我国水电工程边坡治理若干问题的思考与研究

张 雄，杨泽艳

(水电水利规划设计总院，北京100120)

0 引 言

近10年来，随着我国一批世界级特高坝，如锦屏一级、小湾、溪洛渡、乌东德、白鹤滩、双江口等水电工程的相继建设，孕育出一批世界级高边坡工程，如溪洛渡左岸谷肩堆积体总方量约为8 200万m3，小湾开挖边坡高达670 m，锦屏一级特高深卸荷松弛岩体组成的边坡高达530 m。目前，我国水电工程边坡无论是建设规模还是开挖高度均处于世界前列，取得了举世瞩目的成就。典型水电工程高边坡见表1。

虽然我国边坡工程治理取得了辉煌的成就，但同时也付出巨大的代价，有一些水利水电工程边坡在施工中面临巨大挑战，如苗尾右岸坝肩边坡、梨园念生垦滑坡体、大岗山右岸坝肩边坡、江坪河谢家岭滑坡体等水电工程在施工期均出现不同程度的边坡失稳问题。其中，小湾饮水沟堆积体治理花费约1.7亿元，大岗山右岸卸荷体治理花费约2.1亿元，工期延误1年。这些工程的规模和所包含的技术难度都是空前的，在勘察、设计、施工及监测预报上许多问题上尚需深入研究。在治理这些边坡工程的过程中，积累了丰富的经验，形成了一整套高边坡治理措施，有必要对其中的经验与教训进行系统总结，以更好地指导实践。

表1 典型水电工程高边坡[1]

1 高边坡工程主要特点及难点

1.1 主要特点

(1)地质条件复杂。目前，我国大多数高边坡处于西南地区，河谷深切狭窄，谷坡陡峻，地应力水平高，高寒高海拔，地质条件复杂，风化卸荷严重，物理地质现象发育，岸坡崩塌、滑坡等地质灾害频发，滑坡堵江事件时有发生，岸坡岩体卸荷深度大，岩体松弛破碎，天然岸坡稳定性较差[2]。

(2)工程边坡高陡，规模巨大。一般临河高度大于1 000 m，最高可达2 000～3 000 m，岸坡坡度一般40°～60°。边坡开挖高度一般从百米级至数百米级，坡度一般达70°～80°，开挖体积从数十万至数百万m3，开挖水平深度从数十米到上百米，甚至数百米，稳定问题突出。

(3)建设工期短、速度快、强度高，工程安全控制标准高，施工建造难度大。如两河口工程边坡地处高寒高海拔地区，昼夜温差高达20 ℃，支护和工期的矛盾特别突出，给边坡的建设提出了高难度问题。

(4)运行工况复杂，失事影响巨大。在进行枢纽格局比选时，避开大的边坡问题常常是主要的考虑因素。而随着我国水电建设逐步深入，大多坝址往往面临着前有狼后有虎的严峻局面。如卡基娃水电站左岸坝前、坝顶以上是覆盖层边坡，坝后是右岸2号泄洪洞出口覆盖层边坡及左岸卡基娃滑坡体。卡拉水电站、托巴水电站等也都面临此类高边坡问题。

1.2 主要难点

(1)复杂性。一方面是地质条件复杂，另一方面是认知复杂。边坡工程作用效应复杂，作用机制尚不十分清楚，工程控制难度大，如爆破开挖、锚固支护、防渗排水、库水骤降、泄洪雾化等耦合作用。与其他类型工程边坡相比，水电工程边坡除经受地震和降水等自然力作用外，还要经受诸如水工建筑物、库水、泄洪雾化水等工程作用，工作状况、作用机制及作用效应复杂，加之超高、特高工程边坡治理的工程经验不多，稳定控制难度很大。

(2)后验性。大多数边坡在没有扰动、暴雨或者地震等外界因素作用下往往具有一定的稳定性，在人类活动作用下，其变形规模和速度远远超出现有的认识，往往具有后验性。如梨园念生垦沟堆积体总方量约2 000万m3，大部分呈较宽缓的堆积台地地形，平均坡度约6°，临江地段坡度为20°～45°，因导流明渠在此切脚，导致堆积体水平位移速率曾一度达460、380 mm/d。小湾工程为了确保混凝土浇筑强度，调整了部分建筑物的布置，致使开挖规模增大，加大了对饮水沟堆积体的切脚效应和扰动。

