西部某水电站枢纽区边坡危岩体防治设计研究

蒋 明，李 伟，黎 景

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

因危岩体稳定性、施工条件差，且对施工期和运行期下方建筑物及人员安全影响较大，危岩体治理已经成为水电工程中的重要技术问题。

对危岩体进行稳定性分析，是消除这些灾害隐患必不可少的工作[1]。目前，危岩体稳定性评价主要有定性评价、半定量评价和定量计算方法。特大型危岩体因其范围与方量巨大，各部位边界条件与失稳模式等不同，评价方法存在差异。因此，对于特大型危岩体，宜按潜在失稳模式进行分区，并相应地进行稳定性评价[2]。李会中等[3]、王恒等[4]、王敬勇等[5]、蒋文明等[6]、胡显明等[7]、程宇等[8]依托实际工程项目对危岩失稳破坏模式、静力计算公式进行了分析。

采取何种措施治理危岩体，是水电工程建设安全推进中的关键课题。王敬勇等[5]、蒋文明等[6]分别就街需水电站、三峡库区工程的危岩体处理措施进行了研究。

我国西部某水电站坝址左右两岸均不同程度地发育危岩，尤其左岸危岩体以高度卸荷风化破碎为主要特征，厚度大，根本无法全部挖除，此外危岩体比较分散，分布的高程比较高，边坡陡峻，危岩体处理所需的设备、材料运输困难，不易施工。因此，结合坝址区地形地质特点，根据危岩体失稳模式、稳定性评价成果以及工程施工的便宜性，研究提出有针对性的防治方案是非常必要的。

1 坝址区工程地质条件

坝址左岸边坡陡峻，山体雄厚，高高程地形相对平缓，边坡沿山脊呈现为“巴掌状”收拢特征；低高程地形较陡，山梁呈雁形排列，与沟槽相间发育，坡表地形完整性较差。右岸为阳坡，坡度较左岸更缓，总体上缓下陡，整体较顺直，平行发育8处倾NW向的陡崖，坡度一般为65°～80°。

坝址区杂谷脑组地层岩性组合较为复杂，两岸边坡整体上以薄～中厚层状变质砂岩、砂质板岩、大理岩互层为主，左、右岸坡脚和左岸中高程处偶夹薄层状炭质板岩，坝址区岩体的一个特点就是软岩夹层多。

坝址区正常岩层总体产状N10°～40°W/NE∠50°～70°，岩层走向较稳定，与河流走向基本平行。在左岸，岩层中缓倾坡内属逆向坡，整体上随高程的逐步递增，岩层倾角呈逐步下降趋势；在右岸，岩层中陡倾坡外属顺层坡，岩层倾角多在50°～70°，且坡脚和高高程处倾角相对较陡。

坝址区构造结构面发育，其中NW～NNW、NNE～NE向延展的两组共轭剪节理极为发育，与层面组合往往控制着危岩发育的边界和规模。两岸边坡中发育的表生结构面的主要类型为风化裂隙、卸荷裂隙、层内张裂及滑移拉裂隙等。

坝址区出露变质砂岩、大理岩、砂质板岩、碳质板岩等，由于岩石坚硬程度不同，抗风化能力有所差异。坡表岩体由于不同岩性呈层组合展布，因此在地形上岩石差异性风化表现显著，常在空间上呈陡缓交替的阶坎状，甚至局部发育较大凹岩腔，致使坡表危岩演化过程如图1所示[9]。

图1 差异性风化危岩演化示意图

2 危岩体评价方法

2.1 定性评价

通过对危岩稳定性影响因素分析，选取地形坡度、控制性结构面倾角、控制性结构面完备程度(岩体切割状态)以及结构面张开程度4个稳定性判别指标为稳定性分级指标，通过定性分析将危岩体稳定性分为不稳定、稳定性差、基本稳定、稳定等4个分级[10]。

2.2 半定量评价

危岩体稳定性半定量评价法是通过危岩体结构面特征、结构面不利组合、变形特征、地面坡度及植被发育等因素，在地质调查基础上总结已有工程经验及采取数值计算方法提出的一套半经验性危岩体稳定性评价方法。根据计算总分将危岩体分为不稳定(小于25分)、稳定性差(25～40分)、基本稳定(40～65分)、稳定(大于65分)等4个分级。

