叶巴滩水电站右岸高边坡落石灾害与防治研究_米元桃.pdf

四 川 水 利研究与综述叶巴滩水电站右岸高边坡落石灾害与防治研究米元桃，丁 钇，欧作飞（中国水利水电第七工程局有限公司第一分局，四川 彭山，）【摘 要】叶巴滩水电站地处高山峡谷，右岸边坡极高，存在大量不稳定危岩体，容易产生落石灾害，对施工区内人员、建筑与道路造成安全威胁。在无人机航拍与实地调研的基础之上，采用 模拟软件，对右岸边坡进行落石运动特征模拟，计算得到落石的平动速度、落点分布、动能、弹跳高度以及运动轨迹等运动特征，据此提出右岸落石防护措施。在考虑施工可行性与经济效应的前提下，设置了两道被动防护网，并对防护效果进行模拟。结果表明，防护措施能有效遏制落石灾害，对施工区起到良好的保护作用。考虑到进一步的工程扰动及降水条件，文章建议必要时增修混凝土挡墙与主动清边，以确保施工区的安全。【关键词】叶巴滩水电站 落石灾害 运动特征模拟 落石防护 中图分类号：文献标志码：文章编号：（）引言落石灾害是我国西南地区常见的地质灾害。落石灾害定义为，在内外因素共同影响下，岩石块体从原始岩体剥落，历经自由落体、弹跳、滑动、滚动等系列运动的过程。落石灾害的发生过程包括：潜在落石源区形成阶段、落石块体发育阶段、落石瞬时崩塌阶段和落石运动阶段。其中，导致落石的最终发生通常是由于人类活动、降雨与地震等外界因素，造成岩体内部不稳定结构面的进一步发展破坏，最终导致落石块体发生松动，在脱离源区后快速向下运动。落石的运动具有高速性、隐蔽性、时空随机性、突发性的特点。近年来，随着国家经济发展的需求，一大批重大国家战略工程逐步在地质条件相对脆弱的西南山区开展，区域内的落石对现场施工人员、车辆、运输道路等构成了极大威胁，因此，采取有针对性的落石防治措施是十分必要的。落石防护手段包括主动防护与被动防护。主动防护措施旨从根源治理落石，在落石源区形成或发展阶段，通过主动防护网、锚固、注浆填充等手段，对可能产生落石的区域进行清除、控制，避免落石的产生，但其成本过高，施工难度较大；被动防护措施旨在落石运动过程中，通过防护网、挡石墙、截石沟对落石进行捕获，其造价与施工难度相对较低，因此在山区流域等落石灾害的防治中得到了广泛应用。在落石被动防护措施的设计过程中，落石运动特征是被动防护网的重要设计依据与基础。落石运动特征由所处的地形地貌与其自身的力学参数决定，主要包括落石的运动速度、弹跳高度和轨迹分布等，而数值模拟是获得落石运动特征的常用手段。目前国内外有诸多学者已对落石的运动、模拟和防治进行了研究，例如陈泰江等基于 接触理论得到落石运动轨迹方程，并验证了有效性，可以为工程防护提供参考；刘慧明利用 模拟长白山龙门峰落石运动轨迹，得到了落石动能特征、停止位置，评价了龙门峰的落石灾害的危险性；王亮利用 软件对危岩体的下落路径、下落运动关键参数进行了确认；张帅等利用 模拟滚石路径，以此为依据分析了分级修坡的作用；纪仁芹通过 对重庆某边坡进行分析，验证了其可较好较快地为危岩防治米元桃，丁 钇，欧作飞：叶巴滩水电站右岸高边坡落石灾害与防治研究 提供理论依据；贺鹏等通过二次模拟，验证了初次基于 所设计的防护的合理性。本研究拟针对西南山区在建的叶巴滩水电站坝肩边坡落石运动模拟和防治进行研究。叶巴滩水电站位于四川白玉县与西藏贡觉县交界处的金沙江干流降曲河口下游 河段。坝区两岸山体雄厚，地形陡峭。由于工程扰动、降雨、卸荷等作用，施工区内受到落石灾害影响严重。尤其是坝址区右岸存在一高位崩塌残留体，在长期降雨和风化作用下持续发生落石灾害。