水利水电高陡边坡工程防护研究

杨沛霖 孙荣波 宋开利

（贵阳市道路桥梁设计所， 贵州 贵阳 550000）

0 引言

我国可开发水电资源蕴含量十分丰富（6.9×108kW），包括黄河、长江、怒江及雅砻江等水力资源的开发是引领未来水电能源发展的一面旗帜。其中我国西南地区是水资源的富集区，然而自然条件十分恶劣，多为高（低）山峡谷地貌。进行水电能源开发，遇到最严峻的问题便是高陡岩质边坡稳定问题[1]。

受青藏高原构造隆升影响，西南地区形成河谷深切的高（低）山峡谷地貌，地应力高，岩体卸荷发育，地质灾害频发，且地质结构复杂，地震烈度高，天然岸坡稳定性较差；水利水电工程规模巨大，不可避免地衍生一批复杂边坡工程是，随着水能的进一步开发，遇到的边坡工程的规模也越来越大，一般200～300m级的高坝工程，需要人工开挖边坡将达到 300～500m，开挖边坡上部还可能存在数百米至千余米自然边坡，工程高边坡稳定问题十分突出[2]。本文旨在总结和介绍高陡边坡工程特点以及工程防护研究，为水电资源开发和基础设施建设提供一定借鉴。

1 水电工程高陡边坡问题研究

1.1 自然陡坡

岸坡地质条件复杂，稳定条件差。主要表现为岸坡区属高（低）山峡谷地貌，河水切割侵蚀能力强，形成自然高边坡；岸坡经历表生改造阶段进入时效变形阶段，原岩应力状态被打破，近平行岸坡方向发生卸荷回弹，表生卸荷裂隙较发育，岸坡崩塌、滑坡等时有发生。

1.2 人工开挖边坡

随着水电大型项目的推进，遇到的工程岩石力学问题复杂多样（见表1）。边坡开挖高度一般从几十米级至数百米级不等，坡度一般达60°～80°，临空面约束释放，岩体应力重新调整，卸荷回弹现象较为明显，岸坡稳定性问题十分严峻。

表1 大型水电工程高陡边坡情况

1.3 变形控制

高陡边坡工程变形控制制约因子多样，诸如地层岩性、地质构造、开挖技术、锚固支护技术、防渗排水、库水位骤降、泄洪雾化现象等。

高陡边坡变形控制关键环节是时效变性阶段，重视推进岩土体变形理论、岩土与结构相互作用的理论研究，施工过程中进行动态安全监测，及时反馈分析，实现动态信息化施工。根据经验综合考虑高陡边坡变形稳定性控制设计原则：低开口、高清坡、缓接坡、强锁头及紧固脚等。

2 河谷边坡应力特征及发育规律

工程实践已经表明[4-7]，我国河谷应力随河谷临空面的距离具有明显分带特征[3]，研究河谷应力场特征对认识河谷边坡演化历史和演化进程以及工程实践具有重要意义。

河谷边坡应力场表现为明显的分区、分带特点，随着河谷下切，岸坡侧向应力解除，紧接着应力发生重分布，岩体产生向临空面卸荷回弹的现象。伴随这一过程，边坡应力随着变形状态不断调整，最终在一定深度范围内形成河谷岸坡二次应力分布区[3]。理论上，二次应力区包含应力降低区、应力增高区和原岩应力区，其中对岸坡威胁最大的应力区就是应力降低区。

岩质高陡边坡演化[8]是地壳上升 河谷下切、应力释放 表生改造作用的一个地质历史过程。河谷边坡形成一般要经历 3个阶段：表生改造阶段、时效变形阶段、破坏发展阶段。

3 高陡岩质边坡防护研究

3.1 边坡安全防护

目前，极限平衡分析法求解安全系数有三种理论：强度储备，超载储备，下滑力超载储备。

一旦安全系数达不到储备要求，可采取不同的加固措施提高边坡的安全度。目前常采用的边坡加固措施归纳为如下几类：(1)截排水措施，(2)减载措施，(3)压脚措施，(4)支挡措施(5)混凝土抗剪结构措施，(6)锚固措施等。根据[2]文献表6可知，截排水措施和锚固措施在水电高边坡工程治理中应用最为普遍；削方减载和支挡作为辅助措施配合应用；而混凝土抗剪结构处理一些复杂地质情况取得不错的效果。

3.1.1 排水和防渗、削坡压脚措施

自90年代末至今，在登录的117个边坡信息中，发现其中53%[9]的滑坡发生变形破坏的诱因是水的作用，也有十滑九水之说。为了防治岩土体强度下降，产生超空隙水压力，就必须控制地表水和地表水。地表水，常采用截水沟拦截和引排，其中坡体以外的地表水，于适当位置拦截引排；坡体上的地表水要注意防渗工作，快速汇集疏出。地下水，常选用渗井、平孔排水、汇水隧洞等到排水措施来疏干，大大降低孔隙水压力，提高抗滑力，保证岸坡的稳定。高陡边坡截排水原则是以地下排水为主，地表截、防排水为辅，最大程度上降低岸坡岩体地下水位，减小渗水压力，提高边坡稳定性。

