水电工程特高陡环境边坡高效防治关键技术

2023-05-26王汉辉王吉亮阳友奎

中国农村水利水电 2023年5期

王汉辉，丁刚，王吉亮，阳友奎

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010； 2.长江三峡勘测研究有限公司（武汉），湖北武汉 430074；3.布鲁克（成都）工程有限公司，四川成都 651500）

0 引言

我国是世界上水能资源最丰富的国家，可供开发的水电总装机容量为3.8 亿kW，但61%的水能资源集中在西南地区［1］。西南地区处于青藏高原周边地带，青藏高原隆升不仅塑造了西南地区高山峡谷的地貌形态，也决定了西南地区地壳的内动力条件、新构造运动、地震活动规律及地壳浅表层改造，导致西南地区的地质条件异常复杂，生态环境十分脆弱，水电工程建设面临非常复杂的自然条件［2］。

西南地区水电工程两岸边坡高陡，一般临河高度大于1 000 m，最高可达2 000～3 000 m，坡度一般在50°～60°以上，边坡地质条件复杂，岩体卸荷深度大，松弛破碎，物理地质现象发育，稳定状况差，岸坡崩塌、滑坡等地质灾害频发。水电工程规模巨大，因各类工程建筑物布置需要，不可避免地开挖形成大量边坡工程，工程边坡高达300～500 m，工程边坡上部还可能存在高达数百米甚至千余米的环境边坡，特高陡环境边坡稳定问题十分突出［3，4］。

环境边坡是指工程边坡开口线之外至一级分水岭之间的自然边坡，在自然营力或人为作用下可能失稳，威胁工程建设或运行安全［5］。近年来，西南水电工程在建设期均遇到过不同程度的环境边坡问题，环境边坡的局部滑坡、崩塌、落石给下方施工人员和设备造成了危害，甚至工期延误。2008年汶川大地震灾后调查表明，经过系统治理后的工程边坡稳定状态一般较好，但未进行系统治理的环境边坡局部发生了滑坡、崩塌、落石等灾害，造成建筑物不同程度损坏，影响工程正常运行［6，7］。因此，特高陡环境边坡不仅关乎工程安全与投资，甚至可能决定工程选址选线，近年来其防治问题逐渐受到重视。

本文旨在总结和介绍特高陡环境边坡快速精准勘察、系统高效防治和集成高效管控等关键技术，为西南地区水电资源开发和基础设施建设提供借鉴经验。

1 特高陡环境边坡精准勘察技术

1.1 特高陡环境边坡快速精准勘察成套技术

水电工程特高陡环境边坡坡面高陡、地质条件复杂、地质问题多样，存在“走不近、看不清、查不明”的勘察难题。针对地质问题识别不清的问题，提出了“重点分区、层次分类”地质问题识别思路、地质问题普查“粗识别”和详查“细识别”成套方法。

（1）“重点分区、层次分类”地质问题识别思路。总体思路以控制性不利地质因素为依据进行“重点分区”，以工程地质问题为依据进行“点、面、体”的“层次分类”。首先采用无人机高清三维地质影像对环境边坡进行粗识别，快速找出地形不利、结构面发育、岩体质量差等地质问题易发的重点部位并进行分区，然后针对这些重点部位从“点、面、体”不同层次开展“细识别”工作，对块体等“点”逐一识别，表层潜在不稳定区等“面”系统调查，变形体与堆积体等“体”进行适量勘探。这种由“粗”到“细”的地质问题识别方法，显著提高大范围环境边坡地质问题识别的速度与精度，减少了问题遗漏。“重点分区、层次分类”地质问题识别技术路线见图1。

（2）地质问题普查“粗识别”方法。地质问题“粗识别”方法主要包括三维影像采集、三维影像匹配、三维影像合成和地质问题识别等步骤。

①三维影像采集。使用无人机自带的高清相机在飞行过程中对目标区域进行录像，然后在获得的录像数据中设定固定时间间隔提取图片，保证图片之间的重叠率达到70%以上，合成目标区的三维影像，可快速建立全坡面一般精度的三维实景影像模型，现场采集影像速率达2 km2/h。

