水利水电高陡边坡工程防护研究

(重庆交通大学河海学院 重庆 400074)

一、引言

随着不可再生能源的开采，我们急需探索新型绿色可再生能源，如风能、核能、水能等。其中我国可开发水电资源蕴含量十分丰富(6.9×108kW)，包括黄河、长江、澜沧江、怒江、金沙江及雅砻江等水力资源的开发是引领未来水电能源发展的一面旗帜。其中我国西南地区是水资源的富集区，但是自然条件十分恶劣，多为高(低)山峡谷地貌。进行水电能源开发，遇到最严峻的问题便是高陡岩质边坡稳定问题[1]。

水电资源的开发速度远远赶不上我们经济增长速度，近10年来，随着我国经济快速发展及对清洁能源强大需求，占全国水力资源2/3的西南地区水电资源开发呈加速上升趋势。受青藏高原构造隆升影响，西南地区形成河谷深切的高(低)山峡谷地貌，地应力高，岩体卸荷发育，地质灾害频发，且地质结构复杂，地震烈度高，天然岸坡稳定性较差；水利水电工程规模巨大，不可避免地衍生一批复杂边坡工程是，随着水能的进一步开发，遇到的边坡工程的规模也越来越大，一般200～300m级的高坝工程，需要人工开挖边坡将达到300～500m，开挖边坡上部还可能存在数百米至千余米自然边坡，工程高边坡稳定问题十分突出[2]。本文旨在总结和介绍高陡边坡工程特点以及工程防护研究，为水电资源开发和基础设施建设提供一定借鉴。

二、水电工程高陡边坡问题研究

(一)自然陡坡

岸坡地质条件复杂，稳定条件差。主要表现为岸坡区属高(低)山峡谷地貌，河水切割侵蚀能力强，形成自然高边坡；岸坡经历表生改造阶段进入时效变形阶段，原岩应力状态被打破，近平行岸坡方向发生卸荷回弹，表生卸荷裂隙较发育，岸坡崩塌、滑坡等时有发生。

(二)人工开挖边坡

随着水电大型项目的推进，遇到的工程岩石力学问题复杂多样(见表1)。边坡开挖高度一般从几十米级至数百米级不等，坡度一般达60°～80°，开挖方量从数万至数百万立方米不等，开挖水平深度从数十米到上百米不等，临空面约束释放，岩体应力重新调整，卸荷回弹现象较为明显，岸坡稳定性问题十分严峻。

表1 大型水电工程高陡边坡情况

(三)变形控制

高陡边坡工程变形控制制约因子多样，作用机制研究不足，工程安全控制难度高。诸如地层岩性、地质构造、开挖技术、锚固支护技术、防渗排水、库水位骤降、泄洪雾化现象等。

高陡边坡变形控制关键环节是时效变性阶段(自重应力作用下)，重视推进岩土体变形理论、岩土与结构相互作用的理论研究，施工过程中进行动态安全监测，及时反馈分析，实现动态信息化施工。根据经验综合考虑高陡边坡变形稳定性控制设计原则：低开口、高清破、缓接坡、强锁头及紧固脚等。

三、河谷高陡边坡应力场条件研究

(一)高山峡谷地貌形成

早更新世川西-藏东地区强烈的差异抬升，导致EW向及或SN向巨大的地势差，河流纵比降的增大加速了河流的溯源侵蚀作用，西部在早更新世广泛发育的星罗棋布的湖泊与东部之间的单薄分水岭在强烈的溯源侵蚀背景下逐渐降低，终于在早更新世晚期-中更新早期这些分水岭相继被切穿，大渡河、金沙江和岷江上有相继贯通。

中更新世在攀西地区对河流的侵蚀相当于3200m，切割深度约1400m，表明中更新世抬升速率大，河流纵比降大，河水侵蚀能力强，是地壳快速抬升的表现，导致东部河流切穿与西部湖区的分水岭，区域性侵蚀基准面降低，形成深切峡谷地貌[3]。

晚更新世-全新世具有明显间歇性下切的特点，这一阶段西部地壳抬升的阶段性和河流强烈的侵蚀能力，峡谷下切程度达到5～10mm/a。究其原因，20万年以来，经历两次大的冰期的消融期，丰富的水源是导致峡谷下切的主要原因。

(二)河谷边坡应力特征及其破坏发育规律

工程实践已经表明[4-7]，我国河谷应力随河谷临空面的距离具有明显分带特征(见图1[3])，研究河谷应力场特征对认识河谷边坡演化历史和演化进程以及工程实践具有重要意义。

