西北某水电站高边坡危岩稳定性分析及防治措施研究

马国文

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 研究区概况

研究区上距水电站高坝坝址7.5 km，距引水隧洞进水口约2.9 km，右岸布置导流工程，闸顶高程1 654 m。闸址区河道顺直，流向N25E，两岸山体雄厚，相对高差数百米，河谷呈略为开阔的“V”型纵向谷，左岸为顺向坡(图1)，地形较陡，斜坡坡度在40～65之间，平均坡度约51°；右岸为反向坡(图2)，地形总体为下陡-中缓-上陡，坡体前部1 810 m高程以下平均坡度约60°，1 810～2 130 m高程段较缓，平均坡度约39°，而2 130 m高程以上斜坡平均坡度约44°。正常蓄水位1 646 m时，水面宽127～147 m。闸址下游左岸发育有一条大奔流沟，沟床深切，基岩裸露，常年流水，沟口有洪积扇堆积。闸址两岸无阶地及漫滩分布，两岸冲沟发育短浅。

图1 闸址左岸地貌 图2 闸址右岸地貌

闸址区出露地层岩性主要为三叠系上统(T3)的深灰色-灰色变质砂岩、板岩，两者常以互层状产出。受强降雨影响，研究区内斜坡上部发生过危岩崩落现象，落石砸入下方的构筑物内。由于研究区内危岩位置高，破坏性大，对水电站的安全构成极大威胁，因此需对研究区内危岩进行详细调查，为有效防治措施提供依据。

2 边坡危岩发育分布特征

研究区为深切峡谷地形，两岸边坡高陡，植被发育，险恶的自然环境限制了调查人员的深入。因此，我们引入非接触式测量技术，采用“人工现场调查+无人机遥感航拍”相结合的新调查方法对研究区危岩发育分布情况进行详细调查。无人机遥感技术是一种快速发展的新兴航测技术，以其风险小、成本低、机动灵活等特点被广泛地应用于各种环境下的地质灾害调查中，并取得了较好的成果[1-3]。

通过遥感影像对研究区危岩进行解译，结合人工现场调查，共识别统计危岩35个，其中，闸址左岸边坡危岩18个，右岸边坡危岩17个。分析表明，研究区内危岩以倾倒式变形破坏模式为主，共18个，占危岩总数51%，该类危岩主控因素为后缘倾坡外结构面；其次为滑移式，共12个，占总数34%，此类危岩主控因素为底部缓倾坡外结构面。危岩类型以危岩体集中发育的危岩带为主，占总数88%，可知研究区危岩总体上呈零星分布，局部为集中发育的特征。

研究区边坡范围较大，为了合理评价危岩对工程的影响程度，更好的进行有效防治，对闸址边坡危岩按以下两个原则进行分区评价：(1)从危岩威胁范围出发，根据范围内不同水工建筑进行分区，考虑危岩对不同水工建筑物的影响；(2)危岩发育分布特征，如岩体结构、方量、破坏模式及稳定性等。根据该原则将左岸边坡分为Ⅰ、Ⅱ两个大区(图3)，右岸边坡分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个大区(图4)。各个分区危岩发育分布特征如下说述。

2.1 闸址左岸

2.1.1 Ⅰ区危岩特征

Ⅰ区危岩分布于坝肩区和坝前区，危岩发育高程1 690～1 780 m，右侧以坝肩区上游约200 m小型冲沟左侧岸坡为界，左侧以坝肩处冲沟右侧岸坡为界，整体坡度非常陡峭，整体坡度55°～85°。区内有危岩带8处，集中发育于植被稀少、基岩裸露位置。

根据破坏后影响的区域不同，将一区分为了两个亚区(见图3)：

图3 闸址左岸危岩分布图 图4 闸址右岸危岩分布图

I1亚区发育3处危岩带，危岩带规模在500～2 000 m3不等，总规模约3 858.8 m3，受多组结构面切割，岩体在卸荷回弹下更为破碎，使岩体下部和两侧易产生临空面，在外部因素的影响下易向坡外产生倾倒式破坏。

I2亚区发育5处危岩带，危岩带规模在40～1 000 m3之间，其中3处危岩受中～陡倾结构面和两组陡倾结构面切割，形成不利组合块体，在外力作用下易产生倾倒式破坏，规模约2 153 m3，占比93.0%；另外2处下部局部临空，且裂隙较为发育，易发生坠落式破坏，规模约161.1 m3。

