乌东德水电站泄洪洞出口环境边坡风险评估及管控研究

丁刚 黄小艳 熊瑶 刘科

摘要：

乌东德水电站泄洪洞出口环境边坡高达746 m，发育82个危险块体，存在块体崩塌滚落的风险，严重威胁下方泄洪洞出口安全。根据块体影响对象不同进行分区，采用三维刚体极限平衡法进行稳定性计算并作针对性防治设计；为有效管控环境边坡风险，提出块体失稳风险定量评估方法，明确了风险管控的重点对象，并按风险高低安排块体施工顺序，采取了设置施工支洞、临时加固块体和安全监测等管控措施，有效保障了工程安全。研究成果可为环境边坡防治设计与管理提供参考。

关键词：

环境边坡； 块体防治； 风险定量评估； 风险管控； 乌东德水电站

中图法分类号：TV221.2

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.009

文章编号：1006-0081（2023）04-0053-05

0 引 言

中国的水电资源主要集中在云、贵、川、藏等地，分布在金沙江、雅砻江、大渡河等流域。由于受到印度洋板块与欧亚板块的碰撞挤压，这些地区河流谷深坡陡，地应力水平高，岩体卸荷强烈，地震烈度高［1-2］。随着水电工程开发向西南纵深推进，因枢纽建筑物布置需要，往往开挖形成高达300～500 m的工程边坡，工程边坡以上还存在高达数百米甚至上千米坡度50°以上的环境边坡，给工程设计带来巨大挑战［3］。

锦屏一级水电站等西南水电工程在建设期均遇到不同程度的环境边坡问题［3］，局部环境边坡的滑坡、崩塌、落石对下方施工人员和设备的安全造成威胁，引起工期延误。2008年汶川大地震的灾后调查表明：水电站的工程边坡稳定状态一般较好，但部分水电站环境边坡在地震后发生了滑坡、崩塌、落石等灾害，如沙牌、鱼子溪、映秀湾、太平驿等水电站［4-5］，并造成建筑物不同程度损坏，影响工程正常运行。环境边坡问题关乎工程建设期和运行期安全，其防治和管控问题逐渐受到重视。

目前，工程边坡防治和管控技术比较成熟，但环境边坡风险评估和管控技术较为薄弱。吉锋等［6］参考地质灾害危险性评估相关规程规范，对环境边坡危险源危险性评价体系做了初步研究。董家兴等［7］考虑了危险源自身、途径边坡、触发因素等指标，建立了环境边坡危险源危险度评价体系。牟荣峰等［8］对乌东德高位自然边坡质量安全管控思路进行分析，提出通过组织、管理、技术等措施保障工程安全。然而，目前风险评估方法忽略了危险源影响对象的因素，不能科学评价环境边坡风险。基于此，本文以乌东德水电站泄洪洞出口花山沟附近的环境边坡块体防治为例，针对危险源及其影响对象进行综合评估分析，并提出针对性管控措施。

1 工程概况与工程地质条件

乌东德水电站位于金沙江下游河段，电站装机容量10 200 MW，多年平均发电量389.1亿kW·h，为Ⅰ等大（1） 型工程，主要由高达270 m 的混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物及引水发电系统等建筑物组成［9］。乌东德水电站泄洪洞出口环境边坡高达746 m，其上块体等风险源较多，对下部泄洪洞出口安全构成较大威胁。

烏东德水电站左岸泄洪洞出口边坡位于花山沟附近，地面高程约800 m，坡顶高程约1 836 m。工程边坡以花山沟为界，分为泄洪洞正面边坡和左侧边坡两部分，分别长约140 m和484 m，工程边坡开口线高程为1 030～1 090 m，开口线以上环境边坡最高约746 m，平均坡度约55°。环境边坡地层由褶皱基底和沉积盖层构成，褶皱基底为灰色互层夹薄层灰岩（Pt102l），沉积盖层为薄层白云岩夹薄-极薄层粉砂质泥岩页岩（Z2g）、厚-巨厚层白云岩（Z2d）、厚层灰岩（P2y）、玄武岩（P3em）等［10-12］。

