王壽宇

（水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

1 引言

目前水電開發(fā)逐步向各流域上游挺進(jìn)，壩址區(qū)多高山峽谷地貌，兩岸邊坡高陡，山頂海拔高程多在4 000 m以上，河流沿線及其支流強(qiáng)烈侵蝕切割，山崖陡峭，形成高差達(dá)千余米深切河谷，通行艱險(xiǎn)。壩址區(qū)自然邊坡高度達(dá)500 m 以上，地形坡度45°～75°不等，局部有直立懸崖；邊坡往往基巖裸露，該區(qū)地震烈度高，加之坡體中裂隙型小斷層較發(fā)育，同時(shí)此區(qū)域均為高山、高寒區(qū)域，巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，邊坡上部往往廣布危巖體，且危巖體規(guī)模較大。危巖體的失穩(wěn)對水電站施工期、運(yùn)行期人員設(shè)備構(gòu)成重要安全威脅，需進(jìn)行專題研究，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，確保作業(yè)人員等的安全。將從西部水電開發(fā)中危巖體勘察、發(fā)育特征、危害性、防治等進(jìn)行探討和論述，提出相應(yīng)的意見和建議，以供各方參考。

2 危巖體掉落破壞實(shí)例

西部某水電站樞紐區(qū)為高山峽谷地貌，岸坡陡峻，左岸頂高2 690 m，坡高2 110 m以下坡面坡度450°～70°，2 110～2 300 m有局部懸崖；右岸頂高2 625 m，坡面坡度50°～70°，邊坡巖性為花崗閃長巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，以弱風(fēng)化為主，整體穩(wěn)定條件好。但邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，表部卸荷較強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙的隨機(jī)組合，分布有多處危巖體，危巖體大多穩(wěn)定性差，經(jīng)常出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，其失穩(wěn)對工程建筑物、人員及設(shè)備安全影響較大。2019年9月17日，左岸地面開關(guān)站后邊坡?lián)鯄ν馍喜孔匀贿吰掳l(fā)生掉塊，上部被動(dòng)網(wǎng)局部被砸壞，2019年9月25日，大壩右岸下游側(cè)高程2 260 m 自然邊坡局部危石掉塊，造成下部的施工設(shè)施、變壓器及冷水機(jī)組等設(shè)備損壞。

3 危巖體勘察

高邊坡危巖體勘察用傳統(tǒng)的技術(shù)難度大、危險(xiǎn)性高，為查明樞紐區(qū)危巖體分布及邊界條件等分布特征，我們需在傳統(tǒng)的調(diào)查、測繪、勘探等工作基礎(chǔ)上，綜創(chuàng)新性的合運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)、三維數(shù)碼照相及無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)精細(xì)描述及室內(nèi)試驗(yàn)、分析，查明危巖體發(fā)育部位及微地貌特征、巖體結(jié)構(gòu)、拉裂縫深度、側(cè)緣控制邊界等工程地質(zhì)條件，實(shí)現(xiàn)了對危巖體各項(xiàng)特征準(zhǔn)確界定，為后續(xù)危巖體防治打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。其中：①三維激光掃描技術(shù)可優(yōu)化傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查過程，且室內(nèi)數(shù)據(jù)處理軟件技術(shù)成熟，可實(shí)現(xiàn)對危巖體的定量分析，如：危巖體幾何尺寸測量，高精度危巖剖面圖等。②三維數(shù)碼照相應(yīng)用于高陡（巖質(zhì)）邊坡地質(zhì)測繪中，有效解決了人無法直接到達(dá)現(xiàn)場開展外業(yè)工作的矛盾，尤其是西部高山峽谷地形。同樣，針對危巖體的勘察，也可作為一項(xiàng)新的技術(shù)得以運(yùn)用。從危巖體數(shù)據(jù)利用方面來看，三維數(shù)碼照相可系統(tǒng)獲取危巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的三維出露跡線，同時(shí)直接用于等高線的生成、任意一點(diǎn)三維坐標(biāo)的提取、結(jié)構(gòu)面跡長的測量和結(jié)構(gòu)面信息的提取。③傾斜攝影技術(shù)通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多角度相機(jī)陣列，從而滿足了從側(cè)面紋理的采集需求。無人機(jī)傾斜攝影測量就是以無人機(jī)為飛行平臺(tái)、以影像傳感器為任務(wù)設(shè)備的航空遙感影像獲取系統(tǒng)，系統(tǒng)包括無人機(jī)平臺(tái)、攝影傳感器、地面站和導(dǎo)航系統(tǒng)。通過同一平臺(tái)上的多臺(tái)傳感器分別從垂直、傾斜等多個(gè)角度采集影像，同時(shí)進(jìn)行傾斜影像數(shù)據(jù)處理、整合其他地理信息等，進(jìn)而輸出三維模型等產(chǎn)品。

