浅析水电站在人工扰动条件下的典型边坡问题与防护措施

石继忠

（浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州，310014）

0 引言

水电站建设和运行过程中，边坡问题主要因弱地质区域边坡由人工扰动后处于瞬态失衡或持续失稳状态诱发。其中，施工、蓄水和泄流是人工扰动行为的三个典型阶段。施工中边坡问题的主要诱发源是基坑开挖或洞室（群）开挖：如丰宁抽蓄电站下水库进出水口高边坡由于开挖后局部失稳，发生塌方、掉块现象[1]。蓄水型边坡问题的主要诱发源是库水位周期升降和水下滑体浸水软化：1963年10 月，意大利的瓦依昂水库左岸滑坡2.4 亿m3（或2.7～3亿m3）的超巨型滑坡体，诱发175 m高的巨浪以及超出坝顶100 m 的涌浪，导致近3 000 人死亡[2]。泄流型边坡问题的主要诱发源是突发的强降水：2015 年汛期，二滩水电站在雾化雨和暴雨联合作用下，右岸边坡塌陷高程（1 215 m）超坝顶高程10 m，变形区（约1 948 m2）分布在高程1 131～1 192 m[3]。根据中国水利水电边坡数据库，国内仍存在大量的边坡失稳问题，尤其是大型水利工程的开发运用，超百米高的边坡稳定问题十分突出，且水土流失愈发严重[4]。

针对各类边坡问题，有效的边坡稳定性分析是开展问题边坡专业加固和科学治理的基础。采用理论分析、现场监测以及物理模拟等手段来判别边坡稳定性，通过仿真模拟、力学计算分析确定最为经济、可靠的处理方式，达到边坡治理的最优化。同时，在现代化边坡治理中，新型生态技术也逐步推广至边坡治理，以实现科学、和谐的发展理念。

1 典型的边坡问题

1.1 施工诱发边坡问题

水电工程施工期间，人为因素（如基坑开挖、洞室开挖）会改变原有地质条件，使得边坡失稳或重新构筑稳定状态，此过程中往往会产生一系列的边坡问题。根据边坡地质勘察分析，分为浅层和深层两大类问题。

浅层问题多由开挖揭露的弱地质条件变化诱发，形成危岩体。韩祥森[5]以雅砻江锦屏一级水电站高边坡危岩体为研究对象，分析危岩体成因，总结出六种主要成因，建立了危岩体形成和变形失稳机理的地质力学模型。郭素芳[6]在前人研究基础上，总结了危岩体的分类并进行了危险性评价，认为危岩体按破坏模式分为崩落（塌）式、滑落（塌）式、扩离式和剥落式4 种，其中崩塌式根据其运动方式和破坏机理又分为坠落式崩塌、倾倒式崩塌两个亚类。刘卫华[7]总结锦屏一、二级水电站发现：危岩体主要集中发育在大于50°的陡坡和边坡高高程部位，大理岩区危岩体发育集中。对多个水利工程高边坡危岩体进行总结研究发现：危岩体存在区域集中、危岩体区块量大、同一区块成因基本一致等特点。

深层的边坡问题主要表现为大型滑坡体失稳，山体内部存在弱地质条件，进而在施工过程中产生渗漏、内部塌陷、内部溶洞等问题。白伟[8]等以乌东德水电站为例，发现其左岸进水口边坡存在内部岩溶问题，导致边坡锚索支护施工困难。刘俊松[9]以西藏某水电站为例，其左坝肩存在大型滑坡体稳定性问题，滑坡体方量约37.5 万m3，滑坡体加固和防渗处理严重制约了工程进度。2016年四川省雅砻江桐子林水电站右岸原桐-雅公路（高程1 017～1 020 m）改建，雷运华等[10]指出开挖和支护的不及时，尤其是深层支护的滞后是导致该边坡出现较大变形的主要因素。不同高程的锚索施工完毕后，边坡岩体的整体变形将渐趋稳定，故应关注工程运行（包括公路下导流明渠开挖）及监测成果情况，以便对边坡进行及时分析论证并及时采取相应工程措施［7］。不论何种层次的边坡问题，在施工过程中均存在极大的安全威胁和隐患，制约工程进度，如不及时处理往往会带来严重的财产损失和灾害。