当场地允许时，削坡压脚应是优选方案。当削坡压脚难以实施或仍不能满足时，宜结合抗滑桩或预灌浆—梁锚结构等方案治理。

3.1.2 混凝土抗滑桩

1943年，太沙基[10]开展了活动门试验，将已屈服土体中的应力传递至相邻稳定介质的这一现象称之为土拱效应。随后，Wang和Yen、常保平、王成华、周德培等关于最佳桩间距计算开展大量研究工作。在抗滑桩与滑坡体相互作用机理方面，采用数值模拟方法全面分析了桩土之间作用机理。随着治理理念的发展，从最初的悬臂抗滑桩到H型抗滑桩、预应力锚索抗滑桩、双排抗滑桩等。混凝土抗滑桩具备易于操作、经济实用的特点，尤其当遇到滑面倾角平缓时，能够更好发挥效果。

3.1.3 混凝土沉井

混凝土沉井具备挖土量少、对邻近建筑物的影响比较小，并且沉井基础埋置较深、稳定性好、能支承较大的荷载，已广泛应用于桥梁、烟囱、水塔的基础。减压沉井[12]在滑坡工程中，沉井深入承压水层能降低承压水头，沉井埋置较深能抵抗较大下滑推力，同时也具备挡土墙的作用。如天生桥二级水电站左坝肩下游边坡进入时效阶段，采用沉井抗滑+坡面保护+排水的支护方案，有效控制边坡的稳定。

3.1.4 预应力锚索地梁

预应力锚索地梁[13]组成有框格梁体系和预应力锚索两部分构成。混凝土地梁对滑坡体表层坡体起保护作用并增强坡体的整体性，防止地表水渗入和坡体的风化。预应力锚索为主动防护措施，锚索把预应力传递到框架梁体系上，然后通过框架梁体系传至坡面上，保证预应力锚索提供抗力的均匀性、连续性及整体性，达到完全稳固边坡的目的。

3.1.5 深埋混凝土抗剪结构

抗剪置换洞采用坡内施工，治理的深度不受结构体本身的限制，对处置岸坡深部不利结构面，控制的岸坡稳定发挥不可替代的作用。技术特点是针对性强，实施难度小。经过地质勘察，一旦发现选址区存在深层软弱结构面或断层时，优选抗剪置换洞方案，该技术适用于结构面上下盘有坚硬完整岩体的情况。针对可能发生深层滑动的结构面上、下盘均为坚硬完整岩体时，利用混凝土或钢筋混凝土置换软弱结构面上软弱土层。

其中抗剪洞在锦屏一级水电站左岸边、坡龙羊峡对近坝、李家峡在左坝肩和大岗山右岸边坡等边坡上的成功运用，取得不错效果。

3.2 边坡生态防护

随着我国《水土保持法》的颁布和实施，“生态植物修复技术”方案研究得到了社会各界认识的认可，随着经济快速发展，以及人们对环境保护投入，对生态植物修复技术的研究有重大的意义。

““生态植物修复技术”[14]指的是在工程建设中采用相关的生态植物(如不同的乔、灌、草、藤等)，根据一定比例在特定环境条件下混合配置后，对开挖或填方所形成的边坡进行植被恢复的一种综合技术应用方案，它包含了绿化景观、固土保水、防止浅层滑坡和塌方等生态环境保护”。目前，常选用“普通绿化”、“普通喷播”、“挂网喷播”或“香根草技术”[14-15]等。其中，铺贴草皮、普通喷播以及挂网喷播是可以达到绿化景观的目的技术，对比施工工艺和成本，前两种有明显的优势。而“香根草技术”具有抗滑护坡和水土保持的作用；因此，香根草技术不仅能达到恢复植被和绿色景观的目的，而且具备固土保水和防止浅层滑坡的能力。

4 结语

我国水电工程工程大多修建于高山峡谷之中，自然谷坡高陡，工程地质条件复杂，地应力水平高、岩体卸荷强烈，天然条件下稳定性较差；工程边坡具有开挖高、坡度陡、体量大、安全控制难的特点。

（1）河谷边坡应力场表现为明显的分区、分带特点，随着河谷下切，岸坡侧向应力解除，紧接着应力发生重分布，岩体产生向临空面卸荷回弹的现象。岩质高陡边坡演化是地壳上升 河谷下切、应力释放 表生改造过程。

（2）水利水电高陡边坡防护从两个方面着手，即为安全防护、生态防护。目前，针对不同地质条件下的高陡边坡加固工程，通常采取截排水措施及锚固(含坡面喷混凝土、锚索、混凝土框格梁、预应力锚索等)方案；针对拟建工程边坡深部存在不稳定软弱结构面或断层，考虑选用地下抗剪洞结构措施。随着生态文明建设步伐的推进，“生态植物修复技术”慢慢被提上日程。

[1]黄润秋.20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制[J].岩石力学与工程学报，2007，26(3)：433–454.

[2]宋胜武，冯学敏，向柏宇.西南水电高陡岩石边坡工程关键技术研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（1）：1-2

[3]黄润秋.岩石高边坡稳定性工程地质分析[M].北京：科学出版社，2012，120-130

[4]黄润秋.岩石高边坡的时效变形分析及其工程地质意义[J].工程地质学报，2000，8(2)：148–153.

[5]黄润秋.中国西南岩石高边坡的主要特征及其演化[J].地球科学进展，2005，20(3)：292–297.

[6]黄润秋.岩石高边坡发育的动力过程及其稳定性控制[J].岩石力学与工程学报，2008，27(8)：1525–1544.

[7]黄润秋，王士天，张倬元，等.中国西南地壳浅表层动力学过程与工程环境效应研究[M].成都：四川大学出版社，2002.

[9]黄润秋.岩石高边坡稳定性工程地质分析[M].北京：科学出版社，2012，20-21

[10]赵宇飞，陈祖煜.中国水利水电边坡数据库及XML技术的应用[J].岩石力学与工程学报，2007，2（26）