河谷边坡应力场表现为明显的分区、分带特点，随着河谷下切，岸坡侧向应力解除，紧接着应力发生重分布，岩体产生向临空面卸荷回弹的现象。伴随这一过程，边坡应力随着变形状态不断调整，最终在一定深度范围内形成河谷岸坡二次应力分布区[3]。理论上，二次应力区包含应力降低区、应力增高区和原岩应力区，其中对岸坡威胁最大的应力区就是应力降低区。

图1 河谷应力场分布规律

(1)应力降低区(或应力松弛带)：是指靠近河谷岸坡浅部，由于河谷岸坡表生改造作用，形成谷坡应力释放(σ<σ0)。其发育深度与岸坡高度有直接联系，一般为坡高0.1～0.5倍(0～50m)。应力降低区最小主应力靠近坡面方向逐渐减小，在距坡面一定深度范围内形成拉应力区，处于应力增高区与拉应力区之间为压应力区(σ<σ0)，而最大主应力方向平行于坡面，并向坡脚方向逐渐增大。

(2)应力增高区：河谷下切过程中，浅表应力的释放伴随着应力场的重分布，在岸坡一定深度范围内出现应力增高区(σ>σ0)。应力增高区深度范围约为坡高的1/2(距岸坡表面100～300m内)。应力梯度由应力降低区到原始应力区先增后降，应力变化梯度靠近河谷一侧明显偏大。地下工程的选址避开应力增高区，尤其是“驼峰”应力区。

(3)原始应力区：距河谷岸坡坡面一定深度范围内(250～300m)，应力场基本不受河谷下切卸荷影响而保持了原始应力场状态的区域。

河谷底部的应力具有独特的规律，存在一个明显的“高应力包”现象，同岸坡地应力分布规律相似的分带(区)性。应力降低区范围一般0～25m，高应力区应力包范围一般以应力场中σ1不小于25MPa(“岩心饼化”出现的最低应力量级)，应力集中量级25～60MPa不等，深度范围在30～200m内。

岩质高陡边坡演化[8]是地壳上升-河谷下切、应力释放-表生改造作用的一个地质历史过程。河谷边坡形成一般要经历3个阶段：表生改造阶段、时效变形阶段、破坏发展阶段。

四、高陡岩质边坡防护研究

(一)边坡安全防护

目前，极限平衡分析法求解安全系数有三种理论：强度储备(即通过降低岩土体强度来提高安全系数)，超载储备(即通过增大荷载来提高安全系数)，下滑力超载储备(即通过增大下滑力但不增大抗滑力来求解滑坡推力设计值)。

一旦安全系数达不到储备要求，可采取不同的加固措施提高边坡的安全度。目前常采用的边坡加固措施归纳为如下几类：(1)截排水措施，(2)减载措施，(3)压脚措施，(4)支挡措施(5)混凝土抗剪结构措施，(6)锚固措施等。根据[2]文献表6可知，截排水措施和锚固措施在水电高边坡工程治理中应用最为普遍；削方减载和支挡作为辅助措施配合应用；而混凝土抗剪结构处理一些复杂地质情况取得不错的效果。

1.排水和防渗、削坡压脚措施

自90年代末至今，在登录的117个边坡信息中，发现其中53%[9]的滑坡发生变形破坏的诱因是水的作用，也有十滑九水之说。为了防治岩土体强度下降，产生超空隙水压力，就必须控制地表水和地表水。地表水，常采用截水沟拦截和引排，其中坡体以外的地表水，于适当位置拦截引排；坡体上的地表水要注意防渗工作，快速汇集疏出。地下水，常选用渗井、平孔排水、排水洞、汇水隧洞等到排水措施来疏干，大大降低孔隙水压力，提高抗滑力，保证岸坡的稳定。高陡边坡截排水原则是以地下排水为主，地表截、防排水为辅，最大程度上降低岸坡岩体地下水位，减小渗水压力，提高边坡稳定性。

当场地允许时，削坡压脚应是优先考虑的方案。当削坡压脚难以实施或仍不能满足设计标准时，需要结合混凝土挡墙、抗滑桩或预灌浆-梁锚结构等方案治理。

2.混凝土抗滑桩

1943年，太沙基[10]开展了活动门试验，将已屈服土体中的应力传递至相邻稳定介质的这一现象称之为土拱效应。随后，Wang和Yen、常保平、王成华、周德培等关于最佳桩间距计算开展大量研究工作。在抗滑桩与滑坡体相互作用机理方面，采用数值模拟方法全面分析了桩土之间作用机理。随着治理理念的发展，从最初的悬臂抗滑桩到H型抗滑桩、预应力锚索抗滑桩、双排抗滑桩等。混凝土抗滑桩具备易于操作、经济实用的特点，尤其当遇到滑面倾角平缓时，能够更好发挥效果。

