地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險對水電工程影響的評價與控制

黃 欣,程光偉

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

對項目開發(fā)而言,風(fēng)險是指可能出現(xiàn)的影響項目目標(biāo)實現(xiàn)的不確定因素。眾所周知,開發(fā)任何項目,都存在一定風(fēng)險。對于水電開發(fā)項目,風(fēng)險更是無處不在,無時沒有。風(fēng)險事件一旦發(fā)生,就會對項目造成一定損害,甚至影響項目目標(biāo)的實現(xiàn)。水電工程是一項復(fù)雜的工程,風(fēng)險眾多,其分類標(biāo)準(zhǔn)也很多,如按風(fēng)險類型可分為純粹風(fēng)險、投機(jī)風(fēng)險和除外風(fēng)險;按風(fēng)險形態(tài)可分為動態(tài)風(fēng)險和靜態(tài)風(fēng)險;按風(fēng)險損失發(fā)生的原因可分為自然風(fēng)險、社會風(fēng)險等。本文結(jié)合國內(nèi)外大中型水電工程實例,就自然風(fēng)險中的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險對水電工程影響的評價與控制進(jìn)行論述,以期與國內(nèi)外同行共同探討。

2 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險對水電工程影響評價

地質(zhì)災(zāi)害對水電工程影響較大,有時甚至決定水電工程的成敗。廣義的地質(zhì)災(zāi)害系指在自然和(或)人為因素作用或影響下,直接或間接惡化環(huán)境,降低環(huán)境質(zhì)量,危害人類和生物圈安全與發(fā)展的地質(zhì)事件;狹義的地質(zhì)災(zāi)害系指在自然和(或)人為因素作用下或影響下,對人民生命財產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境造成損失的地質(zhì)事件。就水電工程而言,主要指包括自然因素或者人為活動引發(fā)的危害人民生命財產(chǎn)和工程安全的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降等與地質(zhì)作用有關(guān)的災(zāi)害。

水電工程地質(zhì)災(zāi)害涉及水庫工程、邊坡工程、地基工程、地下工程及其它相關(guān)工程,除了常規(guī)的災(zāi)害外,還包括滲漏(水庫或壩基大流量滲水,影響工程安全或正常運(yùn)行)、庫岸再造(影響庫岸居民點(diǎn)穩(wěn)定與安全)、滑坡涌浪(影響大壩安全或?qū)ο掠卧斐晌：?、巖土體大變形(對工程造成危害)、大流量涌水(影響地下工程或基坑施工安全)及水庫誘發(fā)地震(形成的次生災(zāi)害對居民或環(huán)境造成危害)等成災(zāi)地質(zhì)問題,以及若干可能形成災(zāi)害的地質(zhì)現(xiàn)象,如水庫淤積、水庫浸沒、潛在不穩(wěn)定巖體(危巖體)、斜坡滾石、坡面泥石流、地基變形(包括不均勻沉降變形、滑動變形、滲透變形、地基失效變形等)、圍巖坍塌、巖爆、流沙、有害氣體、地下泥石流及地下水侵蝕、泄洪區(qū)岸坡沖刷等等。

大中型水電工程常位于深山峽谷區(qū),地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜,工程區(qū)常分布有綜合成因的大型堆積體(如崩塌、滑坡、泥石流、坡積、沖洪積、冰積等混合堆積體),并經(jīng)長期后生改造,地表形態(tài)不完整。許多工程區(qū)地質(zhì)災(zāi)害眾多,嚴(yán)重威脅水電工程的安全。地質(zhì)災(zāi)害對水電工程的影響主要體現(xiàn)在對水庫工程區(qū)、樞紐工程區(qū)、附屬或臨建工程區(qū)的影響,其中附屬或臨建工程區(qū)主要包括進(jìn)場公路、天然建筑材料場地、堆棄渣場、砂石加工系統(tǒng)、業(yè)主營地與承包商營地等。大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害一旦發(fā)生,往往會造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失,輕者則延誤工期,增加成本,重者則壩毀人亡,對水電工程帶來毀滅性的影響。山體崩塌滑坡埋沒電站設(shè)施,阻斷交通和輸電線路,引發(fā)水庫涌浪甚至翻壩;特大山崩阻斷河流形成堰塞湖,潰決后對下游造成威脅,山崩區(qū)往往形成持續(xù)發(fā)育、具有周期性成災(zāi)特征的山崩區(qū)和泥石流源,豐富的物質(zhì)源源不斷地輸入河流,侵占庫容。

