水电工程环境边坡危岩体稳定度的综合评分方法.doc

水电工程环境边坡危岩体稳定性的综合评分方法田雄，张世殊，黎昌有，袁国庆（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 ）摘要：环境边坡危岩体关系到水电工程施工的安全和运行的可靠性，是最为突出的边坡问题之一。本文通过对影响危岩体稳定性的关键性因素分析，建立了一套危岩体稳定性综合评分方法，能够快速对危岩体的稳定性进行定性半定量分类。通过样本验证，评分方法是可靠的，而且简单易行，易于掌握。关键词：环境边坡；危岩体；稳定性综合评分方法；简单可靠1 引言水电开发往往在高山峡谷中进行，山体雄厚，边坡陡峻，危岩体发育，边坡变形破坏模式、机制复杂多样。随着水电事业的发展，在地质条件复杂的深切峡谷地区修建水电站，涉及到的边坡问题越来越多，尤其是部分悬于枢纽建筑物上方的环境边坡危岩体12，在很小范围的自然因素(如降雨等)或工程因素（工程爆破震动）的影响下，都可能会导致危岩体失稳，对下方的人员及建(构)筑物带来极大的威胁，甚至造成灾难性的后果。因此，环境边坡危岩体关系到水电工程施工的安全和运行的可靠性，是最为突出的边坡问题之一。由于危岩体的复杂性和多样性，迄今还没有形成一套简单、易行、相对可靠的方法来判断危岩体稳定性的方法。因此，建立一个适合地质工作者使用的、能迅速判定危岩体稳定性的方法，是一项很有意义的工作。2 评分因素的选择和评分标准的划分影响环境边坡危岩体稳定程度的因素很多。危岩体的稳定程度通常受地形地貌、地层岩性、岩体结构等内在因素和水的作用、风化卸荷、震动、植被、鸟兽活动等外在因素的影响。根据对危岩体稳定性影响程度的大小，本文选取结构面特征、岩性、坡度、风化与卸荷程度、地表水、地下水作为水电工程环境边坡危岩体稳定性评价的关键性因素。结构面特征 结构面特征包括结构面不利组合、主控结构面倾角、结构面张开充填及连通情况。结构面特征对危岩体的稳定性有着明显的控制性作用，结构面不利组合越完备，主控结构面张开度越大，连通性越好，危岩体的稳定性越差，在稳定性评分标准中得分值越高，见表1。岩性 岩性对危岩体的稳定程度控制作用是显而易见的。软岩由于强度和抗风化能力均较低，很少形成高陡边坡的危岩体；坚硬或较坚硬的脆性岩石，常形成高陡边坡，在各种结构面的影响下，反而易形成高陡危岩体，但是，在相同的高度及坡度情况下，软岩由于强度低、抗风化能力弱，软岩边坡危岩体的稳定性程度相对更差，在稳定性评分标准中得分值更高；若为软硬相间的岩石，由于风化差异，更易形成危岩体，稳定程度是最差的，在稳定性评分标准中得分值最高，见表1。表1 危岩体稳定性影响因素及综合评分表结构面特征结构面不利组合不完备或较完备，主控结构面微张或闭合，连通性一般结构面不利组合完备或较完备，主控结构面微张，连通性较好结构面不利组合完备，主控结构面张开，完全连通51015主控结构面倾角0°15°或75°（倒坡除外）主控结构面倾角15°30°或60°75°主控结构面倾角30°60°51015 岩性硬岩软岩软、硬相间岩51015坡度缓坡斜坡陡坡峻坡悬坡倒坡059121515风化与卸荷程度弱风化弱卸荷弱风化强卸荷强风化强卸荷51015地下水干燥潮湿串珠状滴水线状股状流水01335地表水坡面漫流坡面集水沟槽集水01335判断分根据经验和特殊情况决定分数大小，如地震、冻融、根劈等；可以加减15分。坡度 坡度对危岩体的稳定性有着显著的影响。通常情况下，坡度越大，危岩体稳定性越差。按照水电水利工程边坡工程技术勘察规程DLT5337的分类方法，按照坡度将边坡划分为缓坡、斜坡、陡坡、峻坡、悬坡和倒坡6个等级， 各级评分标准见表1。风化与卸荷程度 风化作用指地表或接近地表的岩石、矿物由于温度变化、水及水溶液、大气及生物作用，原岩为适应浅表生环境的变化而发生的物理的、化学的变化，从而导致岩石成份和岩体结构不断变化的过程。边坡卸荷是指边坡开挖或河谷下切过程，由于应力释放，边坡岩体向临空方向发生卸荷回弹，谷坡应力场产生新的调整，而在边坡浅表部一定深度范围内所形成的一套变形破裂体系。在深切河谷地区，风化与卸荷通常是相互影响、相互促进的关系。危岩体风化卸荷的程度越深，对原岩的成分和结构改变相应越大，强度相应越低，危岩体稳定性越差。对于河谷浅表部岩体，可根据危岩体的风化卸荷程度，划分为弱风化弱卸荷、弱风化强卸荷和强风化强卸荷3个等级，各级评分标准见表1。地下水 地下水对危岩体稳定性的影响主要体现在两个方面，一方面地下水在岩体的结构面中起到“润滑剂”的作用，它能降低危岩体与原岩接触面之间的摩擦力，软化裂隙充填物，使其抗剪强度大大降低；另一方面，地下水丰富时，能对危岩体产生静水压力和浮托力，使危岩体的稳定性程度大大降低。按照地下水的丰沛程度，将地下水分为干燥、潮湿串珠状滴水、线状股状流水三个等级，各级评分标准见表1。地表水 地表水的汇集情况及其流动性对危岩体稳定性有着一定的影响。根据地表水的汇集情况，将地表水分为坡面漫流、坡面积水和沟槽积水3。