②三维影像匹配。首先寻找不同站点拍摄影像之间的相互匹配关系，包括宏观上影像间相互位置和同一位置出现在不同影像上的特征点（匹配点）。在完成匹配后，各影像中的相同点被自动鉴别为影像的匹配点。根据识别的影像匹配点，通过系统提供的影像自动拼接功能，可以把同一区域影像拼接成为一张或几张影像，不仅保证了拼接精度，还可自动进行色彩平衡处理，保留原始影像的全部信息。三维影像匹配见图2。

图2 三维影像匹配Fig.2 3D image matching

③三维影像合成。以匹配点为特征点，生成三维地形坐标点，系统会自动将坐标点生成三维网格，继而生成三维数字化地形模型。根据DTM模型读取相应的影像资料，将这些影像资料合成到三维地形中，最终形成完整的边坡三维网格及影像。三维影像合成见图3。

图3 三维影像合成Fig.3 3D image synthesis

④地质问题识别。利用合成的三维影像，找出环境边坡上地形不利、结构面发育、岩体质量差等地质问题易发的重点部位。

（3）地质问题详查“细识别”方法。为了对重点部位进行详细查勘，发明高精度航拍技术，包括基于无人机与CORS技术的小比例尺测绘方法和航空倾斜摄影数字影像采集布设像片控制点的装置，前者通过CORS技术快速获得测区高精度控制点，后者利用激光光斑为航拍影像提供像片控制标记，在控制点使用全站仪测量光斑地理信息坐标，在快速获得高精控制点、陡立坡面布置像控点的基础上，建立高精度、高清晰度三维实景影像模型，并对地质对象进行识别和标记。这两项技术分别实现控制点精度达5 mm和于陡立坡面布置像控点，可使三维影像模型精度达到1～3 cm。

1.2 快速精细可视化地质编录方法

边坡地质编录传统方法工作效率低，且精度有限。为了提高地质编录效率和精度，发明了照片自动拼接和影像细观解译可视化地质编录方法。

（1）照片自动拼接可视化地质编录方法。常规边坡地质编录技术，需要人工在室内根据控制点进行照片校正拼接，将拼接后的照片进行打印，再次回到施工现场，在打印出来的照片上手工绘制编录图，再进行图形矢量化的过程，地质编录效率较低。

为了提高地质编录工作效率，提出了基于windows的平板式施工地质可视化快速编录方法，将原来需回到室内完成照片矫正拼接的步骤，在现场通过坐标关系和ACAD自动拼接，可快速生成ACAD地质高清线划影像图，现场一次性完成地质编录，解决了传统米格纸编录不直观的问题，免除了纸质图件扫描与矢量化步骤，编录误差＜10 cm，工作效率提高50%以上，大幅提高了地质编录精度和效率。

（2）影像细观解译可视化地质编录方法。断层、层间剪切带、软弱夹层等控制性结构面影响着边坡稳定性，一般分布范围大，且性状不均匀，采取常规地质编录仅能编录局部区域的性状，不能反映整个结构面性状。

本项目提出了正射影像的结构面充填物细观地质编录方法，利用正射影像的全景与高清可视化特征，现场拍照获取高分辨率影像，借助ACAD构建现场1׃1影像图形，进行结构面充填物高精度编录，可对结构面性状进行高精度解译与地质编录，编录精度可达3～5 mm，突破了手工编录无法精细编录的难题。结构面充填物细观地质编录见图4。

图4 结构面充填物细观地质编录Fig.4 Meso geological logging of structural plane fillings

1.3 块体稳定性现场高效评价方法

块体是指岩质边坡上受结构面切割的岩石块体，在自重和外力作用下可能脱离母岩而发生滑动、倾倒或拉裂破坏。块体稳定性评价一般在野外调查块体特征，室内判别块体可动性，野外和室内工作脱节，效率较低；且目前无成熟的块体稳定性评价方法，容易发生误判问题。针对以上问题，创建了块体可动性现场判别方法和块体稳定性快速评价方法。

