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水利水電高陡邊坡工程防護(hù)研究

文檔作者：楊沛霖孫榮波宋開利文檔來源：貴陽市道路橋梁設(shè)計所		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年12月10日
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Research 研究探討 329
水利水電高陡邊坡工程防護(hù)研究
楊沛霖 孫榮波 宋開利
（貴陽市道路橋梁設(shè)計所， 貴州 貴陽 550000）
中圖分類號：G322 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號1007-6344（2018）11-0329-02
摘要：本文以水利水電高陡邊坡特征為研究對象，分析了河谷高陡邊坡應(yīng)力特征及其破壞發(fā)育規(guī)律，進(jìn)一步從一般防護(hù)和生態(tài)
防護(hù)兩個角度研究防護(hù)方案的優(yōu)選。為指導(dǎo)水利水電巖質(zhì)高陡邊坡工程防護(hù)方案優(yōu)選有一定指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：水電工程；高陡邊坡；應(yīng)力分布；防護(hù)
0 引言
我國可開發(fā)水電資源蘊(yùn)含量十分豐富（6.9×108 kW），包括黃河、長江、怒江
及雅礱江等水力資源的開發(fā)是引領(lǐng)未來水電能源發(fā)展的一面旗幟。其中我國西南
地區(qū)是水資源的富集區(qū)，然而自然條件十分惡劣，多為高（低）山峽谷地貌。進(jìn)
行水電能源開發(fā)，遇到最嚴(yán)峻的問題便是高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定問題[1]。
受青藏高原構(gòu)造隆升影響，西南地區(qū)形成河谷深切的高（低）山峽谷地貌，
地應(yīng)力高，巖體卸荷發(fā)育，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，且地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地震烈度高，天然
岸坡穩(wěn)定性較差；水利水電工程規(guī)模巨大，不可避免地衍生一批復(fù)雜邊坡工程是，
隨著水能的進(jìn)一步開發(fā)，遇到的邊坡工程的規(guī)模也越來越大，一般200～300m 級
的高壩工程，需要人工開挖邊坡將達(dá)到300～500m，開挖邊坡上部還可能存在數(shù)
百米至千余米自然邊坡，工程高邊坡穩(wěn)定問題十分突出[2]。本文旨在總結(jié)和介紹高
陡邊坡工程特點以及工程防護(hù)研究，為水電資源開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供一定借
鑒。
1 水電工程高陡邊坡問題研究
1.1 自然陡坡
岸坡地質(zhì)條件復(fù)雜，穩(wěn)定條件差。主要表現(xiàn)為岸坡區(qū)屬高（低）山峽谷地貌，
河水切割侵蝕能力強(qiáng)，形成自然高邊坡；岸坡經(jīng)歷表生改造階段進(jìn)入時效變形階
段，原巖應(yīng)力狀態(tài)被打破，近平行岸坡方向發(fā)生卸荷回彈，表生卸荷裂隙較發(fā)育，
岸坡崩塌、滑坡等時有發(fā)生。
1.2 人工開挖邊坡
隨著水電大型項目的推進(jìn)，遇到的工程巖石力學(xué)問題復(fù)雜多樣（見表1）。邊
坡開挖高度一般從幾十米級至數(shù)百米級不等，坡度一般達(dá)60°～80°，臨空面約
束釋放，巖體應(yīng)力重新調(diào)整，卸荷回彈現(xiàn)象較為明顯，岸坡穩(wěn)定性問題十分嚴(yán)峻。
表1 大型水電工程高陡邊坡情況
1.3 變形控制
高陡邊坡工程變形控制制約因子多樣，諸如地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、開挖技術(shù)、
錨固支護(hù)技術(shù)、防滲排水、庫水位驟降、泄洪霧化現(xiàn)象等。
高陡邊坡變形控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)是時效變性階段，重視推進(jìn)巖土體變形理論、巖
土與結(jié)構(gòu)相互作用的理論研究，施工過程中進(jìn)行動態(tài)安全監(jiān)測，及時反饋分析，
實現(xiàn)動態(tài)信息化施工。根據(jù)經(jīng)驗綜合考慮高陡邊坡變形穩(wěn)定性控制設(shè)計原則：低