縱觀國內(nèi)外水電工程,不乏地質(zhì)災(zāi)害對水電工程造成重大影響的例子。

1963年10月9日發(fā)生的意大利瓦依昂大滑坡,是一次震驚世界的大壩失事。巨大的深層滑動巖體(據(jù)估計為2.8億m3)從峽谷左岸在 30s內(nèi)快速滑至庫底,產(chǎn)生260m高的涌浪,越過高276m雙曲拱壩的壩頂沖向下游河谷。下游郎加隆鎮(zhèn)的大部分房屋、道路,在7min后蕩然無存,死亡近 3000人,正在壩址現(xiàn)場觀測的 45名工程師全部罹難。

我國的三峽、二灘、小浪底、溪洛渡等水電站,涉及到的天然邊坡高達(dá)1000m以上,工程邊坡可達(dá)200～300m高度,亦遇到很多邊坡崩塌、滑動、傾倒蠕變等現(xiàn)象,危及工程的安全。

2009年 7月 23日凌晨 1時許,四川康定縣普降大到暴雨,兩小時降雨量達(dá)56.1毫米。凌晨2時57分,暴雨致使舍聯(lián)鄉(xiāng)干溝村響水溝(省道 211線225K處)發(fā)生特大泥石流災(zāi)害,沖毀響水溝大渡河切口處的長河壩水電站建設(shè)施工單位營地,形成長約 500m、最大寬度約 500m、平均堆積厚度約 5m、總體積約 40萬m3的堆積扇(成分泥石混雜,最大的一塊孤石長12m、寬5m、厚3m、體積約180m3,并致使大渡河一度堵塞,出現(xiàn)堰塞湖險情。此次災(zāi)害共造成18人死亡、36人失蹤、4人受傷、141人被困;省道 211線多處中斷,3000m道路被淹沒,1500m道路被沖毀;136間工棚、32臺車輛、61臺機(jī)具、80臺設(shè)備被毀,沖走各類建筑物資1400t。估算直接經(jīng)濟(jì)損失 8000余萬元。

3 水電工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險控制與管理

鑒于地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險在水電工程中的重要性,需要正確認(rèn)識,采取積極的風(fēng)險管理措施應(yīng)對。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險經(jīng)論證后 ,在工程上采取切實有效的措施使風(fēng)險出現(xiàn)的可能性盡量減小 ,并對其影響范圍予以限制。除在工程上采用技術(shù)措施對風(fēng)險的出現(xiàn)進(jìn)行有效的抑制外,也可采取近代工程風(fēng)險的管理辦法 ,使地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險得以回避、抑制、轉(zhuǎn)移 ,必要時可采用保險等經(jīng)濟(jì)措施 ,在風(fēng)險發(fā)生后能夠得到補(bǔ)償。以下探討水電工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的技術(shù)控制。

筆者以為,水電工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險控制與管理,主要從三方面入手:一是對水電工程地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行危險性評估;二是對存在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的部位采取行之有效的防治措施;三是建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)及預(yù)報預(yù)警系統(tǒng),制定地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急及處置預(yù)案。

3.1 地質(zhì)災(zāi)害危險性評估

地質(zhì)災(zāi)害危險性評估主要包括地質(zhì)災(zāi)害危險性現(xiàn)狀評估、預(yù)測評估、綜合評估。評估程序見圖1。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害危險性評估工作程序