4 危巖體發(fā)育特征

危巖體發(fā)育特征在宏觀上可劃分為單體和群體危巖兩類，單體危巖主要有危石、危巖體以及孤石；當(dāng)單體危巖發(fā)育分布范圍較廣時(shí)，其往往具成帶（群）分布特征，這種由多個(gè)單體危巖組合而成的危巖帶（群體）即為群體危巖，其主要包括危石群、危巖帶和孤石群，按規(guī)模對危巖體進(jìn)行分類。同時(shí)，危巖在形成演化過程中，不同階段也會(huì)呈現(xiàn)出與其相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征，不同的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征便可反映出其可能的變形失穩(wěn)模式及其穩(wěn)定性，為了能更直觀的識(shí)別工程區(qū)的危巖體類型、明確體現(xiàn)該類型危巖體的變形破壞機(jī)理，為危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和防治措施提供可靠依據(jù)，按危巖的發(fā)育特征和巖體結(jié)構(gòu)特征將其分為：貼壁式、倒懸式、砌塊式、墩座式、錯(cuò)列式、孤立式等六種基本類型，其中倒懸式按邊界條件可分為懸臂式和墜腔式兩亞類；砌塊式按巖體結(jié)構(gòu)還可細(xì)分為塊裂式、板裂式和碎裂式。

5 危巖體失穩(wěn)破壞特征

危巖體失穩(wěn)破壞特征從工程防治的角度分類更有現(xiàn)實(shí)價(jià)值，可概化為三類：滑塌式、傾倒式和墜落式危巖。邊坡上的危巖體，一般與坡腳可達(dá)數(shù)百米高差，一旦脫離母巖體形成落石。起滾后將在重力和坡面的共同作用下向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過斜拋、碰撞和滑動(dòng)等多種方式向下，給其下的生命財(cái)產(chǎn)、建構(gòu)筑物及設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施等造成直接破壞。概括而言，在重力作用下落石主要以自由飛落、跳躍、滾動(dòng)、滑動(dòng)為主，在坡角變化之處或發(fā)生碰撞后，都會(huì)形成飛落；滾石在自由飛落過程中一旦遇到坡面的阻擋，就會(huì)發(fā)生碰撞彈跳，當(dāng)滾石撞擊等方式后形成滾動(dòng)，常見短距離彈跳模式有一系列連續(xù)拋物線。坡面的不規(guī)則程度、落石質(zhì)量對落石運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響很大。坡面相對均一，落石主要作小彈跳和滑移運(yùn)動(dòng)；反之，落石作有滑動(dòng)的滾動(dòng)。

由于工程場區(qū)不同、危巖基本特征（規(guī)模、巖體結(jié)構(gòu)、失穩(wěn)模式）以及坡面特征組合（坡度、植被、坡表強(qiáng)度）等的不同，危巖失穩(wěn)后，沿著坡面運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)與建構(gòu)筑物接觸時(shí)的沖擊功就會(huì)有較大差別，從而對建構(gòu)筑物的破壞程度就有所不同。

6 危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

研究表明，影響危巖體穩(wěn)定性的因素主要有：巖體的控制性結(jié)構(gòu)面完備程度、張開程度、傾角及地形坡度；降雨、人工爆破和地震等構(gòu)成影響危巖體穩(wěn)定性的最主要外界因素。巖體的控制性結(jié)構(gòu)面完備程度、張開程度等是危巖體變形失穩(wěn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，降雨、人工爆破和地震等是危巖體變形失穩(wěn)的外動(dòng)力因素。工程地質(zhì)作為基本條件能反映出危巖體天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性本質(zhì)，與主要影響因素共同作用顯現(xiàn)出危巖體穩(wěn)定程度。這些因素相互綜合作用構(gòu)成危巖體穩(wěn)定性的總體影響；一些因素對危巖體起控制影響，另一些因素則通過與其它因素的相互作用對危巖體穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的綜合影響。在充分研究工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析評(píng)價(jià)指標(biāo)對危巖體穩(wěn)定性的影響程度，最終歸納總結(jié)出便于野外現(xiàn)場快速判斷的評(píng)價(jià)指標(biāo)。有研究顯示，岸坡巖體的控制性結(jié)構(gòu)面完備程度、張開程度、傾角及地形坡度四個(gè)方面已經(jīng)構(gòu)成影響危巖穩(wěn)定的主要因素。通過對危巖穩(wěn)定性影響因素分析，選取了地形坡度，控制性結(jié)構(gòu)面傾角、完備程度及張開程度四個(gè)穩(wěn)定性判別指標(biāo)為穩(wěn)定性分級(jí)指標(biāo)，分別為極差、差、較差。同時(shí)，根據(jù)《滑坡防治工程勘察規(guī)范》中危巖體穩(wěn)定性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，又可將危巖穩(wěn)定性劃分為不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和穩(wěn)定四種狀態(tài)。