如一面坡的岩质边坡，地表水呈坡面漫流形态；若危岩体处于两侧凸出的凹坡面，坡面积水相对集中；另一种情况是危岩体岩处于山坡沟槽部位，地表水聚集更为集中，流水对危岩体的稳定性有着显著的影响。地表水对危岩体的稳定性可以按照三种形态进行评分，各级评分标准见表1。判断分 危岩体的稳定性受诸多影响因素的控制和影响，除上述6种因素外，还有一些特殊的因素没有考虑，如地震、冻融、根劈作用等。地质工程师可结合具体情况具体分析，给予相关特殊因素判断分，以正负15分为限，见表1。通过表1可见，危岩体稳定性的评分值（R）越高，稳定性越差。根据统计综合分析结果：R40 稳定性一般（类）40R75稳定性较差（类）R75 稳定性差（类）3样本检验本文选取大渡河双江口水电站左岸坝肩环境边坡25#、27#危岩体为样本，通过综合评分系统结果与极限平衡法定量计算结果的比较，以检验综合评分系统的合理性与可靠性。3.1 极限平衡法计算及结果25#危岩体（图1）位于左坝肩正上方，地形坡度55°65°，拔河高度380m475m，为块状花岗岩，弱风化，强卸荷，裂隙普遍张开510cm，充填碎屑和泥，岩体完整性差。危岩体内主要发育3组裂隙： N50°W/SW55°65°，顺坡，大面；N80°W/NE30°；N70°E/SE80°，岩体结构与计算剖面见图2所示。27#危岩体（图3）位于左坝肩上游侧，地形坡度45°50°，拔河高度230m300m，为块状花岗岩，弱风化，强卸荷，岩体完整性差，受风化卸荷影响，裂隙普遍张开510cm，充填碎屑和泥。主要裂隙： N70°W/SW45°，顺坡，大面；N37°W/NE52°，倾向坡内；N30°E/SE80°85°。岩体结构与计算剖面见图4所示。 图1 25#危岩体全貌图片 图2 25#危岩体岩体结构及计算剖面 图3 27#危岩体全貌图片 图4 27#危岩体岩体结构及计算剖面2008年5.12地震情况下，25#、27#危岩体是稳定的，鉴于此，25#、27#危岩体的抗滑稳定安全系数在5.12地震工况下取1.051.10之间较为适宜。据此进行稳定性反演分析，采用的物理力学参数及反演得出25#、27#危岩体的结构面参数见表2。表2 25#、27#危岩体的结构面参数及正常工况下稳定性系数危岩体编号岩体天然密度岩体变形模量岩体泊松比岩体参数结构面参数正常工况安全系数(g/cm3)E0(GPa)fc(KPa)fc(KPa)Fs25#2.3530.350.74000.466601.15227#2.3530.350.74000.445301.207参考黄达、黄润秋等通过对锦屏一级水电站危岩体研究后提出的危岩体稳定性评价标准（见表3），25#、27#危岩体最可能的破坏模式均为滑移剪切式，安全系数均在1.151.30之间，稳定性较差。表3 危岩体稳定性评价标准4（黄达、黄润秋等）危岩体破坏模式不稳定稳定性差稳定性较差稳定整体滑移剪切式1.01.001.151.151.301.30块体崩滑式1.01.001.151.151.301.30整体错落式1.01.001.251.251.501.50压缩-拉裂-滑移式1.01.001.251.251.501.503.2 综合评分系统评判结果利用综合评分方法，25#、27#危岩体评分结果见表4所示。评分结果显示，25#、27#危岩体的得分均为72分，稳定性较差。表4 25#、27#危岩体综合评分表危岩体编号结构面特征岩性坡度风化与卸荷程度地下水地表水判断分25#3051215001027#30512150010注：判断分主要是考虑高海拔地区冻融作用的影响。3.3 效果检验通过综合评分系统结果与极限平衡法计算结果的比较，可见两种稳定性分析方法得到相似的结果，说明综合评分系统是正确可靠的。4结论环境边坡危岩体关系到水电工程施工的安全和运行的可靠性，是最为突出的边坡问题之一。危岩体稳定性的评判，是研究环境边坡危岩体评价方法的核心问题之一。本文通过对影响危岩体稳定性的关键性因素分析，选取结构面特征、岩性、地形坡度、岩体风化与卸荷程度、地下水和地表水作为危岩体稳定性评价的关键性因素，结合其对危岩体稳定性“贡献”程度的大小，赋予相应的分值。另外，还有一些特殊的因素没有考虑，如地震、冻融、根劈作用等。地质工程师可结合具体情况具体分析，给予相关特殊因素判断分。通过样本验证，综合评分系统是正确可靠的。利用综合评分系统，地质工程师可以快速对危岩体的稳定性进行定性半定量分类，在提高工作效率和提高危岩体稳定性判断的准确度方面，具有一定的推广应用价值。参考文献：1 张世殊,徐光黎,宋胜武等.水电工程环境边坡概念及其工程地质分类J.水力发电， Vol.38 No.08 Aug 20122吉锋,邓忠文.水电工程环境边坡危险源危险性评价体系初步研究J.长江科学院院报，Vol.28 No.07 Jul 20113 胡厚田等.边坡地质灾害的预测预报M.成都.西南交通大学出版社,2001.03.4 黄达,黄润秋,周江平等.雅砻江锦屏一级水电站坝区右岸高位边坡危岩体稳定性研究J.岩石力学与工程学报,2007.26（1）：175-181.