根據(jù)國土資源部《建設(shè)用地地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)要求》,地質(zhì)災(zāi)害危險性被劃分為三個等級:(1)地質(zhì)災(zāi)害危險性大;(2)地質(zhì)災(zāi)害危險性中等;(3)地質(zhì)災(zāi)害危險性小。

地質(zhì)災(zāi)害危險性大,指場地存在各類不良工程地質(zhì)現(xiàn)象,并且已發(fā)生過嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害,場地穩(wěn)定性差,工程建設(shè)會受到地質(zhì)災(zāi)害的危害,或工程建設(shè)必然會誘發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

地質(zhì)災(zāi)害危險性中等,指場地存在不良工程地質(zhì)現(xiàn)象,場地穩(wěn)定性較好,但當(dāng)場地條件稍有變化就可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,在工程建設(shè)中宜采取一定的措施進(jìn)行防范。

地質(zhì)災(zāi)害危險性小,指場地穩(wěn)定性好,地質(zhì)環(huán)境條件沒有重大變化,不會發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,工程建設(shè)不會受到地質(zhì)災(zāi)害的危害,也不會誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

3.1.1 地質(zhì)災(zāi)害危險性現(xiàn)狀評估

地質(zhì)災(zāi)害危險性現(xiàn)狀評估即對樞紐建筑區(qū)、建材開挖區(qū)、場內(nèi)公路區(qū)、堆渣區(qū)、水庫區(qū)、移民搬遷新址及生活營地區(qū)等不同部位的地質(zhì)災(zāi)害類型、發(fā)育特征及危險性現(xiàn)狀進(jìn)行全面評估,劃分地質(zhì)災(zāi)害危險性等級,為后續(xù)處理收集第一手資料。

3.1.2 地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測評估

地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測評估主要指對水電工程建設(shè)誘發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害危險性的預(yù)測。水電工程在建設(shè)過程中和建成運(yùn)行后,包括庫區(qū)范圍內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境,特別是水文地質(zhì)條件、巖土體原有的力學(xué)平衡狀態(tài)將會隨之改變,這些改變可能誘發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害,主要表現(xiàn)為滑坡、崩塌、河岸坍塌、人類工程活動誘發(fā)的滑塌失穩(wěn)、浸沒、壩基滲透穩(wěn)定問題等。應(yīng)根據(jù)工程建設(shè)特點(diǎn)、評估區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、主要工程地質(zhì)問題的性質(zhì)特征及承災(zāi)對象,進(jìn)行預(yù)測評估,并提出有針對性的處理措施。

由于地質(zhì)體的復(fù)雜性、天然性及不均勻性,加之水電工程的建筑物種類多、場地范圍大,在進(jìn)行預(yù)測評估時,需綜合分析、研究地質(zhì)條件與建筑物相互作用下可能誘發(fā)并遭受的各類地質(zhì)災(zāi)害。除對滑坡、崩塌、泥石流等進(jìn)行預(yù)測評估外,對重點(diǎn)地段,如壩基(肩)邊坡、明渠(引渠)邊坡、隧洞的進(jìn)出口邊坡、土石料場開挖邊坡等地段易誘發(fā)滑坡、崩塌的災(zāi)害;在隧洞的淺埋段可能引發(fā)并遭受冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害;在隧洞的深埋段堅硬巖可能引發(fā)巖爆、軟巖可能引發(fā)巖體大變形等地質(zhì)災(zāi)害;水庫蓄水后可能導(dǎo)致水庫誘發(fā)地震、滑坡涌浪、庫岸再造、水庫滲漏與浸沒等地質(zhì)災(zāi)害;棄渣處置不當(dāng)可能誘發(fā)泥石流、滑坡災(zāi)害;隧洞尤其是在可溶巖地區(qū)及構(gòu)造發(fā)育區(qū)的長引水隧洞的開挖產(chǎn)生突水、突泥將導(dǎo)致水文地質(zhì)條件的改變,影響隧洞上部及周邊居民生產(chǎn)、生活環(huán)境的變化;開挖爆破振動,可能導(dǎo)致周邊山體的失穩(wěn)或居民點(diǎn)地基、斜坡開裂等;均應(yīng)深入進(jìn)行分析、評估。