2.1.2 Ⅱ区危岩特征

Ⅱ区危岩分布于坝后区，危岩发育高程1 700～1 900 m，右侧以坝肩处冲沟右侧岸坡为界，左侧以坝肩下游约300 m处冲沟右侧岸坡为界。该区地形陡峭，坡度可达55°～70°，岩体风化卸荷强烈，节理裂隙较发育，岩体被结构面切割形成临空面，易发生破坏。区内主要发育2组结构面：(1)J1：N72°W/NW∠30°、(2)J2：N68°W/NE∠71°。

Ⅱ区主要发育10处危岩带，规模大都集中在200～1 000 m3之间，最大规模达2 000 m3，其中8处危岩受中～陡倾结构面及两组陡倾结构面切割，形成不利组合块体，易产生倾倒式破坏，总规模约5 834.1 m3，占比约91.3%；另外2处下部局部临空，且裂隙较为发育，易发生坠落式破坏，总规模约558.7 m3。

2.2 闸址右岸

2.2.1 Ⅰ区危岩特征

Ⅰ区危岩分布于闸址下游，危岩带发育规模48～1 000 m3不等，下侧以1 630 m高程为界，上侧以2 700 m高程为界，左侧以闸址下游导流洞出口为界，右侧以闸址所在冲(干)沟左山脊为界，整体坡度55°～75°。区内危岩集中发育于植被稀少，基岩裸露的位置。这些部位岩体风化较为强烈，且卸荷回弹较明显，在反倾坡内层面以及中～陡倾坡外结构面的切割下表部易发生阶梯状滑移式破坏，根据现场及无人机解译，区内共发育5处，其中危石群1处，危岩带4处。危岩集中发育于1 685～1 829 m高程之间。

2.2.2 Ⅱ区危岩特征

Ⅱ区危岩分布于闸址右岸正上方，危岩带规模200～3 900 m3不等，上侧以2 700 m高程为界，左侧以闸址所在冲(干)沟左山脊为界，右侧以闸址上游约50 m处冲沟右山脊为界，2 000 m高程后以两支沟中部山脊为界，整体坡度50°～80°。在坡度较低位置，岩体在各组结构面的切割下表部易产生阶梯状滑塌式破坏，而坡度陡位置易产生倾倒式破坏或坠落式破坏。Ⅱ区内危岩共计7处，其中孤石1处，危岩带6处。危岩集中发育于1 720～1 940 m高程内，极个别危岩发育位置较高，发育高程在2 630 m高程附近。

2.2.3 Ⅲ区危岩特征

Ⅲ区危岩分布于闸址上游库区内，危岩带规模200～1 250 m3不等，下侧以1 646 m水库水位线为界，上侧以2 700 m高程为界，左侧以闸址上游约50 m处冲沟右山脊为界，2 000 m高程后以两支沟中部山脊为界，右侧以闸址上游约200 m处冲沟右山脊为界，整体坡度55°～80°。在坡度较低位置，岩体易产生阶梯状滑塌式破坏，在较陡位置易产生倾倒式破坏。Ⅲ区内危岩共计5处，均为危岩带，危岩集中发育于1 720～1 749 m高程、2 216～2 544 m高程内。

3 危岩稳定性分析

3.1 定性分析

根据危岩发育分布特征，分析危岩稳定性的主控因素，选取主控结构面、岩体切割状态、结构面张开程度及地形坡度四个因子为评价指标，将危岩稳定性分为较差、差、极差三个定性等级，建立滑移式、倾倒式及坠落式危岩稳定性分级标准，并对区内危岩进行相应评价。

结果可知，总体上看，闸址区边坡发育的35处危岩中，稳定性较差13个，左岸5个，右岸8个；稳定性差的17个，左岸9个，右岸8个；稳定性极差的5个，左岸4个，右岸1个，研究区危岩稳定性以差为主，其次为稳定性较差。从分区上来看，左岸I区危岩中，I1亚区内稳定性差2个，稳定性较差1个；I2亚区内稳定性差2个，极差3个；Ⅱ区内稳定性差5个，较差4个。右岸I区内主要为稳定性差，共3个，其余分别1个；Ⅱ区和Ⅲ区危岩都是稳定性较差和稳定性差，分别为4个和3个、3个和2个。

在这些影响因子中，边坡坡度对危岩稳定性影响较大，边坡越陡，稳定性越差。闸址区两岸边坡整体高陡，受河流深切陡倾坡外结构面发育。边坡危岩多为半确定性～确定性块体，稳定性多为差～极差，易以倾倒式、滑移式失稳。局部坡度稍缓位置，岩体相对临空，裂隙局部贯通，危岩多成半切割状态，稳定性多较差。

