水电站边坡危岩体稳定性分析及防治措施研究

文玉忠， 李刚

(1.互助县水利局，青海 互助 810599； 2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650231)

危岩体治理一直是水利水电工程建设中一个重要的技术问题，需特别关注危岩体的防治问题。由于危岩体量多、分布面广、稳定性差、水利施工难度大、安全风险高，准确计算危岩体的稳定性，对危害性较大的落石进行重点分析，这对指导危岩体的防护和治理具有很实用的价值[1]。

近年来，随着水利水电工程的不断增多，特别是三峡大坝的建成以及锦屏水电站的开工，为水电站边坡危岩体的防治积累了一定的成果。刘传正等[2]通过研究三峡链子崖危岩体，提出了层状倾斜危岩体的分析方法。陈洪凯等[3]通过对重庆市万州区太白岩的危岩体进行研究，对危岩体稳定性分析方法进行了补充。黄达等[4]采用极限平衡法对锦屏水电站右岸某危岩体稳定性进行了分类评价。郭俊[5]对陡崖危岩体稳定性进行了分析，并对滚石运动特性进行了研究。刘会平等[6]通过对某危岩体稳定性分析，提出了防治方案。林华章等[7]通过对锦屏猴子坡危岩体的研究，建立了危岩体稳定性的判别公式。何宇航等[8]以九寨沟悬沟危岩体为例，对危岩体不稳定的范围进行了预测。这些研究成果为危岩体治理方案的确定提供了参考。本文依据上述研究成果，对大丫口水电站厂房后山自然边坡的危岩体进行稳定性分析，以期为同类工程提供参考。

1 工程概况

大丫口水电站位于临沧市镇康县南汀河流域的南捧河上，属怒江水系。该电站设计最大坝高95.2 m，水库正常蓄水位高程650.0 m，总库容约1.7×108m3，总装机容量102 MW。挡水建筑物为碾压混凝土双曲拱坝，采用引水发电，引水洞布置于左岸，总长约4.9 km。厂房位于挡水坝下游左岸约5 km的河床的539 m左右高程处。厂房后山自然边坡共分布危岩体349处，其中危石55处、危石群9处、孤石218处、孤石群67处。

第四系坡崩积层在研究区广泛分布，厚2.4～6.9 m，崩积层主要集中在中部及以上高程的悬崖陡壁脚的地形坡度相对平缓处，分布面积一般不大，厚约1.0～2.0 m。基岩主要为三叠系中统河湾街组的灰岩及二叠系下统沙子坡组的白云岩、灰质白云岩夹白云质灰岩。

厂房后山边坡最高高程位于老龙寨下游的山脊部位，高程最高为1 399 m，河边至后山老龙寨山脊相对高差约869 m。高程770 m以下地形坡度一般为25°～35°，上游部位较下游部位的坡度缓；高程770～1 300 m的地形坡度多为35°～45°，其中高程955～1 135 m坡段大面积分布有条带状陡壁。

调查发现，Ⅴ级结构面主要有3组，具体如下。J1组：产状为N20°～60°W，SW∠40°～65°，高程1 000 m以下山坡；N20°～50°W，NE∠15°～30°，高程1 000 m以上山顶部位；灰岩层节理，间距一般2～20 cm，延伸长度大于1 m。J2组：产状为N20°～50°E，NW(SE)∠70°～80°，节理间距一般为1～2 m，延伸长度一般30～60 cm。J3组：N10°～30°W，NE(SW)∠60°～80°，节理间距一般为30～50 cm，节理延伸长度一般为40～60 cm。主要结构面赤平投影如图1所示。

图1 主要结构面的赤平投影图

2 危岩体稳定性分析与评价

2.1 失稳模式

通过地面调查，参考《地质灾害防治工程勘察规范》(DB 50/143—2003)规定的方法，结合研究区结构面产状与边坡之间的关系，研究区危岩体的失稳模式主要有：

1)滑移式崩塌。以近垂直于结构面为侧向切割面，随机出露节理为拉裂面，沿顺坡结构面产生局部平面形滑动破坏，如图2(a)所示。

2)倾倒式崩塌。当较高高程部位部分层面节理相对发育且延伸长度较长时，与其他结构面组合切割形成的条状块体在边坡面临空方向极易产生局部倾倒型崩塌破坏，如图2(b)所示。

3)坠落式崩塌。可能发生坠落式崩塌的危岩体其后缘均有陡倾裂隙，危岩体形态如图2(c)所示。

图2 典型危岩体形态

2.2 稳定性分析

关于危岩体稳定性计算的方法较多，常用的主要有基于有限元法的静力稳定性分析法和可靠度法、基于监测资料的比较识别法和静力解析法[9]。针对危岩体不同的破坏形式，选用静力稳定性分析法计算危岩体的稳定系数。

2.2.1 滑移式崩塌破坏

滑移式崩塌破坏的危岩体稳定系数计算公式如下：

(1)

式中:F为危岩体稳定系数；φ为后缘裂隙内摩擦角标准值，(°)；l为危岩体与坡积物的接触面的长度，m；α为滑面倾角，(°)；V为裂隙水压力，kN/m；W为危岩体自重，kN；Q为竖向荷载重量，kN；c为危岩体黏聚力标准值，kPa。

2.2.2 倾倒式崩塌破坏

倾倒式崩塌危岩体主要受后缘岩体抗拉强度的控制，其稳定系数计算公式如下：

当危岩体重心在倾覆点之外时，

(2)