（1）块体可动性现场判别方法。为了在现场快速判别块体可动性，在便携平板式电脑内将正射影像图按坐标叠加到Auto‐CAD中，快速读取块体的尺寸及结构面产状，并利用平板内自主开发的分析软件构建块体几何形态，该方法实现了GPS定位、航片或卫片及CAD地形图的有机融合，可现场快速判别块体的可动性。

（2）块体稳定性快速评价方法。根据对近万个块体的特征与稳定性关系研究成果，提出了块体稳定性快速宏观定性评价标准，通过对块体结构面产状、松弛张开特征、底部临空情况、附近变形破坏迹象等要素进行分项按权重赋分，各项赋分相加后求得总分，按照相应的标准进行宏观稳定性评价，稳定性分为差（f≤1.05）、较差（1.05＜f≤1.15）、基本稳定（1.15＜f≤1.25）、稳定（f＞1.25）；根据结构面精细编录成果获取的结构面性状信息，参考工程大量结构面物理力学参数试验成果，可高效确定块体结构面物理力学参数，利用自主开发的三维刚体极限平衡计算软件，可对块体稳定性进行快速定量计算。

块体稳定性现场高效评价方法在乌东德坝址区环境边坡成功应用。左岸环境边坡共识别398个块体，稳定性差的79个（占比20%）、稳定性较差的228个（占比57%）、基本稳定的88个（占比22%），稳定的3个（占比1%）；右岸环境边坡共识别275个块体，稳定性差的61个（占比22%）、稳定性较差的168个（占比61%）、基本稳定的43个（占比16%），稳定的3个（占比1%）。该方法破解块体稳定现场快速精准评价难题，评价准确率由80%提高至99%，评价效率提高50%以上。

2 特高陡环境边坡高效防治技术

2.1 “高防预固、稳挖适护”系统防治方法

特高陡岩质边坡防治过程中，工程边坡与环境边坡相互干扰问题突出，下部工程边坡开挖可能造成其上部环境边坡变形甚至失稳，上部环境边坡局部稳定问题可能影响其下部工程边坡施工期及运行期安全，可能会给人员、设备及工程安全造成难以估量的损失。针对上述问题，提出了“高防预固、稳挖适护”系统防治方法，对上部环境边坡采取“高防”、“预固”的措施避免威胁下方安全，对下部工程边坡采取“稳挖”、“适护”的措施避免影响上部安全。

（1）“高防”措施。“高防”即对上部环境边坡局部存在的危险源进行防治。根据危险源的规模和分布特征实施“点锚、线拦、面护”的措施：“点锚”即对块体等点状危险源，采用砂浆锚杆、锚筋桩或预应力锚杆（索）进行进行锚固；“线拦”即对坡面滚石或汇水，采用线性的被动网或排水沟拦截；“面护”即对局部破碎区或变形体区域，采用面状的主动网或喷锚支护进行防护。

（2）“预固”措施。“预固”即对环境边坡内工程边坡开挖影响区进行预先加固。为了防止工程边坡开挖影响上方环境边坡的稳定，在工程边坡开挖前对环境边坡内与工程边坡交界附近的开挖影响区进行预先锚固，预固高度由稳定分析计算确定，加固措施为采用预应力锚索进行锚固，通过预先主动施加的锚索预应力，控制边坡开挖影响区拉应力区拓展，防止塑性屈服区进一步向上部的发展，以避免下部工程边坡开挖影响其上部环境边坡的稳定。

（3）“稳挖”措施。“稳挖”即通过控制开挖坡比使工程边坡具备基本自稳能力，应避开较大断层和软弱层发育地段，对于顺向坡等不利边坡结构的边坡应尤为注意。顺向坡即岩层倾向与边坡坡向一致，应控制边坡开挖坡度，使开挖坡度不陡于岩层层面坡度，避免开挖导致顺向坡层状岩体被切脚，引起工程边坡自身出现不稳定问题。