1.2 蓄水诱发边坡问题

库区蓄水后，水位周期升降和水下滑体浸水软化，诱发山体滑坡、局部沉降、塌陷等灾害。而当库区发生滑坡时，滑坡体入库后会引起库水位的上涨，进而诱发严重的涌浪次生危害。

武明鑫等[11]讨论了11 座高混凝土坝工程蓄水后的河谷-库坝变形原型观测资料，指出水库蓄水后能诱发库盘沉降、谷幅变形以及坝体的累计径向变形，不同工程诱发的主要变形形式和程度有个体差异但存在共性特征。宋丹青[12]分析了九甸峡库区燕子坪滑坡在不同蓄水区段的变形位移，指出此滑坡机制为牵引式滑坡，破坏源于蓄水速率主要加剧作用和降雨次要作用下的蠕变破坏。裴向军等[13]将锦屏一级水电站左岸大型人工开挖边坡分为开口线高位倾倒变形区（一区）、上游山梁f5和f8残留体变形区（二区）以及拱肩槽上游开挖边坡变形区（三区）。分析表明，监测点的位移、方位角及倾角在不同变形区域响应特征不同，且变形均未收敛。

江强强等[14]采用大比尺物理模型模拟了三峡库区黄土坡滑坡临江Ⅰ号崩滑体渗流场、应力场及位移场的变化特征，指出在水位骤降条件下其表现为动水压力型滑坡破坏模式，在库水位下降和降雨联合作用下，坡体变形呈现典型的牵引式破坏模式。田忠等[15]以Heinrich（1992）的滑坡涌浪试验为数值验证算例，采用FLOW-3D 软件数值模拟分析了山区库岸滑坡涌浪的产生-传播-翻坝全过程。王芳等[16]基于Geostudio数值模拟平台，模拟计算了三峡库区万州区塘角1号滑坡各分区滑坡破坏概率，开展了次生涌浪灾害总经济风险和库区内人口风险评估。黄战库[17]指出拉西瓦水电站右岸坝前的果卜边坡是处于临界稳定的天然边坡，在人工强扰动作用下存在非均匀大变形问题。周建平等[18]指出黄河上游拉西瓦（坝高250 m）水库蓄水后牵动了近坝库岸高达600 m、9 240 万m3的巨型变形体，当前虽不会整体高速下滑，但仍需要继续深化研究，提出风险应对措施，确保工程全生命周期在极端条件下的安全运行。

1.3 泄流诱发边坡问题

泄流产生的危害主要表现为高速冲刷、空蚀空化和雾化雨侵蚀等。雾化雨是一种新发现的侵蚀问题。干旱峡谷地区的高水头挑流消能型水电站中，泄流雾化改变原有部分地质体（由天然干旱状态转变至富水状态后）诱发滑坡问题。1989 年，龙羊峡水电站底孔泄流雾化诱发下游消能区右岸百万方滑坡，修复工作持续了6年，工程总投资达3.08亿元[19]。二滩水电站设计为空中碰撞消能，雾化问题突出。1998年汛期，在库水位最高达到1 182.26 m高程的泄流条件下，处在坝身泄洪雾化影响区内的中滩沟发生了约8 000～9 000 m3的泥石流，泥石流流入水垫塘引发底板破坏。1999年汛期，在设计库水位1 200 m 高程的泄流条件下，多表孔和中孔联合泄洪（约7 700 m3/s），坝后约700 m范围内的边坡及附属建筑物遭到了损坏，开挖线以上的表层覆盖物（泥土、碎石、块石及大孤石）滑落，大量滚落的石块使开挖线以下已经支护过的边坡、马道和马道上的建筑物遭到了不同程度的毁坏，滞积的泥石流堵塞了边坡交通梯道和各级马道[20]。福建高唐水电站由2007年投产以来，每至汛期洪水季节，均因大流量泄洪对左岸边坡形成冲刷，致使岸坡坡脚不断后退，威胁下游结构安全[21]。