3.2 定量分析

为进一步阐明危岩稳定性，在定性评价的基础上，从定量计算的角度去评价危岩的稳定性，一方面可以与危岩稳定性定性分析相互校验，另一方面可为危岩的防治设计提供一定的数据。参考相关资料[4-5]，对闸址区内各类危岩的不同工况分别进行稳定性计算。评价标准见表1，K为计算的稳定性系数。

表1 危岩稳定性评价标准

根据相应的公式，对闸址区危岩进行稳定性计算，区内典型危岩结果如表2。可知，闸址区危岩在天然工况下基本上处于欠稳定和基本稳定；暴雨工况下，岩体稳定性降低，基本上处于欠稳定，少量处于不稳定；地震工况下，都处于欠稳定及以下，需要相应的防护。

表2 典型危岩稳定性计算结果

4 危岩防治措施建议

分析研究区边坡危岩分布特征，将边坡分为坝前区、坝肩区、坝后区。结合危岩稳定性分析及已有的防治工程，认为防治措施应以分区为基本单元进行防治，对各分区提出了具体的防治措施建议如下：

4.1 闸址左岸危岩

坝前区危岩带发育高程均在1 690 m高程以上，稳定性以较差～差，危岩失稳后能量为1 800～2 700 kj，冲击力较强，威胁坝前库区，危险性中～大。该区已设置有被动防护网和主动防护网，防护效果较好且防护措施未损坏，加强巡视即可。

坝肩区单体危岩方量一般小于10 m3，发育高程均在1 680 m以上，稳定性差～极差，危岩失稳后能量较大，除W4约为800 kj，其余4处均大于2 000 kj，冲击力较强，威胁对象为坝肩，危岩危险性为大。该区已设置有防护措施，加强巡视即可。

坝后区危岩发育高程较高，最大高程可达1 970 m，但由于危岩带中岩石块体体积较小，故危岩失稳后动能一般不超过2 000 kj，仅W9大于2 000 kj，加之威胁对象为坝后区，整体危险性小～中等。该区同样已设置防护网，但已有防护措施未对W10进行防护，其破坏后能量小于2 000 kj，建议在W10下方1 720 m高程附近补充设置被动防护网，其余地方加强巡视。

4.2 闸址左岸危岩

坝前区危岩发育体积较小，发育高程1 690～1 706 m高程，稳定性差～极差，危岩失稳后能量1 000～2 000 kj，冲击力较强，威胁坝前库区，危险性大，建议设置被动防护网。

坝肩区危岩方量约200 m2，发育高程均在1 690～1 715 m高程，稳定性较差～差，危岩失稳后能量1 000～2 000 kj，仅W1、W9小于1 000 kj，冲击力较强，威胁对象为坝肩，危岩危险性中等～大，建议清除坡表孤石并设置被动防护网，在下方坝肩设置警示标志。

坝后区危岩方量15 m2，发育高程较低，稳定性差，危岩失稳后动能一般不超过100 kj，威胁对象为坝后过道，危险性小～中等，建议设置被动防护网进行防护。

5 结语

本文以西北某水电站闸址区高边坡危岩为例，通过引入非接触式测量技术，采用“人工现场调查+无人机遥感航拍”相结合的新调查方法，得到以下认识：

(1)研究区内共识别统计危岩35个，其中，闸址左岸边坡危岩18个，右岸边坡危岩17个。危岩以倾倒式破坏模式为主，其次为滑移式。危岩类型以危岩体集中发育的危岩带为主。

(2)危岩稳定性主要为较差和差，分别为13个和17个，稳定性极差的5个。自然条件下危岩都处于欠稳定和基本稳定状态；暴雨时，岩体稳定性降低，基本上处于欠稳定，少量处于不稳定；地震工况下，均处于欠稳定及以下，需要相应的防治。

(3)闸址左岸边坡中，坝前区、坝肩区和坝后区已设置有被动防护网和主动防护网，防护效果较好且防护措施未损坏，仅对个别危岩带的防护效果较弱(如W10)，建议在W10下方1 720 m高程附近补充设置被动防护网，其余地方加强巡视。闸址右岸边坡中，坝前区危岩，稳定性差～极差，危险性大，建议设置被动网。坝肩区危岩稳定性较差～差，危险性中等～大，建议清除坡表孤石并设置被动防护网，在下方坝肩设置警示标志。坝后区危岩稳定性差，危险性小～中等，建议设置被动防护网。