泄洪洞出口环境边坡块体（含潜在不稳定倾倒岩体，下同）在卸荷、风化、降雨及地震等自然因素或工程扰动作用下，可能产生局部失稳、崩塌滚落，危及工程施工与运行安全。环境边坡共发现82个块体，其中1 000～10 000 m3有16个、100～1 000 m3的有52个、小于100 m3有14个，见图1。

2 环境边坡块体防治

泄洪洞出口环境边坡范围广阔，不同区域危害对象有所差别，因此分为4个区进行防治：① D1区影响左岸低线过坝路通行及下游围堰施工安全，为Ⅲ级边坡；② D2区影响尾水洞与泄洪洞出口施工及运行安全，为Ⅰ级边坡；③ D3区影响泄洪洞出口侧面边坡施工安全，为Ⅱ级边坡；④ D4区影响850混凝土系统安全，为Ⅲ级边坡。

2.1 稳定性计算分析

2.1.1 计算方法

采用三维刚体极限平衡法，对单面和双面滑动的块体进行稳定性计算分析［13-14］。

（1） 单面滑动。设块体自重、地下水及地震的合力为r，滑移方向为S，合力和滑移方向的夹角为θ，块体在滑移方向的法向作用力（N）与切向作用力（H）分别为

H=|r|cosθ（1）

N=|r|sinθ（2）

单面滑动块体安全系数按式（3）计算：

Kc=|r|sinθ·tanφ+cA+∑mj=1cjAj|rcosθ|（3）

式中：φ，c，A分别为滑面的内摩擦角、黏聚力和面积；m，cj，Aj分别为块体其他结构面的数量、黏聚力和面积。

（2） 双面（楔形体）滑动。设块体在自重、地下水及地震的合力为r，滑移方向为2个滑面的交棱线，方向为S，合力和滑移方向的夹角为θ。法向作用力与两个滑面的夹角分别为α1，α2（图2），两个滑面法向作用力分别为

N1=N·sinα2sin（α1+α2）（4）

N2=N·sinα1sin（α1+α2）（5）

双滑面块体安全系数按式（6）计算：

Kc=∑2i=1（Nitanφi+ciAi）+∑mj=1cjAj|r|cosθ（6）

式中：φi，ci，Ai分别为2个主滑面的内摩擦角、黏聚力和面积；m，cj，Aj分别表示块体其他结构面数量、各结构面黏聚力和面积。

2.1.2 计算工况与荷载

块体稳定计算考虑持久、短暂、偶然等3种工况。根据现场调查分析，块体位置均较高，地下水排泄条件较好，持久工况不考虑地下水作用；短暂工况考虑一定地下水作用；偶然工况主要考虑地震作用。各类荷载如下。

（1） 自重。块体岩性主要为灰岩、白云岩等，容重取26.8～27.3 kN/m3。

（2） 地下水。短暂工况考虑暴雨或泄洪雾雨作用下排泄不及时的情况。

（3） 地震。主要考虑水平地震力，采用拟静力法计算。设计地震概率水准取50 a一遇超越概率5%，相应基岩水平加速度峰值为0.169g。

（4） 锚固力。锚杆（锚筋桩）只考虑锚固力沿滑移方向的切向作用力，预应力锚索分别考虑锚固力沿滑移方向的切向和法向作用力。

2.1.3 天然稳定性计算结果

经过计算，3个块体天然稳定性满足安全标准，其余79个块体天然稳定性不满足安全标准，持久工况稳定系数约为1.05～1.10，短暂工况与偶然工况处于临界稳定状态，稳定系数约为0.95～1.05，均需采取针对性的处理措施。

2.2 块体防治方案

对满足安全标准的3个块体，采取维持现状、加强巡视的防治措施。对不满足安全标准的79个块体，经过方案比选，采取针对性的防治措施：分别对51，11，15个块体采用锚索、锚筋桩、锚杆加固，开挖清除2个块体。经过计算，锚固后块体稳定性均满足安全标准。

3 环境边坡风险管控

泄洪洞出口环境边坡存在以下风险问题：① 环境边坡山高坡陡，交通条件差，块体防治施工工期较长，未施工的块体高悬于边坡之上，严重威胁泄洪洞出口建设期安全；② 块体数量众多、位置分散，对块体的监测难以面面俱到，运行期安全风险突出。因此，有必要对块体失稳风险进行评估，并采取针对性的管控措施，以有效降低工程建设期和运行期安全风险。