(3)两难性。一方面是边坡工程安全控制标准，另一方面是随着水电对投资控制越来越严格，如何既确保安全，又经济地治理边坡尚需深入研究。如瀑布沟泄洪洞出口边坡紧邻成昆铁路，为泄洪雾化边坡，根据预测的泄洪雾化范围和强度，为此需加大投资1亿元，对此有着不同的争论，最后在确保安全的前提下，进行了较为彻底的治理。但据后来的泄洪雾化范围检验，雨强和范围均远远低于此前的预测。

边坡治理工程总的来说还处于半经验、半理论阶段，主要还是以实践为主，总结其中的经验与教训是非常有必要的。为此，本文针对水电工程常遇到的顺层边坡、倾倒变形体、深部卸荷带、堆积体、泄洪雾化边坡等进行工程案例分析，通过正反案例对比，系统总结其中的经验与教训。

2 典型边坡工程案例

2.1 顺层边坡

(1)漫湾水电站左岸顺层边坡。为走向N40°W的单薄条形山脊，三面临江，左岸边坡主要为流纹岩，强风化岩体水平厚度30～40 m，边坡开挖时左岸坝肩下游、缆机平台下部产生了大范围平面型滑移破坏。1989年1月7日开挖爆破后随即发生了大范围平面型坍滑，约10.6万m3，滑坡历时17 s，影响工期1年。滑坡发生时，将已完成的13个水平抗剪洞全部切断，破坏面有7个呈直断口，4个呈斜断口，其间的钢筋大部分有颈缩现象，部分为齐口；锚筋桩被推翻、拉出；高程937 m永久公路、高程920 m施工便道被剪断、错位。分析原因主要为：①1 024～1 030 m高程的缆机平台和左Ⅰ线999 m高程公路率先形成，限制了削坡减载的可能性，相当部分强风化岩体保留在边坡上，成为滑坡的主要塌滑体。②边坡的开挖方向与节理面的倾角一致，节理面十分密集，形成了滑床。③水平抗剪洞的施工质量不易保证，导致支护力不足。④施工时不加控制的大爆破，进一步增大了节理岩体的连通率。16:00 时，左岸边坡开挖连续2次放炮，装药分别为2.8、1.5 t，放炮后约1 h，后缘裂缝张开2 mm，18:56时发生塌滑[3]。

(2)洪家渡左岸进水口顺层高边坡。坡高360 m，坡度25°～30°，主要为灰岩，层间软弱夹层发育，充填粘土及岩屑，局部溶蚀扩展，主要为泥夹岩屑型，地层单斜，岩层倾向与边坡坡向呈小角度相交，构成顺层状同向边坡，发育较大断层2条，裂隙4组。采取巨型抗滑桩、锚索和排水处理，在引水隧洞之间见缝插针布置了10根宽20～24 m、厚5 m、高40～80 m的巨型抗滑桩。在低高程布置227根3 000 kN级预应力锚索，坡面设排水洞，蓄水至今运行良好。

顺层边坡一般稳定性较弱，应引起高度重视，在不能削坡减载的情况下，应以强支护为重要的治理原则[4]。

2.2 倾倒变形体

(1)苗尾水电站右岸倾倒变形体。2013年5月27日16:00时，大坝右坝基上游侧至小溜槽沟坡面发生浅表层垮塌，垮塌体厚1～3 m，长约45 m，垂直高度约18 m。后经巡视发现，垮塌部位上方2道被动防护网之间出现多条裂缝。该边坡岩体主要为千枚状绢云母岩与变质石英砂岩构成的反倾板块。监测资料揭示，在边坡加速下滑前期，该边坡位移就呈缓慢增加趋势，如果加强巡视并分析边坡监测资料，可提前采取防范措施，避免较大的损失。后采取底部先行填渣护脚，系统排水孔+锚筋桩+锚拉板或框格梁+预应力锚索的加固方式，并要求做好束腰设计。经治理后，边坡趋于稳定。

(2)龙滩水电站左岸坝肩高边坡。分为倾倒蠕变岩体边坡和电站进水口边坡，2个边坡区相互联系且相互影响。除T2b10层以泥板岩为主外，其余以砂岩为主，或砂岩与泥板岩互层岩组。区内NE向断层和层间错动发育，优势节理裂隙发育，以陡倾角为主，是1个典型的反倾向工程边坡。施工过程中，始终坚持控制爆破、动态设计、信息化施工、合理安排，解决了开挖与支护的关系，取得了较为成功的经验。在全部挖除左岸坝肩潜在滑动体后，系统设置了地表地下排水、对穿预应力锚索、预应力锚索、钢筋桩、系统锚杆、挂网喷混凝土等工程措施，并强化了施工期安全监测。在施工过程中，特别强调提前形成地下排水洞、超前加固等安全施工程序[4]。