7 危巖體危險(xiǎn)性分級(jí)

危險(xiǎn)性等級(jí)劃分根據(jù)危巖賦存的地形、巖體結(jié)構(gòu)和風(fēng)化程度等特征，建立危險(xiǎn)源穩(wěn)定性現(xiàn)場判斷標(biāo)準(zhǔn)、半定量判定標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)其規(guī)模和穩(wěn)定性綜合確定。危巖體崩塌災(zāi)害已成為西部水電工程大規(guī)模開發(fā)所面臨的重要地質(zhì)災(zāi)害，系統(tǒng)研究危巖體崩塌災(zāi)害對項(xiàng)目區(qū)產(chǎn)生危險(xiǎn)性內(nèi)在機(jī)理，在水電開發(fā)過程中建立防災(zāi)減災(zāi)預(yù)案和設(shè)計(jì)災(zāi)害防治工程都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，開展危險(xiǎn)性研究需建立相應(yīng)的危巖危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系。危巖危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系的建立是一個(gè)系統(tǒng)工程，其核心問題主要有選定評(píng)價(jià)方法、選取評(píng)價(jià)指標(biāo)及建立評(píng)價(jià)體系。有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法主要有模糊綜合評(píng)判法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等常用方法。上述方法均具有樣本數(shù)量越大，樣本代表性越強(qiáng)，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可靠性越高的特點(diǎn)。但所需要的工程區(qū)大量樣本數(shù)據(jù)，短時(shí)間內(nèi)較難獲取。因此危巖的危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建立以定性判別為主，遵循簡便適用的原則，能真實(shí)反映研究區(qū)危巖發(fā)育對樞紐區(qū)水工建筑施工、運(yùn)行的影響。

危巖崩塌災(zāi)害具有不同于其它地質(zhì)災(zāi)害形式的差異性，其發(fā)生發(fā)展直至破壞的內(nèi)在機(jī)理、整體運(yùn)動(dòng)以致產(chǎn)生破壞的過程都是作為一種特殊的地質(zhì)災(zāi)害顯現(xiàn)的。危巖災(zāi)害本身，其危險(xiǎn)性分析是在穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上對危巖體成災(zāi)的可能性和發(fā)生的幾率進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。危巖災(zāi)害不同于其它地質(zhì)災(zāi)害的顯著特點(diǎn)：①破壞失穩(wěn)的突然性。②破壞運(yùn)動(dòng)速度快、軌跡和形式多變。③以側(cè)面沖撞或正面撞擊方式導(dǎo)致構(gòu)建筑物或設(shè)備破損。④破壞過程具有明顯的三個(gè)階段性，即破壞階段、失穩(wěn)后運(yùn)動(dòng)階段（滾石運(yùn)動(dòng)）、對受災(zāi)體沖撞階段。因此，危巖危險(xiǎn)性主要由危巖體的穩(wěn)定性、失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)軌跡、以及災(zāi)害體到達(dá)承災(zāi)對象時(shí)所產(chǎn)生的破壞能力（沖擊力大?。┧鶝Q定。綜上可知，危巖體失穩(wěn)破壞產(chǎn)生災(zāi)害的影響要素：危巖體發(fā)育規(guī)模、危巖體自身穩(wěn)定性和威脅對象的等級(jí)。針對水電站而言，壩址區(qū)兩岸邊坡地形坡度較陡，植被覆蓋率較低，中高高程危巖體或其它危險(xiǎn)源一旦失穩(wěn)后其運(yùn)動(dòng)速度較快一般都能抵達(dá)承災(zāi)對象并且產(chǎn)生較大的沖擊力，低高程危巖或其它危險(xiǎn)源失穩(wěn)后對公路、車輛以及行人亦能產(chǎn)生較大威脅。因此，對工程區(qū)危巖危險(xiǎn)性分析時(shí)可忽略高差的影響，應(yīng)在危巖規(guī)模和穩(wěn)定性基礎(chǔ)上針對其威脅對象進(jìn)行危險(xiǎn)性等級(jí)的劃分。目前，水電工程危巖體處理尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，采用其他行業(yè)規(guī)范與水電工程實(shí)際情況差別較大，工作中可參考以往大型水電開發(fā)中的經(jīng)驗(yàn)，將危巖危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按危巖規(guī)模、危巖穩(wěn)定性及危脅對象等級(jí)“三要素”將危巖體危險(xiǎn)性等級(jí)按危害性程度由大到小劃分為三個(gè)等級(jí)：危險(xiǎn)性Ⅰ級(jí)、危險(xiǎn)性Ⅱ級(jí)、危險(xiǎn)性Ⅲ級(jí)。