3.1 块体失稳风险定量评估

3.1.1 块体失稳风险定量评估体系

根据泄洪洞出口环境边坡特点，提出了块体失稳风险定量评估体系，包括对象层、特征层、因子层和结果层等4个层次（图3）：① 对象层为各个块体；② 特征层为块体的稳定系数、块体体积、相对高度、影响对象、接触频率等；③ 因子层为评估块体失稳的4个风险因子，分别为发生可能性（A）、事故影响程度（B）、影响对象重要性（C）和接触频繁程度（D），首先需要建立风险因子的权重系数ai及赋分标准，根据特征层信息可以求得风险因子值xi；④ 结果层为块体的风险等级，计算风险因子的权重系数ai与因子赋分xi乘积的总和，根据风险划分标准可对块体失稳风险进行分级。

3.1.2 风险因子权重及赋分标准

风险因子权重及赋分标准确定原则：① 根据各个因子对风险的影响程度确定因子权重ai，对失稳风险的影响越大，因子权重就越大，各个因子权重的总和为1；② 根据因子特征对风险的影响程度，将因子赋分标准xi划分为4个等级，分别为0.75＜xi≤1，0.5＜xi≤0.75，0.25＜xi≤0.5，0＜xi≤0.25。根據泄洪洞出口环境边坡的特点，建立风险因子权重及赋分标准，见表1。

3.1.3 块体失稳风险评估标准

块体失稳风险定量评估计算公式为

f（x）＝∑（ai×xi）（7）

式中：f（x）为风险评估值；ai为权重系数；xi为风险因子赋分值。

根据风险评估值，将块体失稳风险划分为3个等级：① 0.75＜f≤1属于高风险；② 0.5＜f≤0.75属于中等风险；③ 0≤f≤0.5属于低风险。

3.1.4 块体失稳风险评估结果

根据上述风险评估体系及相关标准，对泄洪洞出口环境边坡82个块体的失稳风险进行评估。据统计，22个块体属于高风险、44个块体属于中风险、16个块体属于低风险，块体风险分布影像示意见图4。

3.2 风险管控措施

根据块体失稳风险定量评估结果，从施工安排、临时加固、安全监测等方面进行风险管控。对于高风险块体，优先对其进行处理施工，设置临时加固措施，并作重点安全监测。

3.2.1 施工安排管控措施

按风险等级高低安排块体处理施工顺序，优先进行高风险块体施工，稍缓进行中风险块体施工，择机进行低风险块体施工。

泄洪洞出口边坡地形陡峻，交通困难，为了便于材料运输、加快块体施工进度，在优先考虑高风险块体的前提下，共设置3条施工支洞：① 左高1号

施工支洞承担D2区块体施工；

② 左高2号施工支洞承担D1，D2区块体施工；③ 泄7号施工支洞承担D3，D4区块体施工。

通过设置施工支洞，可将施工设备和材料快速运抵至环境边坡，再辅以施工便道、钢栈桥、钢爬梯和缆索吊等手段，可加快高风险块体处理施工进度，有效管控安全风险。

3.2.2 临时加固管控措施

环境边坡块体一般位于强卸荷带内，自身稳定性差，在锚固过程中，钻孔机械的扰动可能引起块体失稳。为降低块体施工期安全风险，对于高风险和中风险块体，在施工前采取临时加固措施：对于高风险块体，设置纵横向钢丝绳进行“兜锚”，纵横向间距0.5～1.0 m，钢丝绳交点及端点设置钢丝绳锚杆固定；对于中风险块体，设置GPS2型主动防护网进行“包裹”。

3.2.3 安全监测管控措施

为监测块体在施工期和运行期的安全状况，按块体风险等级高低进行分级监测：对于高风险块体，采用仪器进行重点监测；对于中、低风险块体，则以巡视检查为主。块体安全监测措施主要有以下3种。① 加固措施监测：对千方级以上块体采用锚索测力计进行监测，对百方级块体采用锚杆应力计进行监测。② 深部变形监测：对可能存在深部变形的重点块体，采用多点位移计进行监测。③ 人工巡视检查：针对边坡表面裂缝、滑塌等变形迹象进行定期巡视检查。