開口、高清坡、緩接坡、強(qiáng)鎖頭及緊固腳等。
2 河谷邊坡應(yīng)力特征及發(fā)育規(guī)律
工程實踐已經(jīng)表明[4-7]，我國河谷應(yīng)力隨河谷臨空面的距離具有明顯分帶特征
[3]，研究河谷應(yīng)力場特征對認(rèn)識河谷邊坡演化歷史和演化進(jìn)程以及工程實踐具有重
要意義。
河谷邊坡應(yīng)力場表現(xiàn)為明顯的分區(qū)、分帶特點，隨著河谷下切，岸坡側(cè)向應(yīng)
力解除，緊接著應(yīng)力發(fā)生重分布，巖體產(chǎn)生向臨空面卸荷回彈的現(xiàn)象。伴隨這一
過程，邊坡應(yīng)力隨著變形狀態(tài)不斷調(diào)整，最終在一定深度范圍內(nèi)形成河谷岸坡二
次應(yīng)力分布區(qū)[3]。理論上，二次應(yīng)力區(qū)包含應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，
其中對岸坡威脅最大的應(yīng)力區(qū)就是應(yīng)力降低區(qū)。
巖質(zhì)高陡邊坡演化[8]是地殼上升　河谷下切、應(yīng)力釋放　表生改造作用的一個
地質(zhì)歷史過程。河谷邊坡形成一般要經(jīng)歷3 個階段：表生改造階段、時效變形階
段、破壞發(fā)展階段。
3 高陡巖質(zhì)邊坡防護(hù)研究
3.1 邊坡安全防護(hù)
目前，極限平衡分析法求解安全系數(shù)有三種理論：強(qiáng)度儲備，超載儲備，下
滑力超載儲備。
一旦安全系數(shù)達(dá)不到儲備要求，可采取不同的加固措施提高邊坡的安全度。
目前常采用的邊坡加固措施歸納為如下幾類：(1)截排水措施，(2)減載措施，(3)壓
腳措施，(4)支擋措施(5)混凝土抗剪結(jié)構(gòu)措施，(6)錨固措施等。根據(jù)[2]文獻(xiàn)表6 可
知，截排水措施和錨固措施在水電高邊坡工程治理中應(yīng)用最為普遍；削方減載和
支擋作為輔助措施配合應(yīng)用；而混凝土抗剪結(jié)構(gòu)處理一些復(fù)雜地質(zhì)情況取得不錯
的效果。
3.1.1 排水和防滲、削坡壓腳措施
自90 年代末至今，在登錄的117 個邊坡信息中，發(fā)現(xiàn)其中53%[9]的滑坡發(fā)生
變形破壞的誘因是水的作用，也有十滑九水之說。為了防治巖土體強(qiáng)度下降，產(chǎn)
生超空隙水壓力，就必須控制地表水和地表水。地表水，常采用截水溝攔截和引
排，其中坡體以外的地表水，于適當(dāng)位置攔截引排；坡體上的地表水要注意防滲
工作，快速匯集疏出。地下水，常選用滲井、平孔排水、匯水隧洞等到排水措施
來疏干，大大降低孔隙水壓力，提高抗滑力，保證岸坡的穩(wěn)定。高陡邊坡截排水
原則是以地下排水為主，地表截、防排水為輔，最大程度上降低岸坡巖體地下水
位，減小滲水壓力，提高邊坡穩(wěn)定性。
當(dāng)場地允許時，削坡壓腳應(yīng)是優(yōu)選方案。當(dāng)削坡壓腳難以實施或仍不能滿足
時，宜結(jié)合抗滑樁或預(yù)灌漿—梁錨結(jié)構(gòu)等方案治理。
3.1.2 混凝土抗滑樁
1943 年，太沙基[10]開展了活動門試驗，將已屈服土體中的應(yīng)力傳遞至相鄰穩(wěn)
定介質(zhì)的這一現(xiàn)象稱之為土拱效應(yīng)。隨后，Wang 和Yen、常保平、王成華、周德
培等關(guān)于最佳樁間距計算開展大量研究工作。在抗滑樁與滑坡體相互作用機(jī)理方
面，采用數(shù)值模擬方法全面分析了樁土之間作用機(jī)理。隨著治理理念的發(fā)展，從
最初的懸臂抗滑樁到H 型抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁、雙排抗滑樁等?；炷量?
滑樁具備易于操作、經(jīng)濟(jì)實用的特點，尤其當(dāng)遇到滑面傾角平緩時，能夠更好發(fā)
揮效果。
3.1.3 混凝土沉井
混凝土沉井具備挖土量少、對鄰近建筑物的影響比較小，并且沉井基礎(chǔ)埋置
較深、穩(wěn)定性好、能支承較大的荷載，已廣泛應(yīng)用于橋梁、煙囪、水塔的基礎(chǔ)。
減壓沉井[12]在滑坡工程中，沉井深入承壓水層能降低承壓水頭，沉井埋置較深能抵
抗較大下滑推力，同時也具備擋土墻的作用。如天生橋二級水電站左壩肩下游邊
坡進(jìn)入時效階段，采用沉井抗滑+坡面保護(hù)+排水的支護(hù)方案，有效控制邊坡的穩(wěn)
定。
3.1.4 預(yù)應(yīng)力錨索地梁
預(yù)應(yīng)力錨索地梁[13]組成有框格梁體系和預(yù)應(yīng)力錨索兩部分構(gòu)成?；炷恋亓簩?