由于落石源区位于边坡高位，该部位落石的形成和运动过程不易监测，同时，落石在经历较长运动时间后，通常会以较快的速度进入施工区，对现场施工的人员和设备造成了极大威胁。本研究基于无人机航空摄影技术获取了叶巴滩水电站的地形，通过历史统计、现场调查、无人机影像分析等手段确定了落石源区，并采用 落石模拟软件对右岸高位落石进行运动模拟。研究旨在获取落石的主要运动特征，为施工区落石防治防护措施的设计和优化提供依据。工程背景 落落石石灾灾害害叶巴滩水电站是金沙江上游十三级开发方案中的第七级，位于四川白玉县与西藏贡觉县交界处的金沙江干流降曲河口下方约 河段上。利用无人机对右岸进行现场调查（图）。根据调查结果，右岸浅表层潜在不稳定体分布高程范围约，天然条件下稳定性极差，危险性大，其下方为水垫塘、右岸坝肩、开关站及缆机平台，产生的落石风险对施工期安全和长期运行安全影响较大，需采取工程措施处理。（）整体示意图；（）（）落石源区图 叶巴滩水电站右岸落石概况 坝坝址址区区地地质质条条件件叶巴滩水电站位于三江深切割强隆区和川西面状强隆区交界处。坝区两岸山体雄厚，地形陡峭，山顶高程大于，相对高差大于，属高山地貌。河谷狭窄，谷坡陡峻，为基本对称的深切“”型峡谷。右岸坡度范围 ，线与线间地形相对完整，线中低高程为覆盖层凹槽，线上游发育 冲沟，线发育 冲沟，线下游约 发育董俄措沟，切割较深，坝区岩体主要结构面横河向发育，河谷呈似横向谷特征。坝区右岸基岩多裸露，基岩大部分为石英闪长岩，抗风化能力弱（见图）。右岸岸体存在大量危岩，裸露的碎块及大量风化的基岩。右岸风化程度根据地形切割、岩体结构、地下水及卸荷作用的不同有着明显区分，大致为从外到内风化程度减小的规律。右岸风化作用主要沿裂隙和构造 四 川 水 利破碎带进行，具有典型的裂隙式和夹层式风化特征。风化程度在水平方向上从外到内由强变弱，在高程上从高到低由强变弱，弱风化带宽度由岸向河床逐渐由厚变薄，受局部地形特征影响存在不均匀性。受构造及地下水活动影响，断层破碎带及影响带、挤压破碎带及个别长大裂隙集中发育段，局部加剧风化形成强、弱风化夹层。坝区河谷深切，岸坡陡峻，天然地应力高，两岸岩体在河谷下切过程中向临空方向强烈回弹。受局部地形影响，负地形部位卸荷略浅；局部地形突出三面临空的部位，卸荷作用更加强烈，深度更大，并且受多组结构面切割作用，破碎岩体极易在降雨和风化作用下形成落石。图 叶巴滩水电站风化现象 落石运动模拟本文采用 软件对叶巴滩右岸落石进行运动特征模拟与分析。是一款基于概率统计计算，考虑坡面材质与岩块特征的落石运动特征模拟软件。进行模拟前，坡面通过逐段直线构成，每条线段可以根据实际情况定义坡面构成材料、坡度、摩擦系数、切向与法向恢复系数。落石源区与岩块质量根据实际情况参考设定。块体个数根据模拟需要自行设定。模拟中，将岩块看作质量集中的球体，不考虑其形状，在非地震工况下初速度设置为，各个岩块之间均为单独计算，互不影响。过程中忽略由空气阻力、温度、降水等因素产生的影响。模拟结束后，输出落石运动特征，包括落石运动轨迹、平动速度、能量、弹跳高度、频率等。落石运动特征可以为落石防护设计提供理论支持。模模拟拟参参数数通过对叶巴滩现场进行实地调研，结合无人机航空摄影扫描采集到的滑坡体的点云数据与地面监测数据，按高程范围共确定滑坡体落石灾害源区 处，上部源区对应图 中的（），下部源区对应图 中的（）和（）。根据上述数据建立穿过两处落石源区的二维边坡模型。考虑到高处落石的灾害性更强，落石源区应设置在相对较高处。落石块体的运动模拟采用质点集中模型，根据现场实际调查的粒径大小和密度，选取设置岩石质量为。模型岩性根据现场调查确定为蚀变岩区、植被覆盖区、混凝土施工区。