2.3 定量计算方法

目前，可将危岩概化分为滑塌式危岩、倾倒式危岩和坠落式危岩3类。当结构面倾向山外，上覆盖体后缘裂隙与结构面贯通，在动水压力和自重力作用下，缓慢向前滑移变形，形成滑塌式危岩；当形成岩腔后，上覆盖体重心发生外移，在动水压力和自重作用下，上覆盖体失去支撑，拉裂破坏向下倾倒，形成倾倒式危岩；多组结构面将岩体切割成不稳定的块体，当底部凹腔发育时，使局部岩体临空，不稳定块体发生崩塌，进而使上部岩体失去支撑，卸荷作用加剧，形成切割岩体的结构面，从而形成坠落式危岩。

危岩体稳定性系数划分为4级，分别对应稳定、基本稳定、稳定性差和不稳定。危岩体稳定程度等级划分如表1所示。

表1 危岩体稳定程度等级划分

3 危岩体稳定性评价

3.1 危岩体发育特征

坝址左岸为逆向坡，且坡度相对较陡，浅表生改造作用活跃，岩体破碎松弛程度较高，因而左岸危岩分布较为广泛，左岸边坡共发育危岩170处。根据枢纽布置，坝址区左岸划分为坝前区(Z1区)、坝肩区(Z2区)、坝后区(Z3区)及坝后影响区(Z4区)4个分区。

坝址右岸边坡为顺层边坡，岩层倾角与坡角相近，边坡整体稳定性较好；但由于岩层倾角略微波状起伏，尤其是低高程起伏相对较大，加之一组中陡倾坡外的结构面切割，多处产生局部顺层滑动破坏，导致滑塌体后缘岩体临空，构成规模不等的危岩体。此外，右岸边坡危岩发育与人类活动密切相关，最显著体现是在乡间公路或废弃老公路开挖切脚产生多处危岩体。开挖公路时产生的块石、碎石等堆积在公路边沿及下部坡面上，遇暴雨、地震时会对下方工程建筑物及施工人员的安全造成威胁。右岸边坡共发育危岩30处。根据枢纽布置，坝址区右岸边坡划分为坝前区(Y1区)、坝肩区(Y2区)和坝后区(Y3区)。

3.2 典型危岩体稳定性分析

3.2.1 滑塌式典型危岩体

当底滑面中陡倾坡外时，危岩的稳定主要靠结构面的阻滑和岩桥的锁固。计算模型如图2所示，按单位宽度考虑，其稳定性按下式计算：

图2 滑塌式危岩计算模型(滑移型)

式中，F为危岩稳定性系数；c为后缘裂隙粘聚力标准值(kPa)；φ为后缘裂隙内摩擦角标准值(°)；其余注示详见计算模型(图2)。

选取了3个滑塌式典型危岩体进行半定量评价和定量计算，计算结果如表2所示。

表2 滑塌式典型危岩体稳定性分析成果

3.2.2 倾倒式典型危岩体

计算模型如图3所示，按单位宽度考虑，不考虑基座抗拉强度，其计算公式如下：

图3 倾倒式危岩计算模型

选取了3个倾倒式典型危岩体进行半定量评价和定量计算，计算结果如表3所示。

表3 倾倒式典型危岩体稳定性分析成果

3.2.3 坠落式典型危岩体

对后缘有陡倾裂隙的悬挑式危岩按下列两式计算，稳定性系数取计算结果中的较小值，稳定性计算模型如图4所示。

图4 坠落式危岩稳定性计算模型(后缘有陡倾裂隙)

式中，ζ为危岩抗弯力矩计算系数，依据潜在破坏面形态取值，一般可取1/6～1/12，当潜在破坏面为矩形时可取1/6；flk为危岩体抗拉强度标准值(kPa)，根据岩石抗拉强度乘以0.2的折减系数确定；其他注示详见计算模型(图4)及前文。

选取了3个坠落式典型危岩体进行半定量评价和定量计算，计算结果如表4所示。

对比表2～表4定量计算与半定量评价结果，就滑塌式危岩而言，危岩在天然工况下处于稳定或基本稳定状态，在暴雨工况下处于极限平衡状态(稳定性差)；而在地震(偶然工况下)处于稳定性差或不稳定状态，符合当前对坝址左岸边坡危岩体稳定性的基本判断。同时，从半定量分析判别结果来看，危岩稳定性与暴雨(短暂)工况下稳定性判别基本保持一致。

对于倾倒式及坠落式危岩而言，危岩在天然状态下大部分处于基本稳定或稳定状态，而在暴雨或地震工况下处于稳定性差或不稳定，且从数值上来说，暴雨及地震工况下稳定性折减系数明显大于滑塌式危岩，存在较大的误差。从半定量评价结果来看，危岩稳定性与暴雨工况下稳定性判别基本保持一致。