（下轉(zhuǎn)第321 頁）
作者簡介：楊沛霖(1991- )，男，河南商丘人，碩士生，研究方向：巖土工程、公路工程。
Research 研究探討321
中需要的是巖土體的不同層次的速度，所以需要用瑞雷波頻散曲線變換為瑞雷波
分層速度，并且計算出剪切波的速度。瑞雷波頻散曲線變換為瑞雷波分層速度的
辦法多種多樣，目前最為常用的方法是運用下方的計算公式進(jìn)行計算：
視速度VR 隨深度H 增大而增大時，
1
, 1 , 1
,
?
? ?
?
?
=
n n
n R n n R n
R m H H
H V H V
V
（1）
視速度VR 隨深度H 增大而減小時，
, 1
1
,
1
,
?
?
?
?
?
=
R n
n
R n
n
n n
R m
V
H
V
H
V H H
（2）
式中，Hn：第n 個頻散點的深度；
Hn-1：第n-1 個頻散點的深度；
VR，n：大于第n 個頻散點的瑞雷波均速；
VR，n-1：大于第n-1 個頻散點的瑞雷波均速；
VR，m：第Hn－Hn-1 深度的瑞雷波速度；
層次是通過頻散曲線而進(jìn)行區(qū)分的，頻散曲線特征通常表現(xiàn)為曲率、斜率以
及頻散點的疏密的變化。為了保證分層速度和深度之間關(guān)系的正確，還需要通過
研究地層結(jié)構(gòu)，使用正演計算，得到頻散曲線與實測曲線的差異，多次修改分層
結(jié)果，直到頻散曲線與實測曲線擬合最完美才停止，此時的層速度為最終解釋速
度。
通過計算分析得出該涵背波速及實測壓實度，見表1，根據(jù)公路路基施工技術(shù)
規(guī)范（JTG F10-2006）規(guī)定：二級以上（包括二級）的公路需要嚴(yán)格按照設(shè)計將
過渡段做好，過渡路堤的壓實度需要滿足大于96%的標(biāo)準(zhǔn)[6]。結(jié)果表明該涵背填筑
質(zhì)量滿足規(guī)范要求。
表1 涵背填筑質(zhì)量
序號 檢測深度范圍 壓實度（%）
表層以下
（m）
～ 表層以下
（m）
類型 剪切
波速 實測 規(guī)范
要求（≥）
結(jié)論
1 0.00 ～ 0.30 路基 / / / /
2 0.30 ～ 1.06 涵背 332 98.7 96 合格
3 1.06 ～ 1.76 涵背 324 98.3 96 合格
4 1.76 ～ 2.55 涵背 339 98.9 96 合格
5 2.55 ～ 3.30 涵背 343 99.1 96 合格
6 3.30 ～ 4.22 涵背 351 99.4 96 合格
7 4.22 ～ 4.80 涵背 345 99.2 96 合格
2.3 檢測結(jié)果的對比驗證
為了檢驗瑞雷波法對高速公路涵背填筑質(zhì)量檢測效果，對該涵背灌砂法與瑞
雷波檢測法獲得的壓實度進(jìn)行對比分析，見表2。
表2 涵背填筑質(zhì)量檢測對比
檢測深度
（m）
密度
(g/cm2)
灌砂法
壓實度（%）
瑞雷波速度
（m/s）
瑞雷波法
壓實度（%）
誤差（%）
0.0～0.3 / / / / /
0.3～1.06 1.96 98.3 332 98.7 0.41
1.06～1.76 1.96 98.4 324 98.3 0.10
1.76～2.55 1.95 98.2 339 98.9 0.71
2.55～3.30 1.97 98.8 343 99.1 0.30
3.30～4.22 1.96 98.6 351 99.4 0.79
4.22～4.80 1.97 99.0 345 99.2 0.20
通過圖表中的數(shù)據(jù)可以知道，灌砂法和瑞雷波法在檢查涵背填筑質(zhì)量時，壓
實度的誤差都小于1%，這證明了瑞雷波法可以在涵背填筑質(zhì)量檢查中運用。
3 結(jié)論
瑞雷波檢測法與傳統(tǒng)的檢測方法比較，具有多方面優(yōu)良的性能，而且不會破
壞填筑完成的路基，可以做到無損檢測，該方法可彌補(bǔ)其他檢測方法的不足，具
有操作簡單、快捷，高效，現(xiàn)場干擾小，不影響施工進(jìn)度等優(yōu)點，在高速公路工
程檢測領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)
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（上接第329 頁）