地面岩性的法向、切向恢复系数、动摩擦系数，结合叶四桥等的研究与铁道部推荐参数（表），根据模型反演分析得到，与现场调查数据保持一致。本次模拟参数见表。表 法向、切向恢复系数推荐取值法向恢复系数切向恢复系数坡面特征 光滑而坚硬的表面或铺砌面，如光滑的基岩面或人行道 多数为基岩和砾岩区且无植被的斜面 多数为有少量植被的基岩和砾岩区 硬土边坡且有少量植被 软土边坡且有少量植被 灌木覆盖的土质边坡 表 模拟参数取值参数说明采用的数值岩性相关参数模型岩性植被覆盖区域 混凝土施工区域 蚀变岩 滚石源区危岩体质量块石数目每个源区 个，共 个计算模式初始速度 运动模型质点模型随机数生成方式伪随机数 落落石石运运动动模模拟拟结结果果分分析析使用 软件，对叶巴滩右岸进行落石运动特征模拟，得到落石的运动轨迹（图）与无防护情况下落石平动速度、弹跳高度、运动动能、停止区域特征（图）。由图 与图 所示，区落石在脱离源区后向下紧贴岸体运动，由于 边坡过于陡峭，落石速度快速增加，势能快速转换为动能。由于 边坡过长，区落石到达 区后，后续运动与 区落石运动相似，与 区落石相比，区落石经过 区时有更高的动能和平动速度，可以视作有初米元桃，丁 钇，欧作飞：叶巴滩水电站右岸高边坡落石灾害与防治研究 速度的 区落石。落石从 区脱离后，经过短暂滚动后，边坡变陡，落石被抛出，弹跳高度小幅突增。后续落石沿边坡继续向下运动，这个过程中，由于高速运动脱离造成的弹跳，落石动能与平动速度呈现波动增加，并且趋于稳定。在 点前，由于坡度的变化，导致落石多次弹跳，落石动能和速度有所下降，并且有部分岩块停止运动。经过 点后，落石进入混凝土区域，由于混凝土的地面性质，落石速度、弹跳高度、动能都有增加，并且由于坡度原因，被抛射进入 区。最后落石停止在 区。可以看出，落石从源区到达施工区的过程，是落石势能转换为动能的过程，落石在运动中累计的动能，大部分释放于施工区，并且对施工区的覆盖度极高。施工区地形和混凝土面的特点导致了在不考虑岩石的破损条件下，落石进入施工区的弹跳高度高达。并且由于落石开始运动的高程极高，落石进入施工区的速度和动能极大，分别达到了 与。由落石运动特征分析可知，叶巴滩右岸落石对施工区安全威胁极大，必须进行落石防护。图 落石轨迹模拟结果（）落石停止区域数量（）落石弹跳高度（）落石动能（）落石平动速度图 落石运动特征 防护方案建议叶巴滩水电站右岸边坡冲入施工区的落石具有高动能、高频率、高弹跳的特征，基于 数值模拟的结果，结合现场调研的实际情况，建议采用防护网在落石源区下部进行施工期落石防治，防护网高度选择综合考虑经济效应和施工可行性。首先为保证施工区安全，在右岸上部源区落石平动速度较高区域设置 防护网，右岸下部源区落石平动速度区域设置 防护网，验证落石可防治性，使用 对防护效果进行模拟，效果见图。说明可以通过被动防护对叶巴滩右岸落石风险进行防治，高的防护网是经济且有效的。四 川 水 利（）施工区整体防护效果；（）右岸上部源区防护效果；（）右岸下部防护效果图 叶巴滩右岸防护效果示意 在考虑防护网施工的经济效益和施工可行性的情况下，对防护网安设位置进行优化，考虑落石轨迹中弹跳高度最小的区域，并且在施工区附近增添一道防护网用于捕获脱离初次防护的落石，防护效果见图。可以看出，优化右岸的防护措施，在保证防护效果的前提下，大大降低了防护网的安装高程，使得防护的经济效益和施工可行性大幅提高。优化后的落石防护工程，大幅降低了落石灾害的危险性，对落石有着良好的捕获能力，很大程度上降低了施工区的人员与工程安全，为施工提供了有力的保障，达到了落石防治的目的。