水电站设计 2011年1期

黄欣,程光伟

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072)

1 前言

对项目开发而言,风险是指可能出现的影响项目目标实现的不确定因素。众所周知,开发任何项目,都存在一定风险。对于水电开发项目,风险更是无处不在,无时没有。风险事件一旦发生,就会对项目造成一定损害,甚至影响项目目标的实现。水电工程是一项复杂的工程,风险众多,其分类标准也很多,如按风险类型可分为纯粹风险、投机风险和除外风险;按风险形态可分为动态风险和静态风险;按风险损失发生的原因可分为自然风险、社会风险等。本文结合国内外大中型水电工程实例,就自然风险中的地质灾害风险对水电工程影响的评价与控制进行论述,以期与国内外同行共同探讨。

2 地质灾害风险对水电工程影响评价

地质灾害对水电工程影响较大,有时甚至决定水电工程的成败。广义的地质灾害系指在自然和(或)人为因素作用或影响下,直接或间接恶化环境,降低环境质量,危害人类和生物圈安全与发展的地质事件;狭义的地质灾害系指在自然和(或)人为因素作用下或影响下,对人民生命财产、经济建设和环境造成损失的地质事件。就水电工程而言,主要指包括自然因素或者人为活动引发的危害人民生命财产和工程安全的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等与地质作用有关的灾害。

水电工程地质灾害涉及水库工程、边坡工程、地基工程、地下工程及其它相关工程,除了常规的灾害外,还包括渗漏(水库或坝基大流量渗水,影响工程安全或正常运行)、库岸再造(影响库岸居民点稳定与安全)、滑坡涌浪(影响大坝安全或对下游造成危害)、岩土体大变形(对工程造成危害)、大流量涌水(影响地下工程或基坑施工安全)及水库诱发地震(形成的次生灾害对居民或环境造成危害)等成灾地质问题,以及若干可能形成灾害的地质现象,如水库淤积、水库浸没、潜在不稳定岩体(危岩体)、斜坡滚石、坡面泥石流、地基变形(包括不均匀沉降变形、滑动变形、渗透变形、地基失效变形等)、围岩坍塌、岩爆、流沙、有害气体、地下泥石流及地下水侵蚀、泄洪区岸坡冲刷等等。

大中型水电工程常位于深山峡谷区,地质环境条件复杂,工程区常分布有综合成因的大型堆积体(如崩塌、滑坡、泥石流、坡积、冲洪积、冰积等混合堆积体),并经长期后生改造,地表形态不完整。许多工程区地质灾害众多,严重威胁水电工程的安全。地质灾害对水电工程的影响主要体现在对水库工程区、枢纽工程区、附属或临建工程区的影响,其中附属或临建工程区主要包括进场公路、天然建筑材料场地、堆弃渣场、砂石加工系统、业主营地与承包商营地等。大规模的地质灾害一旦发生,往往会造成重大人员伤亡和财产损失,轻者则延误工期,增加成本,重者则坝毁人亡,对水电工程带来毁灭性的影响。山体崩塌滑坡埋没电站设施,阻断交通和输电线路,引发水库涌浪甚至翻坝;特大山崩阻断河流形成堰塞湖,溃决后对下游造成威胁,山崩区往往形成持续发育、具有周期性成灾特征的山崩区和泥石流源,丰富的物质源源不断地输入河流,侵占库容。

纵观国内外水电工程,不乏地质灾害对水电工程造成重大影响的例子。

1963年10月9日发生的意大利瓦依昂大滑坡,是一次震惊世界的大坝失事。巨大的深层滑动岩体(据估计为2.8亿m3)从峡谷左岸在 30s内快速滑至库底,产生260m高的涌浪,越过高276m双曲拱坝的坝顶冲向下游河谷。下游郎加隆镇的大部分房屋、道路,在7min后荡然无存,死亡近 3000人,正在坝址现场观测的 45名工程师全部罹难。

我国的三峡、二滩、小浪底、溪洛渡等水电站,涉及到的天然边坡高达1000m以上,工程边坡可达200～300m高度,亦遇到很多边坡崩塌、滑动、倾倒蠕变等现象,危及工程的安全。

2009年 7月 23日凌晨 1时许,四川康定县普降大到暴雨,两小时降雨量达56.1毫米。凌晨2时57分,暴雨致使舍联乡干沟村响水沟(省道 211线225K处)发生特大泥石流灾害,冲毁响水沟大渡河切口处的长河坝水电站建设施工单位营地,形成长约 500m、最大宽度约 500m、平均堆积厚度约 5m、总体积约 40万m3的堆积扇(成分泥石混杂,最大的一块孤石长12m、宽5m、厚3m、体积约180m3,并致使大渡河一度堵塞,出现堰塞湖险情。此次灾害共造成18人死亡、36人失踪、4人受伤、141人被困;省道 211线多处中断,3000m道路被淹没,1500m道路被冲毁;136间工棚、32台车辆、61台机具、80台设备被毁,冲走各类建筑物资1400t。估算直接经济损失 8000余万元。