8 危巖體防治

由于自然邊坡上的危巖體、滾石如不在樞紐主體工程大規(guī)模開挖之前進(jìn)行清理、處置，會(huì)造成對下部樞紐區(qū)施工人員、設(shè)備造成嚴(yán)重威脅。因此對規(guī)模大、危險(xiǎn)性大的危巖體、不穩(wěn)定體治理的首要原則是，應(yīng)在所在部位工程開工之前盡早完成清理或支護(hù)。在穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，超高陡邊坡危巖治理方案確定需綜合考慮危巖體的位置、類型、變形破壞機(jī)制、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及危險(xiǎn)性分級(jí)等因素，面臨施工組織困難、突發(fā)性強(qiáng)的難題，針對危巖體分別制定適合其自身?xiàng)l件的個(gè)性化治理方案。目前，對危巖體主要采取開挖清除、錨固，對噴錨的危石區(qū)設(shè)置排水，對坡面隨機(jī)孤石、陡壁危石區(qū)，綜合防護(hù)治理措施包括主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、分層被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和擋渣墻防護(hù)，同時(shí)重點(diǎn)危巖體安全監(jiān)測等。

9 危巖體監(jiān)測與預(yù)警

對危巖體監(jiān)測通常采用的設(shè)備包括表面變形測點(diǎn)、多點(diǎn)位移計(jì)、錨索測力計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)等，從表面到巖體內(nèi)部發(fā)生的變形特征能夠構(gòu)成危巖體穩(wěn)定狀態(tài)的重要指標(biāo)，應(yīng)用錨桿、錨索支護(hù)，研究其受力狀態(tài)，用以輔助判斷危巖體的穩(wěn)定狀態(tài)。工程實(shí)踐中已經(jīng)建立起判斷危巖體穩(wěn)定特性的有效方法，即以變形監(jiān)測成果為主，支護(hù)受力為輔的預(yù)警模式。

預(yù)警危巖體的穩(wěn)定性應(yīng)預(yù)先設(shè)定變形觀測警戒指標(biāo)，對危巖體的總變形量、變形速率分別設(shè)定警戒值，若變形測值超過警戒值，首先要可通過察看是否超越儀器量程或測值合理范圍的方法進(jìn)行初步排除觀測失誤情形。若未出現(xiàn)上述情況，應(yīng)組織人員復(fù)測，巡視變形部位，進(jìn)一步排除偶然因素影響。若上述情況皆不存在，則應(yīng)通過查看附近以及其他測點(diǎn)（包括支護(hù)受力監(jiān)測成果）數(shù)據(jù)情況判斷危巖體的整體穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)有多個(gè)測點(diǎn)的測值超過警戒值或多個(gè)測點(diǎn)的測值有增大趨勢時(shí)，應(yīng)及時(shí)引起警覺，通過加密監(jiān)測和巡視頻次，必要時(shí)應(yīng)采取撤離危巖體下部作業(yè)人員、設(shè)備等應(yīng)急措施。

10 結(jié)語

西部水電工程大規(guī)模開發(fā)建設(shè)將再次進(jìn)入新的發(fā)展階段，工程開發(fā)步伐將逐步邁進(jìn)青藏高原深處，這將會(huì)使正面臨的危巖體問題越來越突出。為此，要廣泛收集相關(guān)資料，開展針對性的研究探索。系統(tǒng)勘察西部水電工程項(xiàng)目區(qū)河谷岸坡的形成演化歷史，在查明水電站樞紐區(qū)邊坡巖體淺表性改造特征的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用傳統(tǒng)與現(xiàn)今的多種勘察技術(shù)手段，采用原型調(diào)研與室內(nèi)分析相結(jié)合、宏觀分析與微觀分析相結(jié)合、工程地質(zhì)與巖體力學(xué)相結(jié)合的思路，重點(diǎn)對危巖體的工程地質(zhì)條件、力學(xué)參數(shù)、可能的變形破壞模式和邊界條件開展深入系統(tǒng)的研究，對危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，以此根據(jù)不穩(wěn)定區(qū)的工程地質(zhì)條件和可能的失穩(wěn)模式及破壞影響等，提出處理措施與監(jiān)測預(yù)警方案。