滑坡體表層坡體起保護(hù)作用并增強(qiáng)坡體的整體性，防止地表水滲入和坡體的風(fēng)化。
預(yù)應(yīng)力錨索為主動防護(hù)措施，錨索把預(yù)應(yīng)力傳遞到框架梁體系上，然后通過框架
梁體系傳至坡面上，保證預(yù)應(yīng)力錨索提供抗力的均勻性、連續(xù)性及整體性，達(dá)到
完全穩(wěn)固邊坡的目的。
3.1.5 深埋混凝土抗剪結(jié)構(gòu)
抗剪置換洞采用坡內(nèi)施工，治理的深度不受結(jié)構(gòu)體本身的限制，對處置岸坡深部
不利結(jié)構(gòu)面，控制的岸坡穩(wěn)定發(fā)揮不可替代的作用。技術(shù)特點是針對性強(qiáng)，實施
難度小。經(jīng)過地質(zhì)勘察，一旦發(fā)現(xiàn)選址區(qū)存在深層軟弱結(jié)構(gòu)面或斷層時，優(yōu)選抗
剪置換洞方案，該技術(shù)適用于結(jié)構(gòu)面上下盤有堅硬完整巖體的情況。針對可能發(fā)
生深層滑動的結(jié)構(gòu)面上、下盤均為堅硬完整巖體時，利用混凝土或鋼筋混凝土置
換軟弱結(jié)構(gòu)面上軟弱土層。
其中抗剪洞在錦屏一級水電站左岸邊、坡龍羊峽對近壩、李家峽在左壩肩和
大崗山右岸邊坡等邊坡上的成功運用，取得不錯效果。
3.2 邊坡生態(tài)防護(hù)
隨著我國《水土保持法》的頒布和實施，“生態(tài)植物修復(fù)技術(shù)”方案研究得到
了社會各界認(rèn)識的認(rèn)可，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，以及人們對環(huán)境保護(hù)投入，對生態(tài)
植物修復(fù)技術(shù)的研究有重大的意義。
““生態(tài)植物修復(fù)技術(shù)”[14]指的是在工程建設(shè)中采用相關(guān)的生態(tài)植物(如不同的
喬、灌、草、藤等)，根據(jù)一定比例在特定環(huán)境條件下混合配置后，對開挖或填方
所形成的邊坡進(jìn)行植被恢復(fù)的一種綜合技術(shù)應(yīng)用方案，它包含了綠化景觀、固土
保水、防止淺層滑坡和塌方等生態(tài)環(huán)境保護(hù)”。目前，常選用“普通綠化”、“普通
噴播”、“掛網(wǎng)噴播”或“香根草技術(shù)”[14-15]等。其中，鋪貼草皮、普通噴播以及掛
網(wǎng)噴播是可以達(dá)到綠化景觀的目的技術(shù)，對比施工工藝和成本，前兩種有明顯的
優(yōu)勢。而“香根草技術(shù)”具有抗滑護(hù)坡和水土保持的作用；因此，香根草技術(shù)不
僅能達(dá)到恢復(fù)植被和綠色景觀的目的，而且具備固土保水和防止淺層滑坡的能力。
4 結(jié)語
我國水電工程工程大多修建于高山峽谷之中，自然谷坡高陡，工程地質(zhì)條件
復(fù)雜，地應(yīng)力水平高、巖體卸荷強(qiáng)烈，天然條件下穩(wěn)定性較差；工程邊坡具有開
挖高、坡度陡、體量大、安全控制難的特點。
（1）河谷邊坡應(yīng)力場表現(xiàn)為明顯的分區(qū)、分帶特點，隨著河谷下切，岸坡側(cè)
向應(yīng)力解除，緊接著應(yīng)力發(fā)生重分布，巖體產(chǎn)生向臨空面卸荷回彈的現(xiàn)象。巖質(zhì)
高陡邊坡演化是地殼上升　河谷下切、應(yīng)力釋放　表生改造過程。
（2）水利水電高陡邊坡防護(hù)從兩個方面著手，即為安全防護(hù)、生態(tài)防護(hù)。目
前，針對不同地質(zhì)條件下的高陡邊坡加固工程，通常采取截排水措施及錨固(含坡
面噴混凝土、錨索、混凝土框格梁、預(yù)應(yīng)力錨索等)方案；針對擬建工程邊坡深部
存在不穩(wěn)定軟弱結(jié)構(gòu)面或斷層，考慮選用地下抗剪洞結(jié)構(gòu)措施。隨著生態(tài)文明建
設(shè)步伐的推進(jìn)，“生態(tài)植物修復(fù)技術(shù)”慢慢被提上日程。
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