当危岩体重心在倾覆点之内时,

(3)

式中:h为后缘裂隙深度，m；hw为后缘裂隙充水高度，m；H为后缘裂隙上端到未贯通段下段的垂直距离，m；a为危岩体重心到倾覆点的水平距离，m；b为后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离，m；h0为危岩体重心到倾覆点的垂直距离，m；flk为危岩体抗拉强度标准值，kPa，由岩石抗拉强度标准值乘以0.4的折减系数确定；α为危岩体与基座接触面的倾角，外倾时取正直，内倾时取负值，(°)；β为滑面倾角，(°)。

2.2.3 坠落式崩塌破坏

坠落式危岩体的稳定系数按式(4)和式(5)计算，根据危岩体所受的剪应力及拉应力进行稳定性计算，取两种计算结果的较小值。受剪应力时：

(4)

受拉应力时：

(5)

式中:ζ为危岩体抗弯力矩系数，依据潜在破坏面形态取值，一般取1/12～1/6，当潜在破坏面为矩形时取1/6；a0为危岩体重心到潜在破坏面的水平距离，m；b0为危岩体重心到潜在破坏面形心的铅垂距离，m；flk为抗拉强度标准值，kPa，由岩石抗拉强度标准值乘以0.2的折减系数确定。

2.3 稳定性评价

根据上述计算模型，稳定性评价分3种工况：工况1为天然状态(无充水条件)，工况2为考虑结构面的充水条件，工况3为自重+地震力条件。危岩体稳定状态判别标准见表1。

表1 危岩体稳定状态判别标准

依据研究区前期资料并结合类似工程经验值提出研究区各类岩(土)体的物理力学参数的建议值，具体见表2和表3。

表2 岩(土)体相关物理力学参数建议值

表3 岩(土)体抗剪指标参数建议值

如上所述，对厂房后山自然边坡349处危岩体分类后进行计算。计算结果表明：不稳定危岩体2处，欠稳定危岩体191处，基本稳定或稳定危岩体156处。

3 危险性分区

研究区危岩体危险性分区时总的划分原则是，根据地形和地貌、坡度、坡向、植被发育情况，结合危岩体特征、失稳模式、稳定性，危岩体类别、规模和分布情况，重点考虑危岩体的危险性、危害对象等条件综合统计和分析。将研究区分为以下5个区域，如图3所示。

图3 厂房部位后边坡工程地质分区图

图3中，A区分布高程为532～1 330 m，中上部危岩体失稳后向上游冲沟滚落，部分危岩体解体或散布于冲沟地段；中下部危岩体失稳后直接向南捧河河床滚落，不会对下游的厂区建筑物带来不利的影响，其安全隐患小，危险性小。

B区分布高程为1 270 m以上，危岩体虽分布数量多、位置高，但该区域地形坡度相对平缓。危岩体失稳后向厂房部位的河床滚落，部分危岩体解体或散布于沿线岸坡地段，对厂区建筑物安全带来不利影响，其安全隐患中等，危险性中等。

C区分布高程为1 100～1 270 m，危岩体分布数量较多、相对位置高。危岩体失稳后向厂房部位的河床滚落，部分危岩体解体或散布于沿线岸坡地段，对厂区建筑物安全带来不利影响，其安全隐患较大，危险性较大。

D区分布高程为750～1 100 m。由于该地段地形坡度大，分布的危岩体规模较大、相对位置较高、发育数量较多。综合分析判断该区域危岩体的安全隐患大，对厂区建筑物的安全造成较大的影响。

E区分布高程为750 m以下，由于该地段分布的危岩体位置较高、发育数量较多，影响到厂区建筑物的安全，危险性较大。

综上，A区危岩体失稳后不影响厂区建筑物的安全；B区危岩体失稳后可能影响厂区建筑物的安全，但该区地形坡度相对平缓，危岩体的危险性相对较小；C、D、E区地形坡度相对较大，危岩体分布数量大、失稳位置高，对厂区建筑物的安全影响大，危险性大。

4 危岩体治理措施

治理方案本着经济合理、技术可行的原则，主要从3个方面入手，即主动加固治理、被动防护和主动加固+被动防护相结合。

针对研究区的地形及不同区域危岩体的特征，治理方案有2个：一是清除表面松动岩体+嵌补岩腔+锚固；二是钢轨桩林+落石挡墙+波纹栅栏+嵌补岩腔及固定。其中，方案二能与已建成的应急工程结合，形成协调、系统的治理方案，有效避免危岩体对电站厂房建筑物安全的影响，且施工影响小、造价低，经济指标较好。

5 结语

在对大丫口水电站厂房后山自然边坡危岩体进行工程地质调查的基础上，研究了危岩体的稳定性，得出如下结论：

1)研究区内危岩体失稳模式包含了常见的3种，即滑移式崩塌破坏、倾倒式崩塌破坏和坠落式崩塌破坏。

2)研究区共发现危岩体349处，分类计算后得出不稳定的2处，欠稳定的191处，基本稳定或稳定的156处。

3)研究区可划分成5个区，其中A区危岩体不影响厂区建筑物安全，B区危岩体可能影响厂区建筑物安全，C、D、E区危岩体对厂区建筑物安全的影响大，危险性大。

4)研究区内危岩体的治理方案为钢轨桩林+落石挡墙+波纹栅栏+嵌补岩腔及固定。

5)研究区的危岩体调查难度大，多数岩体不能进行准确有效的勘测，在今后的工作中还应继续探索更符合工程需要的勘测方式和方法。