（4）“适护”措施。“适护”即对开挖后的工程边坡进行适当防护。为防止开挖后的工程边坡在风化作用下岩体完整性进一步变差，对边坡坡面采用挂网喷混凝土进行防治；根据工程边坡结构和岩体质量条件，针对一级边坡或多级边坡，采用1～2排预应力锚索进行防治；针对工程边坡开挖后的松弛卸荷问题以及存在的块体等局部不稳定问题，采用砂浆锚杆或预应力锚杆（索）进行加固。

（5）工程应用。乌东德水电站右岸电站进水口边坡地层为Pt2l3-1中厚层灰岩、Pt2l2-3薄层夹极薄层大理岩化白云岩、Pt2l1-1互层～薄层灰岩、Pt2y2-1薄层、极薄层大理岩化白云岩，边坡附近共发育4条断层。进水口边坡顶部高程为1 530 m，进水口底板高程为910 m，工程边坡开口线顶高程为1 060 m。进水口底板以上边坡总高度620 m，开挖工程边坡高度150 m，上部环境边坡高度470 m，乌东德水电站进水口高陡边坡见图5。为确保工程安全，乌东德水电站进水口高陡边坡采用了“高防预固、稳挖适护”的系统防治方法。

图5 乌东德水电站进水口高陡边坡Fig.5 High and steep slope at the intake of Wudongde Hydropower Station

首先，为了避免上部危险源对下部工程边坡造成影响，对环境边坡实施“点锚、线拦、面护”的高防措施。对发现的73个块体危险源进行锚固，锚固的措施有锚杆、锚筋桩和锚索；对坡面广泛存在坡面滚石，自上而下采用4道线性被动防护网进行拦截；对5个局部陡崖岩体破碎区域，采用主动防护网或喷锚支护进行面状防护。

其次，为了避免工程边坡开挖影响上部环境边坡安全，在右岸进水口边坡开挖前，对开口线以上、紧邻工程边坡坡顶的环境边坡进行“预固”处理。通过三维有限元计算分析，右岸进水口顺向坡预固区高度为30 m。工程边坡开口线以上支护参数为：共布置6排，T=200 t＠4.5 m×4.5 m，L=60 m锚索。数值计算表明，不采用预固措施时边坡开口线以上拉应力拓展高度为40 m，采用预固措施后拉应力拓展高度降低至10 m，说明预固措施起到了较好的加固效果。乌东德水电站进水口高陡顺向坡拉应力分布见图6。

图6 乌东德水电站进水口高陡顺向坡拉应力分布Fig.6 Distribution of tensile stress along the high and steep slope at the intake of Wudongde Hydropower Station

最后，通过控制开挖坡比使工程边坡具备基本自稳能力，并对开挖后的边坡进行适当防护。根据右岸电站进水口边坡结构及岩体质量的不同，将其分5个区：正面边坡为反向坡区，右侧边坡从下游至上游依次为横向坡区、斜向坡区和顺向坡区，左侧边坡为横向坡区。顺向坡区开挖坡比为1∶0.3，其余边坡开挖坡比为1∶0.1，开挖后均采用锁口锚索和系统喷锚支护。

乌东德水电站进水口高陡边坡开挖支护施工总历时30个月，建设期环境边坡未发生崩塌问题，施工过程中无安全事故，环境边坡和工程边坡均无明显变形，防治效果显著。

2.2 高质效锚索加固成套技术

特高陡环境边坡块体加固锚索长度达100 m、吨位达300 t（索体重达2.31 t），由于施工排架空间狭窄，锚索安装困难。针对锚索施工难的问题，研发了多层嵌套结构、滚动对中结构、孔底牵拉技术等高质效锚索加固成套技术。

（1）多层嵌套组装式锚索结构。传统锚索结构具有“构件繁杂”、“笨重”的特性，施工过程中锚索搬运不便、推送安装困难。针对以上问题，研发了多层嵌套组装式锚索结构，打破常规的“锚索整体组装成型、一次性推索入孔”的固有思路，对锚索体进行“化整为零”的拆解，将锚索分为外包层、中间层和轴心层，可以化整为零拆解进行搬运，然后由外至内进行分序组装，可大幅降低锚索搬运重量和安装难度，保证锚索顺利推送，避免卡索现象发生，提高锚索结构可靠度。锚索多层嵌套方法见图7。