如果在前期探勘中及早認(rèn)識到工程誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害危險性,并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施,就能在施工階段避免重大損失。如瀑布溝水電站加里俄呷塊石料場位于壩址左岸上游約 4km的加里俄呷溝口公路一帶,其中塊石料系澄江期中粒花崗巖,分布高程800～1100m,地形平均坡度50°,表層局部有2～4m崩坡積之塊碎石(土)覆蓋;巖石主要受四組裂隙切割,巖塊大小以0.4～0.8m為主。該料場本身為崩塌危巖體,邊坡穩(wěn)定性較差,但由于在可研階段就準(zhǔn)確預(yù)測到開挖后可能產(chǎn)生的開挖邊坡的塊體失穩(wěn),誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害可能性大,危險性大,在施工階段就采取合理措施,故未發(fā)生工程事故。

3.1.3 地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合評估

地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合評估主要指根據(jù)水電工程壩區(qū)、庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征,人類工程活動情況及建設(shè)工程的重要性,綜合考慮工程建設(shè)可能誘發(fā)、加劇地質(zhì)災(zāi)害的可能性,工程建設(shè)本身可能遭受地質(zhì)災(zāi)害的危險性,對整個壩區(qū)、庫區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)。

3.2 地質(zhì)災(zāi)害的防治措施

根據(jù)現(xiàn)狀評估和預(yù)測評估的結(jié)果,按整個工程區(qū)內(nèi)不同災(zāi)種和危險性提出相應(yīng)的防治措施。地質(zhì)災(zāi)害的防治應(yīng)貫徹“以防為主,防治結(jié)合”的原則,以達(dá)到保護(hù)地質(zhì)環(huán)境,避免和減少災(zāi)害損失的目的。對于分布范圍廣、危害程度大的災(zāi)害,工程布置應(yīng)采取繞避原則;受經(jīng)濟(jì)、人為、地形要素控制,工程建筑必須通過地質(zhì)災(zāi)害區(qū),則應(yīng)采取避重?fù)褫p,盡量減少其影響和根據(jù)不同災(zāi)種選擇有利的通過位置和合理的通過方式,并應(yīng)在采取必要的防護(hù)治理措施后通過的原則。下文主要介紹崩塌、危巖、落石,水庫坍岸,邊坡失穩(wěn)、滑坡,泥石流的防治措施。

3.2.1 崩塌、危巖、落石等災(zāi)害的防治措施

對評估區(qū)內(nèi)崩塌、危巖、落石危害性大的路段,公路建設(shè)中應(yīng)采取繞避或以隧道通過的方式予以避開。在設(shè)計中,應(yīng)采取刷坡清除、鑲補(bǔ)勾縫、加固支檔、修筑攔石墻和排水等措施;在施工過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制爆破用藥量,分級開挖及時支護(hù),發(fā)現(xiàn)危石及時清除或支撐加固,對影響斜坡穩(wěn)定性的巖體空洞、裂隙及時鑲補(bǔ)勾縫、攔截疏導(dǎo)斜坡地表水和地下水。

3.2.2 水庫坍岸的防護(hù)措施

水電站蓄水后水位抬高,將影響兩岸分布的滑坡、崩塌等松散堆積物的穩(wěn)定性。在邊坡防護(hù)設(shè)計中,可采用干砌片石護(hù)坡、擋墻、拋石或干砌片石與擋墻相結(jié)合的庫岸防護(hù)或路基防護(hù)措施。對有居民和農(nóng)田分布的地段,建議居民后撤至塌岸影響區(qū)以外,并采取防護(hù)堤等工程措施和生物措施,同時禁止一切破壞岸坡的人類工程活動。

3.2.3 邊坡失穩(wěn)、滑坡的防治措施

斜坡挖方地段,由于受堆積體的物質(zhì)組成、巖體中結(jié)構(gòu)面組合及巖層傾向等影響,施工中或工程建成后仍可能產(chǎn)生邊坡失穩(wěn),引發(fā)滑坡與崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,其規(guī)模和危害程度與開挖邊坡的高度和坡度等有關(guān)。

