某水利工程高边坡危岩稳定性分析及防治研究

2021-03-02郭红雨

水利科学与寒区工程 2021年1期

郭红雨

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

1 研究区概况

研究区上游边界为一碗水隧道口，下游边界为大水沟沟口处，该段边坡沿江长约700 m，处于河流凹岸。研究区呈典型的“V”型地貌，两岸斜坡高陡，山脊高程达3000 m以上，边坡坡度一般为45°～50°，局部陡峻达70°以上，斜坡内浅沟较发育，但均无常年流水。河流常水位高程约为1330 m，流向约S 40°W。在1680 m高程一带，斜坡地形相对平缓，发育有崩坡积物形成的钙华台地(相当于Ⅵ级阶地)，1360 m高程以下斜坡较平坦见图1。出露地层岩性主要为三叠系盐塘组(T2y4)灰绿色条带状云母大理岩。受持续强降雨作用，研究区内上部边坡曾发生局部危岩崩落，落石越过多道被动网，滚落至坡脚的出线场内，将出线场立柱砸变形见图2。由于研究区内危岩所处高程高，危险性大，极大威胁着水电站的安全运行，因此需要对该区域危岩进行详细调查，为水利工程防护提供参考。

图1 研究区地形地貌

图2 研究区崩落块石

2 边坡危岩发育分布特征

由于研究区边坡高陡，且植被发育，复杂的地形条件限制了传统的工程地质调查。因此，采用“无人机航拍+现场核查”相结合的方法对研究区危岩进行详细的调查。无人机遥感技术是近年来快速发展的一种新兴航测技术，由于其成本低、风险小、机动灵活、效率高等优点，已被广泛应用于各种环境下的地质灾害调查中，并取得了较好的成果[1-3]。

根据无人机影像，对研究区内边坡危岩进行遥感解译，结合野外现场复核调查，共识别统计了危岩41个，各危岩分布如图3所示。根据调查分析，研究区内边坡危岩变形破坏模式以滑移式为主，占总危岩的49%，该类危岩主要受后缘倾坡外的结构面控制。危岩类型主要以危岩体集中发育的危岩群为主，占总数的78%，说明研究区内危岩具有大部分集中发育，小部分零星发育的特点。

图3 研究区危岩分布

研究区边坡范围较大，地形地貌、地层岩性、坡体结构和水文地质等都有一定差异，为了合理评价危岩与工程的危险性关系，便于防治的统筹性和可操作性，对边坡危岩进行分区评价。分区按照如下两个原则:一是从工程影响角度出发，对不同水工建筑边坡区进行区别对待，考虑边坡危岩对水工枢纽建筑物的影响。二是考虑边坡危岩自身结构特征、规模、破坏模式及稳定性等。根据上述原则将研究区边坡分为Ⅰ、Ⅱ两个大区。Ⅰ区内危岩分布高程较高，数量较多，对下方永久性水工建筑的影响较大，一旦危岩失稳，很可能越过或砸坏被动防护网，威胁到水电站的正常运行；Ⅱ区内危岩分布高程较低，数量较少，对下方高程1560 m平台公路及仓库的影响相对较小，对下方尾水洞出口具有一定影响，失稳后主要对交通产生较大影响，不影响电站正常运行。以下对两个区危岩进行具体分述。

2.1 Ⅰ区危岩特征

Ⅰ区危岩分布于出线场边坡正上方，危岩发育高程为1550～2120 m，左侧以隧洞口冲沟为界，右侧以出线场右山脊为界，距下部江面高程220 m以上，属特高位危岩，整体坡度为45°～55°，非常陡峭，岩体风化卸荷强烈，节理裂隙发育，溶蚀现象较为明显，岩体较破碎。区内危岩集中发育于植被稀少、基岩裸露位置，由于危岩变形破坏模式、发育规模及高程存在一定差异，因此将Ⅰ区进一步划分为Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅰ44个亚区(图3)。Ⅰ区共发育危岩29个。其中，Ⅰ1亚区内危岩12个，Ⅰ2亚区和Ⅰ4亚区都发育5个，Ⅰ3亚区发育7个。区内单个危岩块体方量一般为1～5 m3，个别可达11 m3。Ⅰ1亚区危岩体积为650 m3，Ⅰ2亚区危岩体积为637 m3，Ⅰ3亚区危岩体积达3144 m3，Ⅰ4亚区危岩体积为1398 m3。

2.2 Ⅱ区危岩特征

Ⅱ区危岩分布于大水沟右上方，危岩发育高程为1590～1840 m，左侧以大水沟为界，右侧以尾水洞上方冲沟为界，距下部江面高程260 m以上，属特高位危岩。该区地形陡峭，坡度可达70°～85°，呈现陡崖地形，岩体风化卸荷强烈，节理裂隙较发育，岩体被结构面所切割，易形成临空面，造成坠落式破坏。陡崖底部坡度35°～50°，顺坡裂隙发育，贯通性较好，岩体易发生滑移破坏。区内主要发育3组结构面：J1：N18°E/SE∠24°、J2：S86°E/SW∠71°、J3:N43°E/SE∠70°。由于危岩各特征的差异性，将Ⅱ区进一步划分为Ⅱ1、Ⅱ2亚区。该区共发育危岩12个，其中Ⅱ1亚区发育危岩7个，Ⅱ2亚区发育危岩5个。单个危岩块体方量一般为1～2 m3。Ⅱ1亚区危岩体积为190 m3，Ⅱ2亚区危岩体积为1421 m3。