目前，对倾倒变形体的认识尚不深入，理论计算尚无统一的计算方法，治理难度较大，需谨慎对待。龙滩水电站采取的是精细化施工措施，稳打稳扎；苗尾水电站主要采用强束腰的治理思路。

2.3 深部卸荷带

锦屏一级水电站左岸边坡高540 m，出露较多不良地质结构面，如较大的断层F5、F8、F42-9，煌斑岩脉X及深部裂缝SL44-1等，几种结构面互相切割，相互组合成多种潜在滑移块体，存在多种滑移模式。最大的治理难题是针对由F42-9断层、煌斑岩脉X及SL44-1裂隙密集带控制的“坝肩及上游侧楔体双滑结构”。大岗山水电站2009年8月右岸边坡开挖至1 070 m 高程时出现滑动变形，最大变形达27mm，多点位移计测值持续增长不收敛，边坡开挖被迫中止。经补充勘探和计算分析，发现受f231断层、岩脉XL316-1、XL9-15等深部卸荷带的影响，致使影响工期1年[5]。

锦屏一级采用以“深埋混凝土抗剪结构”为主要技术的系统治理方案，在压剪破坏区1 883、1 860、1 834 m高程F42-9断层处，设置3层长分别为78、90及110 m的抗剪洞，结构尺寸为9 m×10 m(宽×高)，并配制钢筋增加结构抗剪能力；大岗山借鉴锦屏一级高边坡的治理思路，采用“深浅结合、表里联合、综合治理”的处理思路，采取“6层抗剪洞、锚固洞+斜井+锚索支护+贴坡混凝土+排水”的处理方案。可见，深层卸荷带的治理主要以置换、设置抗剪洞、锚固洞增加边坡的整体稳定为主。

2.4 堆积体

(1)小湾水电站左岸饮水沟堆积体。小湾拱坝左岸边坡开挖高度约700 m，右岸边坡高度约600 m，边坡陡峻，开挖体型复杂，变形破坏样式多。小湾工程开挖支护原则为“高清坡、低开口、陡开挖、强支护、先锁口、排水超前”。在开口线以外进行较彻底的清坡，做好地表排水，并在开口线外侧打3排锚筋桩，采用较陡的开挖边坡，坡面采用系统锚杆、喷混凝土和预应力锚索加固、地下排水洞超前施工等综合加固措施。在强风化、强卸荷岩体和崩坍堆积体中，采用组合螺旋钻跟管钻机造孔、钻孔固壁注浆、土工布包裹锚索止浆等技术，解决了造孔难、穿索难、漏浆量大等技术难题。对岩质边坡，按10 m高梯段开挖，每台阶留3 m宽施工马道，边坡预裂严格控制主爆破区、缓冲区及预裂爆破的单响装药量，以控制爆破振动的影响；随机锚杆紧跟开挖面，系统锚杆及喷混凝土滞后开挖工作面1层，锚索支护滞后2层，由表及里、自上而下、稳扎稳打、逐层加固[6]。

(2)梨园念生垦堆积体。堆积体底部为残坡积层的粘土质砂或粘土质砾，中上部为坡积、洪积、塌滑堆积等多种成因形成的混合堆积物。原始地形平缓，从原始地貌形态、开挖揭示的多个次级滑面等分析，该堆积体形成后，历史上曾产生过多次滑动，但导流明渠开挖前未见明显变形迹象。按照分级、分期的思路，采取削方减载、系统排水和抗滑支挡等工程措施进行综合治理。

(3)立洲坝前2号堆积体。距坝轴线最近距离45 m，最远330 m，其下游侧为引水建筑进水口，对岸为导流洞进口。堆积体物质成分主要为崩塌堆积块、碎石夹大弧石，可见钙、泥质胶结，胶结程度一般，局部有架空现象，平均厚度50 m， 最大厚度可达140 m。经分析论证，在水库蓄水后，即使边坡失稳，其表现为局部渐进式滑动，堆积体前缘部分可能局部失稳或缓慢滑落，但不会产生高速下滑，虽对大坝、进水口等枢纽建筑物正常运行有一定影响，但不会危害建筑物安全。定义边坡类型为B类水库边坡，等级为Ⅱ级边坡，最终只做排水处理，水库蓄水后运行良好。