图7 锚索多层嵌套方法Fig.7 multi layer nesting method of anchor cable

（2）锚索滚动对中支架结构。常规锚索在安装过程中，锚索对中支架与钻孔孔壁摩擦阻力大、推送锚索困难、卡索现象频发。针对以上问题，研发了锚索滚动对中支架装置，在锚索对中支架外侧设置万向轮，将与孔壁的摩擦方式由滑动摩擦改为滚动摩擦，使锚索体在钻孔内保持顺直状态，并能够顺利推送至设计深度，避免卡索现象发生，提高锚索施工效率，保证锚固质量。锚索滚动对中装置见图8。

图8 锚索滚动对中装置Fig.8 Anchor cable rolling centering device

（3）锚索孔底牵拉技术。锚索施工采用传统的孔口推送安装方法时，存在推送锚索困难、锚索体易被扭转等问题。针对这以上问题，研发了锚索孔底反向牵拉结构及安装方法，利用孔底预置楔型卡固的定滑轮装置，采用孔底反向牵拉的方法，将锚索安装由尾部“推送”改为头部“牵引”方式，解决锚索安装困难的问题，保证锚索体在钻孔内呈顺直状态，尤其适用于仰孔大吨位锚索。锚索反向牵拉技术见图9。

图9 锚索反向牵拉技术Fig.9 Anchor cable reverse pulling technology

2.3 超高能级被动柔性防护技术

特高陡环境边坡滚石、落石位置势能高，滚落时冲击能量大、速度高，被动防护网因其施工方便、布置灵活等特点在环境边坡落石防护中得到广泛应用［9］。但传统被动防护网防护能级有限，难以防护能量较大的高位落石。针对以上问题，研发了“U形消能、滚动缓冲” 超高能级被动柔性防护系统，通过提高消能件的消能效果，以及实现网片联合抵抗冲击，大幅提高了被动防护网的防护能级。

（1） U形消能件。被动防护网目前使用较多的消能件是减压环，主要由钢管和铝管套头组成［9］。但传统减压环存在消能行程小于1 m、单个消能仅50 kJ且不能重复利用的问题。

针对以上问题，发明了U-Brake型消能件，主要由钢板带、圆柱滚轴以及端部的套头组成，使用时将钢丝绳穿过钢板带一端预留的小孔，另一端的套头固定在钢丝绳锚杆或拉锚绳上，当钢丝绳上的荷载达到U形消能件的启动力阈值时，钢板带在钢丝绳带动下开始运动，当钢板带被拉过滚轴时，钢板带发生弯曲变形，从而实现缓冲吸能作用，消能行程可达5 m，单个消能达400 kJ，且可以满足重复使用功能。U形消能件与传统减压环对比见图10。

图10 U形消能件与传统减压环对比Fig.10 Comparison between U-shaped energy dissipator and traditional pressure reducing ring

（2）滚动缓冲结构。被动防护网支撑绳一般直接放在钢柱上，承受冲击荷载时支撑绳与钢柱滑动摩擦力较大，能量向网片两侧传递受阻，影响被动防护网的拦截效果。针对以上问题，研发了被动防护网滚动缓冲结构，在钢柱顶部、底部设置滚动导引轮，支撑绳放置在导引轮上，将传统的滑动摩擦变为滚动摩擦，支撑绳调整更加灵敏，有利于能量向两侧传递消散，起到较好的消能作用。滚动消能示意见图11。

图11 滚动消能示意图Fig.11 Schematic diagram of rolling energy dissipation

现场试验验证，超高能级被动柔性防护网最高消能能级达10 000 kJ，防护速度达28.6 m/s。

3 特高陡环境边坡集成管控技术

3.1 环境边坡风险“定量评价、分级防控”方法

目前国内外环境边坡危险源危险度评价主要选取危险源自身、途经边坡、触发因素等指标进行研究［10］，未考虑与危害对象的关系。特高陡环境边坡潜在不稳定体数量众多、位置分散、对主体工程施工干扰强，目前无合适的风险定量评估方法，导致边坡风险防控低效，施工期安全风险突出。针对以上问题，提出了边坡风险“定量评价、分级防控”方法。