（）施工区整体防护效果；（）右岸 区域防护效果；（）右岸 区域防护效果图 优化后叶巴滩右岸防护效果示意 考虑到降水条件的季节性与进一步的工程扰动，存在落石风险加剧的可能，建议在已有的防护措施上，增加对落石灾害的实时监测，在必要时增添混凝土挡墙对重点区域进行防护，并对不稳定危岩体进行主动清除。结论本文以叶巴滩水电站右岸边坡为研究对象，在无人机观测的基础上，采用 模拟软件对右岸落石进行了运动特征研究，得到了落石的弹跳高度、运动速度、落地频率以及运动轨迹。根据落石的运动特征与现场勘察资料，得到了下述结论：（）通过现场勘察与无人机观测，叶巴滩水电站右岸地质条件较差，存在大量裸露的碎块，基岩风化现象严重，浅表层存在不稳定体，存在较大的落石风险，对下部施工区域安全构成威胁。米元桃，丁 钇，欧作飞：叶巴滩水电站右岸高边坡落石灾害与防治研究 （）确定了叶巴滩水电站右岸落石源区，对叶巴滩水电站右岸进行落石运动特征模拟。结果表明，叶巴滩水电站右岸进入施工区的落石具有运动速度快，弹跳高度高，动能大的特点，具有很强的破坏性，会使施工区内的人员和设施受到严重安全威胁。需要对右岸进行落石防治。（）综合考虑施工可行性和防护经济效益，提出了右岸的防护措施，防护效果好，大大降低了落石对施工区内的威胁，起到了良好的防护作用。考虑到后期进一步的工程扰动和季节性降水，建议必要时增修混凝土挡墙与主动清除措施，确保工程安全。参 考 文 献崔 鹏，陈晓清，张建强，等“”芦山 级地震次生山地灾害活动特征与趋势山地学报，（）：武中鹏，刘 宏，董秀群，等单体危岩崩塌灾害危险性评价 以贵州威宁县新发乡樊家岩为例中国地质灾害与防治学报，（）：李 滨，殷跃平，高 杨，等西南岩溶山区大型崩滑灾害研究的关键问题水文地质工程地质，（）：胡厚田崩塌落石研究铁道工程学报，（）：向 欣边坡落石运动特性及碰撞冲击作用研究中国地质大学，叶四桥，陈洪凯，唐红梅危岩落石防治技术体系及其特点公路，（）：叶四桥，唐红梅，祝 辉基于落石运动特性分析的拦石网设计理念岩土工程学报，（）：叶四桥，陈洪凯，许 江落石运动模式与运动特征现场试验研究土木建筑与环境工程，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：陈泰江，章广成，向 欣非均一性斜坡落石运动轨迹地质科技通报，（）：，刘慧明长白山天池地区龙门峰崩塌落石运动轨迹研究长春：吉林大学，王 亮危岩变形失稳机理及防治技术研究重庆：重庆交通大学，张 帅，罗永健基于 模拟的高陡岩质建筑边坡孤石滚落防治方法探讨广东土木与建筑，（）：，纪仁芹，吴 涛 软件在公路边坡危岩崩塌运动路径分析中的应用公路与汽运，（）：纪仁芹重庆地区公路高边坡危岩稳定性分析与治理方法重庆：重庆交通大学，贺 鹏危岩落石棚洞拦石墙新型组合结构防护措施研究铁道建筑，（）：罗 超，向志群，陈仁全基于 的拦石墙设计有色金属设计，（）：，曾 舜 软件在危岩崩塌处治设计中的应用中国水运：下半月，（）：陈利琼，刘 洋，吴世娟，等澜沧江跨越管道的落石冲击影响与防护天然气工业，（）：冉丽洪，易萍华基于稳定性分析与数值模拟的崩塌落石防治研究重庆建筑，（）：叶四桥，巩尚卿，王林峰，等落石碰撞切向恢复系数的取值研究中国铁道科学，（）：作者简介：米元桃（），男，重庆合川人，工程师，叶巴滩水电站项目工程技术部主任，大学本科，长期从事水利水电工程施工技术工作；：丁 钇（），男，陕西商洛人，助理工程师，大学本科，长期 从 事 水 利 水 电 工 程 施 工 技 术 工 作；：欧作飞（），男，云南昭通人，助理工程师，大学本科，从事水利水电工程施工技术工作。：