2.5 泄洪雾化边坡

李家峡水电站泄洪雾化边坡由于泄水雾化，再加上严寒天气，泄流区左岸山坡形成最大3.0～4.0 m的厚冰层。因冰层附加重量及昼夜温差交替消融作用，再加上排水不畅、控制面软化及孔隙水的作用，1997年3月1日致使f158断层上盘岩体塌滑，塌方约40万m3。当时泄洪情况：底孔、右中孔交替泄流，泄流量200～570 m3/s，持续泄流共23 d。泄流期间，边坡处于强大的雾雨影响范围，雾雨在滑塌堆积体内形成大量的渗流，恶化了堆积体的稳定条件。经再次对塌滑体采取削头、坡面防渗排水、锚固和抗滑挡墙的处理措施，边坡逐步趋于稳定。

2.6 危岩体

贵州乌江索风营水电站Dr2危岩体位于右坝肩T1m灰岩陡壁上，地形地貌表现为近乎直立，局部倒悬的陡壁，顶部高程1 080 m，底部高程900 m，卸荷高度达180 m，卸荷张开最大宽度为1.5 m，危岩体厚10～20 m，方量78.53万m3。危岩体距右坝肩最近水平距离140 m，距进水口水平距离约100 m。Dr2危岩体加固处理从2003年8月开始启动实施，大规模加固处理从2008年开始，全部加固处理措施于2013年12月28日完成，整个危岩体加固处理历时约10年4个月，最终采取的方案为 “顶戴帽、腰系带、脚穿鞋”。顶部各条裂缝采用混凝土进行封闭，外加锚索拉住；中部锚杆、锚索加固；下部抗滑桩+灌浆；用钢筋混凝土将抗滑桩和锚固洞联合加固；从上到下4层排水。加固处理后多年的监测数据表明，Dr2危岩体加固处理后其变形已趋于收敛，其稳定满足规范要求。

2.7 边坡实时监测

拉西瓦水电站果卜岸坡变形体位于右岸坝前石门沟上游～双树沟范围，距离坝前900～1 700 m，坡高650～700 m，总方量达9 000万m3。2009年3月1日水库蓄水后，果卜平台及岸坡多处出现裂缝及变形迹象，岸坡前缘局部发生崩塌破坏[7]。随着水库水位的抬升，果卜岸坡变形及破坏明显加剧，目前顶部最大水平位移30.4 m，最大垂直位移25.3 m。因治理方量、治理难度巨大，主要采取监测预报的方法，实时监测边坡动态。

3 对策及措施

我国已成功建成了一大批高陡边坡，在高边坡的治理技术方法积累了丰富的经验，总结其中的经验与教训，主要有以下几点：

(1)精心勘测设计是前提。前期勘探要尽可能揭示软弱结构面的发育程度、分布走向、组合关系、地下水的分布情况。对具体加固处理措施，如排水、减载压坡、优化边坡体型(采用台阶式开挖)、锚固(预应力锚索、锚杆)、抗滑结构(抗滑桩、抗剪洞、锚固洞)等，要结合地质及施工条件等进行综合判断，遵循“安全适用、经济合理、技术先进、确保质量”的基本原则[8]。

(2)精细化施工是关键。不恰当的施工方法可能导致稳定边坡的失稳，甚至导致施工安全事故。边坡开挖应按岩体自身的稳定条件，合理确定开挖边坡系数和开挖顺序，自上而下开挖，杜绝切脚开挖。开挖爆破前，对于潜在不稳定岩体，可采取预加固措施；边坡坡脚岩性软弱，易于风化或受到水力冲刷时，应研究设置适当的坡脚支挡结构或抗冲刷保护措施，以保持坡脚的稳定性；开挖时要先做好锁口，采取短进尺弱爆破掘进，或由内向外，短进尺弱爆破掘出；控制放炮药量，减少放炮振动；先锚后挖或及时锚固；边坡开挖尽量避免雨季施工，并力争一次处理完毕；雨季施工应采用临时封闭措施，坡顶外边缘要先形成排水沟，甚至要先完成排水洞、排水孔幕的施工后，再进行开挖，治坡先治水已成行业共识。

(3)全过程安全监测是保障。实时预测，及时报警，并启动应急预警系统，及时采取有效处理措施，防止重大人身伤亡和工程损失。施工期开展边坡地质分析，密切关注边坡地质条件和岩土参数的变化，并进行变形监测。