4 结 语

（1） 乌东德水电站泄洪洞出口相关建筑物已施工完成，施工过程中未发生块体崩塌安全事故，环境边坡安全监测数据无异常。乌东德水电站全部机组已于2021年6月投产发电，至今均运行正常。环境边坡块体防治及风险管控有效保障了工程安全。

（2） 环境边坡块体严重威胁工程建设期和运行期安全，可能造成重大人员伤亡或设备损坏事故、导致工程直线工期严重滞后或影响工程正常运行。随着中国水电工程建设向地质环境脆弱的西南地区纵深推进，建议在工程选址阶段高度重视环境边坡问题，在工程建设阶段重点对环境边坡进行防治，尽可能消除工程安全隐患。

参考文献：

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［3］ 周绿，刘明昌.锦屏一级水电站运行期左岸边坡稳定性分析［J］.水利水电快报，2021，42（6）：26-30.

［4］ 张世殊，徐光黎，宋胜武.水电工程环境边坡概念及其工程地质分类［J］.水力发电，2012，38（8）：17-21.

［5］ 宋勝武.汶川大地震工程震害调查分析与研究［M］.北京：科学出版社，2009.

［6］ 吉锋，邓忠文.水电工程环境边坡危险源危险性评价体系初步研究［J］.长江科学院院报，2011，28（7）：24-27.

［7］ 董家兴，徐光黎，申艳军，等.水电工程环境边坡危险源危险度评价体系及其应用［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（7）：3829-3825.

［8］ 牟荣峰，蒋龙，晁燕安，等.乌东德工程环境边坡治理安全管控思路探析［J］.中国水利，2007（增1）：45-46.

［9］ 王汉辉，李盛青，刘权庆，等.乌东德水电站自然边坡防治设计思路与经验总结［J］.人民长江，2014，45（20）：28-31.

［10］ 李会中，刘冲平，黄孝泉，等.金沙江乌东德水电站枢纽区环境边坡块体安全性评价与处理措施研究［J］.资源环境与工程，2011，25（5）：468-473.

［11］ 长江勘测规划设计研究有限责任公司.金沙江乌东德水电站枢纽区环境边坡安全性评价与防治措施专题研究报告［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2011.

［12］ 长江勘测规划设计研究有限责任公司.金沙江乌东德水电站左岸泄洪洞进出口高边坡防治专题研究报告［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2014.

［13］ 袁大祥.块体运动矢量分析法［J］.三峡大学学报（自然科学版），2001，23（8）：305-309.

［14］ 刘志明，王德信，汪德爟.水工设计手册（第二版）第1卷基础理论［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

（编辑：江 焘，高小雲）

Research on environmental slope risk assessment and management at spillway tunnel outlet of Wudongde Hydropower Station

DING Gang1，HUANG Xiaoyan1，XIONG Yao1，LIU Ke2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.Wudongde Engineering Construction Department of China Three Gorges Construction Engineering （Corporation） Co.，Ltd.，Kunming 651500，China）Abstract：

The environmental slope at the outlet of the spillway tunnel of Wudongde Hydropower Station was as high as 746 m and with 82 dangerous blocks.There were risks of block collapsing and rolling，seriously threatening the safety of the spillway exit below.According to the different objects affected by the block，the partition control was carried out，the three-dimensional rigid body limit equilibrium method was used to calculate the stability，and pertinent control measures were designed.In order to effectively control the risks of environmental slopes，a quantitative assessment method for the risk of block instability was proposed，the key objects of risk management were clarified，and the block construction sequence was arranged according to the level of risk，measures such as designing construction adit，reinforcing blocks and taking safety monitoring were carried out，which effectively guaranteed the safety of the project.The research results can be a reference for the design and management of environmental slope treatment.

Key words：

environmental slope； block management； quantitative risk assessment； risk management and control； Wudongde Hydropower Station

收稿日期：

2022-06-21

基金项目：

中国三峡建工（集团）有限公司技术服务/咨询项目（WDD/0579）

作者简介：

丁 刚，男，高级工程师，硕士，主要从事水利水电工程设计工作。E-mail：410707291@qq.com