综上，半定量评价与定量计算在暴雨工况下稳定性基本保持一致，但坠落及倾倒式危岩不同工况下稳定性系数差异较大，实际判定过程中应以半定量评价为主，辅以定量计算对危岩体做出稳定性评价。

4 危岩体防治设计

4.1 危岩体防治总体目标及原则

根据危岩体分布特征、可能失稳的模式、稳定性情况及失稳后的危害程度等因素，确定危岩体防治总体目标及原则如下：

(1)总体目标：满足施工期和运行期安全要求。

(2)总体原则：全面、安全、有效、自上而下、封闭或覆盖优先。

(3)边坡开口线以内或开口线以外系统支护区范围内的危岩体，结合开挖或系统支护予以处理，无需单独治理。左、右岸坝肩等重要部位及交通通道上部及附近的松动、拉裂岩体及危石采取定点全部清理。

(4)在工程开挖边坡范围外的危岩体处理，可根据实际情况分别采用清除、主动或被动防护网拦挡、加固及监测等手段。

4.2 治理方案选择

危岩体治理主要为防治结合，主动防护网、被动防护网、挡渣墙、安全监测等措施为“防”；清撬爆破、锚杆加固、固结灌浆等措施为“治”。经综合分析，对危岩体治理方案分成5类：

第Ⅰ类：清除。针对危岩体分布范围较小，清除后不会形成次生危岩体的情况。

第Ⅱ类：开挖清除+锚固。针对危岩体稳定性差且成片分布，开挖施工方便，开挖后坡面仍存在不利组合块体的情况。

第Ⅲ类：清坡+喷锚支护(或预应力锚索、混凝土框格梁)。针对危岩体位于高陡边坡，稳定性差，危害性等级高且开挖施工难度大的情况。

第Ⅳ类：主动防护网+随机锚固。针对危岩体位于高陡边坡，稳定性差但危害性等级低的情况，主要是坡面随机掉块问题。

第Ⅴ类：被动防护网或挡渣墙防护。针对危岩体分布范围广，不直接危害工程施工、运行安全或危害性等级低的情况，主要是坡面随机掉块、滚石、落石、浮渣等问题。

坝址左岸边坡为逆向坡，且坡度相对较陡，浅表生改造作用活跃，岩体破碎松弛程度较高；危岩体以稳定性差为主，危岩体危害性等级以Ⅱ、Ⅲ等为主。由于左岸边坡尚处于较为强烈的变动期，且边坡高陡，无消能缓台，因此危岩失稳后对工程有较大影响，直接威胁着围堰、大坝等主要建筑物的施工安全及运营安全。施工期人员、设备密集，施工周期长，故对此区域的危岩体采取较强的处理手段；主要为Ⅱ类和Ⅲ类处理措施，系统开挖支护范围外危岩体以Ⅲ类处理措施为主，对危害等级低的危岩体采用Ⅳ类、Ⅴ类处理措施。

坝址右岸边坡较为平直，坡度较缓，其坡角均小于岩层倾角，前缘缺乏临空面，故危岩数量较少，仅两侧由于冲沟切割形成少量危岩；危岩体以稳定性差及基本稳定为主，危岩体危害性等级以Ⅱ、Ⅲ等为主。右岸永久建筑物分布较多，运行期设备、人员密集，右岸边坡在不同高程分布有公路，拦挡条件较好；故对此区域的危害性等级高的危岩体以Ⅱ类和Ⅲ类处理措施，对危害等级低的危岩体采用Ⅳ类、Ⅴ类处理措施。

除每个危岩体针对性防治措施外，在枢纽区边坡还系统布置了被动防护网和挡渣墙。采用按高程分层布置、逐级拦挡，左岸边坡共布置了7道被动防护网和3道挡渣墙，被动防护网高差约50～100 m；右岸边坡共布置了4道被动防护网和2道挡渣墙，被动防护网高差约50～130 m。

5 结 语

在稳定性评价的基础上，根据危岩体稳定性状况、危害性等级及施工难度，对危岩体提出具体防治建议；同时考虑到危岩体的危害性和施工便宜性，将危岩划分为多个工程片区，对各个工程片区及区内危岩提出以某种防护措施为主的防治建议。通过不同加固措施的组合，确保危岩体在施工期和运行期的安全，可对类似工程危岩体的防治设计提供支撑和参考。