4 有待深入研究的重要问题

为更好地指导边坡设计与治理，对近几年水电工程边坡建设情况，以及边坡稳定性咨询与评审过程中发现的问题进行了系统总结，尚有一些问题值得深入研究。现行的DL/T 5353—2006《水电水利工程边坡设计规范》已经施行了近10年，基本符合边坡建设现状。目前，该规范正在修编，有必要对规范中存在的问题进行深入探讨。

(1)边坡等级。规范将水电边坡划分为A类枢纽工程区边坡、B类水库边坡，相应分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，经实践检验，对应的安全系数总体来说是合适的。但随着安全要求日益提高，以前相对忽视的料场开挖边坡、堆渣边坡、临时边坡的安全稳定问题应加强重视。官地水电站竹子坝料场边坡曾在施工中发生过大面积塌滑，塌高约78 m，最终重新调整处理方案，投资近亿元。

(2)治理思路。目前，我国边坡规范对永久边坡的安全系数是固定的，但有些边坡范围很大，产生的影响在施工期与永久期是不一样的，采用同一安全系数，一次性治理，治理代价非常巨大。如猴子岩水电站的泥洛堆积体如按永久边坡要求，边坡等级为A类I级边坡，处理工程量较大，工期长，费用高，边坡处理将导致村公路交通中断，影响村民的正常出行。同时，该边坡处于泄洪雾化范围，真实状况可能与预测的泄洪雾化范围不一致。经研究确认，边坡整体稳定性较好，边坡前缘存在局部失稳，但不会对水工建筑物造成影响。堆积体边坡整体稳定按A类I级边坡稳定安全标准控制，前缘局部稳定按A类Ⅱ级边坡稳定安全标准控制。在治理思路上，采用分期分批的处理思路，对前缘和泄洪雾化区域进行必要的处理与坡面封闭，并根据泄洪及监测情况，采取必要的削坡减载措施。对此类范围较大，历时较长的永久边坡，建议应根据边坡失稳产生的影响，在边坡安全等级、安全系数、治理措施上有所区分，动态调整，而不是固守边坡规范上的安全系数不动，导致治理代价巨大。

(3)暴雨工况下参数的取值。现有规范对地下水作用规定不明确，降水或泄流雨雾对地下水位雍高无明确的规定。事实上，发生滑坡的大多数边坡往往都是在连续暴雨后。如果对这一工况没有明确规定，导致设计人员带有极大的主观性，对边坡稳定性状态不能较准确地判断。目前，各个设计院算法不一致，有的将地下水位线抬高1/3，加上适当地折减土体粘聚力c、内摩擦角φ；有的只抬高水位；有的只折减c、φ。建议对此进行深入研究，针对不同的岩体、雨强，提出1个参数建议表，以指导设计。

(4)抗震分析。经汶川、芦山地震的检验，基本上可以达成一个共识，凡是经过锚固的边坡稳定性都较好，但计算尚难体现这一情况。目前，规范对地震作用无明确规定，如边坡地震设防标准确定，拟静力法计算中动态分布系数的取值、动力分析方法的使用原则和条件等，应对这些情况予以明确。

(5)锚固机理、计算分析。实践证明，预应力锚索、预应力锚杆、抗剪洞、锚固洞等加固措施效果十分明显，但这些效果在有限元等数值分析方法中很难体现出来。实际上，整片的锚索、锚杆对提高边坡整体的岩体参数有很大的作用。锚固件和岩体的相互作用机制、锚固岩体的变形与结构强度特性以及锚固岩体力学行为等问题需要深入研究。

(6)滑坡滑速、涌浪分析。近坝库岸滑坡是水库蓄水运行期间普遍存在的地质灾害现象，国内外已建的正式蓄水的水库很多都存在着程度不同、表现形式各异的库岸滑坡现象或隐患。评价库岸滑坡涌浪的危害性，就必须预测涌浪到达不同位置处的浪高。目前，预测浪高主要采用经验估算法、模型试验法和数值模拟法，计算结果差别较大，无法判断哪个较为可靠。建议对目前已经产生的滑坡涌浪进行系统分析，推荐可靠的计算方法及其适用条件。

(7)风险设计。影响边坡稳定的因素很多，多数影响因素是随时间和环境变化的，少数因素是相对不变的。如暴雨、地震、治理者的认识等，大多数变量不是定值而是随机变量和随机函数。特别是对于治理难度较大，但发生概率极小的边坡，如按传统的定值设计，治理代价巨大，往往难以被业主接受。如引入风险设计，对发生的概率与失事后的影响进行综合判断，在此基础上引入工程保险，将会大大降低工程造价。