3.混凝土沉井

混凝土沉井具备挖土量少、对邻近建筑物的影响比较小，并且沉井基础埋置较深、稳定性好、能支承较大的荷载，已广泛应用于桥梁、烟囱、水塔的基础。减压沉井[12]是一种混凝土框架结构，施工中一般可分成数节进行。在滑坡工程中，沉井深入承压水层能降低承压水头，沉井埋置较深能抵抗较大下滑推力，同时也具备挡土墙的作用。如天生桥二级水电站左坝肩下游边坡进入时效阶段，采用沉井抗滑+坡面保护+排水的支护方案，有效控制边坡的稳定。

4.预应力锚索地梁

预应力锚索地梁[13]的组成有框格梁体系和预应力锚索两部分构成。混凝土地梁对滑坡体表层坡体起保护作用并增强坡体的整体性，防止地表水渗入和坡体的风化。预应力锚索为主动防护措施，锚索把预应力传递到框架梁体系上，然后通过框架梁体系传至坡面上，保证预应力锚索提供抗力的均匀性、连续性及整体性，达到完全稳固边坡的目的。

表2 预应力锚索框架研究进展

5.深埋混凝土抗剪结构

抗剪置换洞采用坡内施工，治理的深度不受结构体本身的限制，对处置岸坡深部不利结构面，控制的岸坡稳定发挥不可替代的作用。技术特点是针对性强，实施难度小。经过地质勘察，一旦发现选址区存在深层软弱结构面或断层时，优选抗剪置换洞方案，该技术适用于结构面上下盘有坚硬完整岩体的情况。针对可能发生深层滑动的结构面上、下盘均为坚硬完整岩体时，利用混凝土或钢筋混凝土置换软弱结构面上软弱土层。

其中抗剪洞在锦屏一级水电站左岸边、坡龙羊峡对近坝、李家峡在左坝肩和大岗山右岸边坡等边坡上的成功运用，取得不错效果。

(二)边坡生态防护

随着我国《水土保持法》的颁布和实施，“生态植物修复技术”方案研究得到了社会各界认识的认可，随着经济快速发展，以及人们对环境保护投入，对生态植物修复技术的研究有重大的意义。

“生态植物修复技术”[20]指的是在工程建设中采用相关的生态植物(如不同的乔、灌、草、藤等)，根据一定比例在特定环境条件下混合配置后，对开挖或填方所形成的边坡进行植被恢复的一种综合技术应用方案，它包含了绿化景观、固土保水、防止浅层滑坡和塌方等生态环境保护”。目前，常选用“普通绿化”、“普通喷播”、“挂网喷播”或“香根草技术”[20-22]等。其中，铺贴草皮、普通喷播以及挂网喷播是可以达到绿化景观的目的技术，对比施工工艺和成本，前两种有明显的优势。而“香根草技术”具有抗滑护坡和水土保持的作用；因此，香根草技术不仅能达到恢复植被和绿色景观的目的，而且具备固土保水和防止浅层滑坡的能力。

五、结语

我国水电工程工程大多修建于高山峡谷之中，自然谷坡高陡，工程地质条件复杂，地应力水平高、岩体卸荷强烈，天然条件下稳定性较差；工程边坡具有开挖高、坡度陡、体量大、安全控制难的特点。

(1)高山峡谷地貌经历了从早更新世川西-藏东地区强烈的隆升阶段；到中更新世快速隆升的同时，河谷快速下切；最后于晚更新世—全新世出现间歇性下切。

(2)河谷边坡应力场表现为明显的分区、分带特点，随着河谷下切，岸坡侧向应力解除，紧接着应力发生重分布，岩体产生向临空面卸荷回弹的现象。其中将岸坡应力进行区划分为应力降低区、应力增高区和原岩应力区。河谷底部的应力具有独特的规律，存在一个明显的“高应力包”现象。岩质高陡边坡演化是地壳上升-河谷下切、应力释放-表生改造过程。

(3)水利水电高陡边坡防护从两个方面着手，即为安全防护、生态防护。目前，针对不同地质条件下的高陡边坡加固工程，通常采取截排水措施及锚固(含坡面喷混凝土、锚索、混凝土框格梁、预应力锚索等)方案；针对拟建工程边坡深部存在不稳定软弱结构面或断层，考虑选用地下抗剪洞结构措施。随着生态文明建设步伐的推进，“生态植物修复技术”慢慢被提上日程。