在具有高、中危險度的工程高邊坡段,應(yīng)采用設(shè)臺階及適當(dāng)放緩邊坡坡度、全斷面邊坡噴錨支護(hù),或采用下?lián)跎献o(hù)措施,必要時采用預(yù)應(yīng)力錨索加固;在具有低危險度的邊坡段,可采用坡面防護(hù),下設(shè)擋墻、腳墻的防護(hù)措施。上述地段尚應(yīng)做好防水、排水工程,避免地表水滲入巖土體內(nèi)。在斜坡地帶坡積層上填方加載時,可能會導(dǎo)致坡積層沿下伏基巖面滑動,對此可采取路堤擋土墻、路肩墻防治,擋墻基礎(chǔ)宜深入基巖一定深度。對邊坡有危巖、危石分布的隧道進(jìn)、出口地段,應(yīng)視情況采取預(yù)先清除、支護(hù)、加固、錨固、網(wǎng)固等措施。

對于路線通過的滑坡地段,首先應(yīng)消除和減輕水對滑坡的危害,采取攔截或引排措施將影響斜坡穩(wěn)定性的地表水、地下水引、排出滑坡體外,必要時采取支撐滲溝和排水隧洞引排埋藏較深的地下水。其次是在必要時采取支與擋、減載與反壓等措施改善滑坡體力學(xué)平衡條件,減小下滑力,增大抗滑力,確?；路€(wěn)定。在施工過程中,應(yīng)嚴(yán)格按照施工程序施工,優(yōu)化邊坡開挖方法、控制爆破等。

3.2.4 泥石流災(zāi)害的防護(hù)措施

對泥石流的防治原則應(yīng)以防為主、防治結(jié)合。

(1)預(yù)防措施:對于與工程直接相關(guān)的泥石流溝,一是在工程可行性研究階段,認(rèn)真做好泥石流的辨識工作。就公路建設(shè)而言,根據(jù)通過泥石流地區(qū)的選線原則,選擇最佳的路線方案。二是采用恰當(dāng)?shù)墓こ檀胧┩ㄟ^泥石流溝。根據(jù)本地區(qū)泥石流溝的特點(diǎn),公路通過泥石流溝時,只宜采用橋梁工程跨越,橋長應(yīng)足夠,宜采用大跨度,留足橋下凈空,避免在溝槽中心設(shè)置橋墩。三是采用生物防治措施,采用封山、育林與合理耕收相結(jié)合的方法,通過控制地表徑流,防止坡面侵蝕,達(dá)到根除泥石流災(zāi)害的目的。

(2)治理措施:結(jié)合本地區(qū)特點(diǎn),應(yīng)選用固穩(wěn)、擋儲、排導(dǎo)等措施,禁止隨意亂堆亂棄,特別是嚴(yán)禁在主溝槽內(nèi)堆放棄渣,以防棄渣增大泥石流量。盡量少占壓河床,并加強(qiáng)導(dǎo)流工程。對橋臺錐體要加強(qiáng)防護(hù)。

3.3 預(yù)報預(yù)警與應(yīng)急預(yù)案

建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警系統(tǒng),制定地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急及處置預(yù)案,這一措施在地質(zhì)災(zāi)害處理過程中的重要性不言而喻。在雨季等特殊情況下,對地質(zhì)災(zāi)害危險部位提前預(yù)警,撤離人員、設(shè)備,能最大程度地降低地災(zāi)損失。地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置的整個過程突出體現(xiàn)為防災(zāi)、減災(zāi)的實時性,避免貽誤減災(zāi)時機(jī),努力把人員傷亡和災(zāi)害損失降低到最低程度。

4 小 結(jié)

綜上所述,地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險對水電工程有巨大的影響,這就需要我們正確認(rèn)識風(fēng)險,采取合理的措施積極應(yīng)對。