3 危岩稳定性分析

3.1 危岩稳定性定性分析

根据研究区危岩发育分布特征，对危岩稳定性影响因素进行分析，通过选取边坡坡度、岩体结构特征、岩体切割状态及主控结构面倾角4个影响因素，作为危岩稳定性定性评价指标，将危岩稳定性定性分为较差、差、极差3个等级，建立了3类危岩(滑移式、倾倒式及坠落式)稳定性分级标准，并对研究区危岩进行稳定性定性分析。

结果表明，研究区边坡发育的41个危岩中，稳定性较差的7个；稳定性差的22个，稳定性极差的12个。从分区上来看，Ⅰ区危岩中，Ⅰ1亚区内危岩以稳定性较差为主，共6个，稳定性差的危岩4个，稳定性极差的危岩2个；Ⅰ2亚区内危岩以稳定性差为主，共4个，稳定性极差的危岩1个；Ⅰ3亚区内危岩以稳定性极差为主，共5个，稳定性差的危岩2个；Ⅰ4危岩稳定性全为差，共5个。Ⅱ区危岩中，Ⅱ1亚区稳定性极差的危岩4个，稳定性差的危岩3个；Ⅱ2亚区以稳定性差为主，共3个，稳定性较差和极差的危岩均发育1个。

危岩稳定性与其边坡坡度关系密切，通常表现为边坡坡度越陡，危岩稳定性越差。研究区边坡范围内，中陡倾、陡倾坡外结构面较为发育，边坡坡度整体较大，发育的危岩多为半确定性～确定性块体，受中陡及陡倾结构面控制以滑移、坠落方式失稳，危岩稳定性一般为差～极差。局部坡度略缓处，岩体临空条件相对较差，卸荷不充分，裂隙贯通率整体较低，危岩多成半切割状态，危岩稳定性一般为较差。

3.2 危岩稳定性定量分析

在定性分析的基础上，需要对危岩的稳定性进行定量评价，获取危岩的稳定性系数，评价危岩目前所处的稳定状况，为危岩的防治提供参考。参考《滑坡防治工程勘查规范》GB/T 32864—2016、《地质灾害防治工程勘查规范》DB50143—2018等相关资料[4-5]，对研究区内三类危岩的不同工况分别进行稳定性计算。危岩稳定性评价标准如表1所示，表中K为计算得到的危岩稳定性系数。

根据规范推荐的稳定性定量计算公式，对研究区危岩进行稳定性计算，典型危岩计算结果如表2所示。结果表明，研究区内边坡危岩在自然工况条件下处于基本稳定状态，局部处于欠稳定状态，在暴雨或地震工况条件下，区内岩体稳定性降低，处于欠稳定甚至不稳定状态，需要采取一定的工程防护措施。

表1 危岩体稳定性评价标准

表2 典型危岩稳定性计算结果

4 危岩防治措施建议

根据研究区危岩发育分布特征和稳定性分析，对比已有防治工程效果，综合考虑危岩治理效果和施工的方便，防治措施应以分区为基本单元进行防治，各片区具体的防治措施建议如下：

4.1 Ⅰ区防治措施建议

Ⅰ1亚区：W1～W8发育规模较小，天然条件下基本稳定，威胁对象为下方出线场，危险性大，建议在1638 m高程附近设立被动防护网，对1500 m 高程已有防护网破损位置附近加设被动网；W9～W12危岩集中发布，规模较大，且落石动能较大，直接威胁下方出线场安全，危险性极大，建议除被动网外需要增加主动网、锚固或喷浆封闭等主动防护措施。

Ⅰ2亚区：W13～W17以集中发育的危岩群为主，稳定性较差，威胁对象为下方出线场等永久性水工建筑，危险性极大。建议针对落石动能大的W13～W16增加主动网、锚固或喷浆封闭等主动防护措施，并在已有被动防护工程下，在1580 m高程附近设置被动防护网。

Ⅰ3亚区：W18～W24以集中发育的危岩群为主，稳定性较差，威胁对象为下方出线场等永久性水工建筑，危险性极大。建议针对落石动能大的W19、W20增加主动网、锚固或喷浆封闭等主动防护措施，并在1540 m高程、1660 m高程附近设立两级被动防护网。

Ⅰ4亚区：危岩以集中发育的危岩群为主，稳定性较差，威胁对象为出线场，危险性大。考虑到该区位置高、施工难度大，且落石动能相对较小，建议在1950 m、1780 m高程附近设立多级被动防护网。