（1）定量评价模型。建立了环境边坡风险定量评价模型，根据潜在不稳定体的稳定系数、体积、相对高程、影响对象及接触频率等特征，采用模糊数学方法构建隶属函数f（x）＝∑（ai xi），将权重系数ai与风险因子值xi相乘求和得出风险值。根据风险值将不稳定体失稳风险划分为“高、中、低”3个等级：0.75＜f≤1，属于高风险；0.5＜f≤0.75，属于中等风险；0≤f≤0.5，属于低风险。边坡风险定量评价模型见图12。

图12 边坡风险定量评价模型Fig.12 Quantitative evaluation model of slope risk

（2）分级防控方法。根据潜在不稳定体风险等级，进行分级防控。按潜在不稳定体的风险等级来安排施工和针对性监测：高风险不稳定体优先安排施工，进行重点监测；中风险不稳定体稍缓安排施工，进行一般监测；低风险不稳定体择机安排施工，进行巡视检查。

（3）工程应用。乌东德水电站泄洪洞出口环境边坡高达746 m，发育82个危险块体，体积最大达数千方，存在块体崩塌滚落的风险，严重威胁下方泄洪洞出口安全。为有效管控环境边坡风险，对泄洪洞出口环境边坡82个块体失稳风险进行评估，据统计，22个块体属于高风险、44个块体属于中风险，16个块体属于低风险。泄洪洞出口环境边坡块体风险定量评价结果见图13。

图13 泄洪洞出口环境边坡块体风险定量评价结果Fig.13 Quantitative assessment results of environmental slope block risk at the outlet of spillway tunnel

根据块体风险评价结果，采取如下针对性风险防控措施。

①施工顺序安排。根据块体失稳风险定量评估结果，按风险等级高低安排施工顺序，高风险块体优先安排，中风险块体稍缓安排，低风险块体择机安排。为了便于材料运输、加快块体施工进度，在优先考虑高风险块体的前提下，针对性设置左高1号、左高2号和泄7号共3条施工支洞。

②临时加固措施。为降低块体施工期安全风险，对于高风险和中风险块体，在施工前采取临时加固措施：高风险块体设置纵横向钢丝绳进行“兜锚”，纵横向间距0.5～1 m，钢丝绳交点及端点设置钢丝绳锚杆固定；中风险块体设置主动防护网进行“包裹”。

③安全监测措施。按块体风险等级高低进行分级监测，高风险块体采用仪器进行重点监测，中、低风险块体以巡视检查为主。

目前，乌东德水电站已顺利实现下闸蓄水目标，施工过程中环境边坡未发生块体崩塌、滚落等安全事故，安全监测数据无异常，环境边坡风险得到有效管控。

3.2 边坡全链条防治技术集成可视化管理平台

特高陡环境边坡防治全链条技术众多，由于无数据集成管理平台，存在各环节数据管理不集中、无法进行协同工作和管理效率低的问题，遇到突发问题反馈处理慢。针对以上问题，构建了特高陡环境边坡防治全链条技术集成可视化管理平台，可实现三维实景可视化和全链条技术集成管理。

（1）三维实景可视化管理。利用无人机航拍的倾斜影像构建三维实景，采用三维可视化仿真技术，构建高清实景三维漫游场景，嵌入环境边坡防治结构和监测设施三维模型，实现全要素可视化表达与仿真，支持任意部位360°球型范围全方位观察实景，避免环境边坡防治管控过程与现场脱节，大幅提高了特高陡环境边坡管控的效率。

（2）全链条技术集成管理。依托构建的三维实景模型，采用数据库和信息融合技术，构建倾斜影像、数字高程模型、地质勘察、施工管理、安全监测、视频监控等多源数据融合系统，集成风险识别、安全评价、防治设计、施工管理、监测预警、实时诊断等边坡防治全链条技术，实现了特高陡环境边坡数据集成管理，遇到突发情况可快速反馈。高效防治技术集成可视化管理平台见图14。