2 边坡问题的稳定性分析和防控措施

边坡问题存在极大的安全隐患和威胁，国内专家对边坡的稳定性和防护措施进行了大量的研究，总结出了极为有效的处理经验和防护手段，逐渐由防护技术上的运用转变到生态修复技术的改进，由点对点的问题处理深入到深层次的修复改善。

2.1 传统工艺的边坡处理技术

传统的边坡问题处理工艺已经得到了熟练的运用。在拉西瓦、锦屏一、二级等水电站系统应用了由钢丝绳网、柔性钢绳锚杆、支撑绳等组成的柔性主动防护系统和由钢丝绳网、减压环、支撑绳、钢柱和张拉锚绳组成的柔性主、被动防护系统[22]，深层的边坡问题还增加了系统的锚索、抗滑桩防护。王金龙等[23]采用有限元法，选取乌东德水电站距坝轴线392 m 的水垫塘右岸边坡（位于雾化雨中心）为代表性坡面，指出裸露缓坡利于雾化雨入渗，弱透水材料防护可减少坡面雾化雨入渗量，坡体内部渗透性上强、下弱的部位建议设置排水孔。尹鹏海等[24]开展了一次典型泄洪雾化降雨作用过程下，白鹤滩水电站左岸边坡的渗流场模拟计算，结果表明泄洪雾化雨入渗是影响边坡稳定性的重要因素，提出边坡表面喷护时需配置排水措施，威胁体局部置换等加固措施。练继建等[25]以护坡不护底的乌东德水电站物理模型为基础，揭示了护坡板块的破坏力源——背/迎水面静水压差和脉动压差的叠合作用，通过对比4 种护坡板块（不透水、透水、封闭自排和封闭抽排）的受力特征，提出了组合倾斜开孔式透水护坡板块和封闭自排护坡板块应用的工程实践方案。

2.2 生态护坡技术

生态护坡技术方面，主要是针对已开挖边坡的一种反馈治理，包含植被混凝土生态护坡技术（VCT）和厚层基材护坡技术（TBS）。侯燕梅[26]以向家坝扰动边坡运用TBS 技术为研究对象，指出TBS技术可在一定程度上进行人工调控，但由于环境的复杂性，人为调控成效不一。应丰等[27]对高海拔地区的扰动边坡运用JYC生态基材护坡技术，针对高寒地区的气候条件和生态脆弱问题进行了优势物种筛选、保水保肥技术研究，推广了新技术的运用。李天斌等对JYC 生态基材护坡技术运用于高陡岩质边坡进行了研究，评价了该技术在高海拔岩质边坡区域的抗冻性、抗贫瘠性和稳定性，将生态技术推广至岩质边坡运用。多种生态护坡技术目前已全面、逐步深入地运用在边坡治理修复中，但仍有待进一步推广和应用。

3 结语

（1）水利工程的施工、蓄水和泄洪三个阶段，直接或间接造成了一系列的边坡问题，目前边坡问题凸显、成因多样、机制复杂、形式多变、治理难度大、投资成本高。

（2）现代水利水电工程边坡治理和防护研究以“防渗-促排-降载”为设计基础，在结构预测方法、护坡防护技术以及新型护坡结构等方面不断发展，为边坡治理提供了全面完善的技术基础，但技术发展、革新方面较弱，仍有待进一步提高。

（3）生态护坡是现代水利工程边坡治理的时代要求，在谋求发展的同时应加大生态防护，而VCT、TBS、JYC 等生态护坡技术在国内有很大的推广空间，在物种优选、复杂地质条件、物种多样性等方面应进行进一步的研究。