3 水电工程地质灾害风险控制与管理

鉴于地质灾害风险在水电工程中的重要性,需要正确认识,采取积极的风险管理措施应对。地质灾害风险经论证后 ,在工程上采取切实有效的措施使风险出现的可能性尽量减小 ,并对其影响范围予以限制。除在工程上采用技术措施对风险的出现进行有效的抑制外,也可采取近代工程风险的管理办法 ,使地质灾害风险得以回避、抑制、转移 ,必要时可采用保险等经济措施 ,在风险发生后能够得到补偿。以下探讨水电工程地质灾害风险的技术控制。

笔者以为,水电工程地质灾害风险控制与管理,主要从三方面入手:一是对水电工程地质灾害进行危险性评估;二是对存在地质灾害风险的部位采取行之有效的防治措施;三是建立地质灾害监测系统及预报预警系统,制定地质灾害应急及处置预案。

3.1 地质灾害危险性评估

地质灾害危险性评估主要包括地质灾害危险性现状评估、预测评估、综合评估。评估程序见图1。

图1 地质灾害危险性评估工作程序

根据国土资源部《建设用地地质灾害危险性评估技术要求》,地质灾害危险性被划分为三个等级:(1)地质灾害危险性大;(2)地质灾害危险性中等;(3)地质灾害危险性小。

地质灾害危险性大,指场地存在各类不良工程地质现象,并且已发生过严重的地质灾害,场地稳定性差,工程建设会受到地质灾害的危害,或工程建设必然会诱发或加剧地质灾害的发生。

地质灾害危险性中等,指场地存在不良工程地质现象,场地稳定性较好,但当场地条件稍有变化就可能发生地质灾害,在工程建设中宜采取一定的措施进行防范。

地质灾害危险性小,指场地稳定性好,地质环境条件没有重大变化,不会发生地质灾害,工程建设不会受到地质灾害的危害,也不会诱发地质灾害。

3.1.1 地质灾害危险性现状评估

地质灾害危险性现状评估即对枢纽建筑区、建材开挖区、场内公路区、堆渣区、水库区、移民搬迁新址及生活营地区等不同部位的地质灾害类型、发育特征及危险性现状进行全面评估,划分地质灾害危险性等级,为后续处理收集第一手资料。

3.1.2 地质灾害危险性预测评估

地质灾害危险性预测评估主要指对水电工程建设诱发或加剧地质灾害危险性的预测。水电工程在建设过程中和建成运行后,包括库区范围内的地质环境,特别是水文地质条件、岩土体原有的力学平衡状态将会随之改变,这些改变可能诱发或加剧地质灾害,主要表现为滑坡、崩塌、河岸坍塌、人类工程活动诱发的滑塌失稳、浸没、坝基渗透稳定问题等。应根据工程建设特点、评估区地质环境条件、主要工程地质问题的性质特征及承灾对象,进行预测评估,并提出有针对性的处理措施。

由于地质体的复杂性、天然性及不均匀性,加之水电工程的建筑物种类多、场地范围大,在进行预测评估时,需综合分析、研究地质条件与建筑物相互作用下可能诱发并遭受的各类地质灾害。除对滑坡、崩塌、泥石流等进行预测评估外,对重点地段,如坝基(肩)边坡、明渠(引渠)边坡、隧洞的进出口边坡、土石料场开挖边坡等地段易诱发滑坡、崩塌的灾害;在隧洞的浅埋段可能引发并遭受冒顶等地质灾害;在隧洞的深埋段坚硬岩可能引发岩爆、软岩可能引发岩体大变形等地质灾害;水库蓄水后可能导致水库诱发地震、滑坡涌浪、库岸再造、水库渗漏与浸没等地质灾害;弃渣处置不当可能诱发泥石流、滑坡灾害;隧洞尤其是在可溶岩地区及构造发育区的长引水隧洞的开挖产生突水、突泥将导致水文地质条件的改变,影响隧洞上部及周边居民生产、生活环境的变化;开挖爆破振动,可能导致周边山体的失稳或居民点地基、斜坡开裂等;均应深入进行分析、评估。

如果在前期探勘中及早认识到工程诱发地质灾害危险性,并采取相应的应对措施,就能在施工阶段避免重大损失。如瀑布沟水电站加里俄呷块石料场位于坝址左岸上游约 4km的加里俄呷沟口公路一带,其中块石料系澄江期中粒花岗岩,分布高程800～1100m,地形平均坡度50°,表层局部有2～4m崩坡积之块碎石(土)覆盖;岩石主要受四组裂隙切割,岩块大小以0.4～0.8m为主。该料场本身为崩塌危岩体,边坡稳定性较差,但由于在可研阶段就准确预测到开挖后可能产生的开挖边坡的块体失稳,诱发地质灾害可能性大,危险性大,在施工阶段就采取合理措施,故未发生工程事故。

3.1.3 地质灾害危险性综合评估

地质灾害危险性综合评估主要指根据水电工程坝区、库区地质环境条件,地质灾害发育特征,人类工程活动情况及建设工程的重要性,综合考虑工程建设可能诱发、加剧地质灾害的可能性,工程建设本身可能遭受地质灾害的危险性,对整个坝区、库区进行地质灾害危险性分区。

3.2 地质灾害的防治措施

根据现状评估和预测评估的结果,按整个工程区内不同灾种和危险性提出相应的防治措施。地质灾害的防治应贯彻“以防为主,防治结合”的原则,以达到保护地质环境,避免和减少灾害损失的目的。对于分布范围广、危害程度大的灾害,工程布置应采取绕避原则;受经济、人为、地形要素控制,工程建筑必须通过地质灾害区,则应采取避重择轻,尽量减少其影响和根据不同灾种选择有利的通过位置和合理的通过方式,并应在采取必要的防护治理措施后通过的原则。下文主要介绍崩塌、危岩、落石,水库坍岸,边坡失稳、滑坡,泥石流的防治措施。

3.2.1 崩塌、危岩、落石等灾害的防治措施

对评估区内崩塌、危岩、落石危害性大的路段,公路建设中应采取绕避或以隧道通过的方式予以避开。在设计中,应采取刷坡清除、镶补勾缝、加固支档、修筑拦石墙和排水等措施;在施工过程中,应严格控制爆破用药量,分级开挖及时支护,发现危石及时清除或支撑加固,对影响斜坡稳定性的岩体空洞、裂隙及时镶补勾缝、拦截疏导斜坡地表水和地下水。

3.2.2 水库坍岸的防护措施

水电站蓄水后水位抬高,将影响两岸分布的滑坡、崩塌等松散堆积物的稳定性。在边坡防护设计中,可采用干砌片石护坡、挡墙、抛石或干砌片石与挡墙相结合的库岸防护或路基防护措施。对有居民和农田分布的地段,建议居民后撤至塌岸影响区以外,并采取防护堤等工程措施和生物措施,同时禁止一切破坏岸坡的人类工程活动。

3.2.3 边坡失稳、滑坡的防治措施

斜坡挖方地段,由于受堆积体的物质组成、岩体中结构面组合及岩层倾向等影响,施工中或工程建成后仍可能产生边坡失稳,引发滑坡与崩塌等地质灾害,其规模和危害程度与开挖边坡的高度和坡度等有关。

在具有高、中危险度的工程高边坡段,应采用设台阶及适当放缓边坡坡度、全断面边坡喷锚支护,或采用下挡上护措施,必要时采用预应力锚索加固;在具有低危险度的边坡段,可采用坡面防护,下设挡墙、脚墙的防护措施。上述地段尚应做好防水、排水工程,避免地表水渗入岩土体内。在斜坡地带坡积层上填方加载时,可能会导致坡积层沿下伏基岩面滑动,对此可采取路堤挡土墙、路肩墙防治,挡墙基础宜深入基岩一定深度。对边坡有危岩、危石分布的隧道进、出口地段,应视情况采取预先清除、支护、加固、锚固、网固等措施。

对于路线通过的滑坡地段,首先应消除和减轻水对滑坡的危害,采取拦截或引排措施将影响斜坡稳定性的地表水、地下水引、排出滑坡体外,必要时采取支撑渗沟和排水隧洞引排埋藏较深的地下水。其次是在必要时采取支与挡、减载与反压等措施改善滑坡体力学平衡条件,减小下滑力,增大抗滑力,确保滑坡稳定。在施工过程中,应严格按照施工程序施工,优化边坡开挖方法、控制爆破等。

3.2.4 泥石流灾害的防护措施

对泥石流的防治原则应以防为主、防治结合。

(1)预防措施:对于与工程直接相关的泥石流沟,一是在工程可行性研究阶段,认真做好泥石流的辨识工作。就公路建设而言,根据通过泥石流地区的选线原则,选择最佳的路线方案。二是采用恰当的工程措施通过泥石流沟。根据本地区泥石流沟的特点,公路通过泥石流沟时,只宜采用桥梁工程跨越,桥长应足够,宜采用大跨度,留足桥下净空,避免在沟槽中心设置桥墩。三是采用生物防治措施,采用封山、育林与合理耕收相结合的方法,通过控制地表径流,防止坡面侵蚀,达到根除泥石流灾害的目的。

(2)治理措施:结合本地区特点,应选用固稳、挡储、排导等措施,禁止随意乱堆乱弃,特别是严禁在主沟槽内堆放弃渣,以防弃渣增大泥石流量。尽量少占压河床,并加强导流工程。对桥台锥体要加强防护。

3.3 预报预警与应急预案

建立地质灾害预报预警系统,制定地质灾害应急及处置预案,这一措施在地质灾害处理过程中的重要性不言而喻。在雨季等特殊情况下,对地质灾害危险部位提前预警,撤离人员、设备,能最大程度地降低地灾损失。地质灾害应急处置的整个过程突出体现为防灾、减灾的实时性,避免贻误减灾时机,努力把人员伤亡和灾害损失降低到最低程度。