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边坡失稳对小水电工程的影响与泥炭有着特殊的关系

   日期:2012-10-03     来源:泥炭网    作者:神农    浏览:1286    评论:0    
核心提示:苏格兰公路系统多数边坡的失稳和爱尔兰风能电场工程施工期间的泥炭层失稳的结果都被认为是与新的水电工程的开发和建设有关。在现有的PPGl4指导方针下,对作为规划许可的一部分,稳定性评价的需求可能要更加强力地应用于新开发项目,本文讨论了一些对于完成综合稳定性评价所必需的输入内容。文章提出了与泥炭稳定性有关的特殊问题、给剪切强度赋值的难度问题以及与排水系统和施工关联的问题。得出的结论是:边坡稳定性尤其是泥炭稳定性问题必须在详细设计之前考虑。更适宜作为前期规划设计工程的一部分。

苏格兰公路系统多数边坡的失稳和爱尔兰风能电场工程施工期间的泥炭层失稳的结果都被认为是与新的水电工程的开发和建设有关。在现有的PPGl4指导方针下,对作为规划许可的一部分,稳定性评价的需求可能要更加强力地应用于新开发项目,本文讨论了一些对于完成综合稳定性评价所必需的输入内容。文章提出了与泥炭稳定性有关的特殊问题、给剪切强度赋值的难度问题以及与排水系统和施工关联的问题。得出的结论是:边坡稳定性尤其是泥炭稳定性问题必须在详细设计之前考虑。更适宜作为前期规划设计工程的一部分。

0引言

小水电工程开发商们需要关心边坡失稳的问题吗?大多数土木工程开发商在工程开发的某些阶段或时期,考虑边坡稳定性问题。少数开发商忽视潜在的问题,或者不考虑这些问题,他们也可能幸运地在没有发生严重问题的情况下,在初始设计的场址上完成了工程。然而,如果发生塌方或边坡失稳,补救措施总是既费时又花费昂贵,甚至,某些情况下可能导致工程废弃。

在许多案例中,如果你想要找的话,潜在的边坡失稳是能够明显地发现的。一般地,根据案头研究和初步实地踏勘,是可以评估边坡失稳的风险的。施工前期阶段,在没有蒙受巨大损失的情况下进行设计变更通常是可以的。然而,一旦施工已经开始,设计变更所产生的工程费用就会变得相当昂贵。本文从边坡失稳和如何可以避免着手,重点突出可再生能源工程(例如,小水电站)的风险。提出如下关键问题:

1)边坡稳定的重要性;

2)边坡失稳可能产生的影响性?

3)怎样去识别潜在的边坡失稳?

4)边坡失稳可以避免吗?

其他背景性问题,如“关于边坡失稳的机制和关系是什么?”也将讨论到。

1边坡稳定的重要性

应该考虑到边坡失稳对开发商、社会和环境造成的影响。在这方面,设计者和规划当局应该有相同的目标,虽然边坡失稳并不总是发生。

最近,多数边坡失稳影响到苏格兰的公路系统和爱尔兰的Derrybrien风能电场的工,这事件已经引起了规划当局的关注,今后在“高地”地区任何形式的开发都要经过申请。特别地,规划当局现在对边坡失稳可能造成的环境和经济影响已有充分的认识。独立的调查报告证实:在高地地区,对潜在的边坡失稳问题采取详细的风险性评价是很重要的。现在,这些问题对规划当局来说是主要考虑的问题。在水电施工或生产场地发生较大的塌方,会影响到引水坝、管线或发电厂房,导致可能的工期延误、洪水泛滥、重新设计、重新施工、环境污染和额外的损失。

在英国,所有的风电场规划批复,现在均需要一份“泥炭稳定性评估”报告(或者证明风电场不是修建在泥炭之上),相信类似的条件也会应用于新的水电工程中。在英国对所有新开发项目都有现存的要求,在14号规划政策指导性说明中——“开发不稳定土地”(PPG14),边坡稳定性被看作是开发的一部分。

PPGl4罗列出的一系列导则,用于计划在不稳定土地上的项目开发。导则把地表失稳归纳为三大类,由下列原因引起,

1)地下溶洞;

2)不稳定边坡;

3)诸如泥炭土和冲积层等松散堆积体的地表压缩。

因而,对水电工程或风能电场工程的评价应考虑根据地质、边坡坡度和土壤类型或者上述组合,对不稳定性地层的预处理。

2边坡失稳的后果

自然情况下,水电站通常修建在年降雨量较多的山区,通常这些偏僻的地区,没有容易的接近办法去进行初始勘察或施工。此外,它们也许是某地区著名的自然风景区。这些因素使得对潜在边坡失稳的早期评价相当困难。然而,只有通过早期风险性鉴定,才能使任何必要的设计变更所造成的附加成本降到最低。

施工期间塌方的后果最多是延迟施工计划,这会导致收入降低。任何一部分基本设施的重大破坏都可能需要重建或重新设计,且伴随着各种花费。

电厂运营期间的塌方可能会破坏或摧毁任意一部分的基础设施,从而导致巨大的资产损失和收入的降低。

 

 

 

围1臂道破裂引起侵蚀的实例

 

图l显示了受损的800mm管道。这种特殊的实例不是边坡失稳造成的结果。上述破裂的管线大约有700 m长,并伴有20 m高的水头,滑坡是由于管道及前池中的水引起的。由于管道没有紧急关闭闸阀,水流长时间冲刷,从而产生了如图1中所见的大量的侵蚀,而且所有的土石废墟被冲蚀到下游大约一英里处的滨海湖中。

图2显示的是流入一条河流的泥石流末端的照片,其对面是发电厂尾水渠;泥石流起源于大约600m高的山脉中,并使经济林造成一条带状破坏。下游较远处的桥梁截留了大量的木料,导致河流回冲相当远的距离。

图2中的泥石流发生于2004年的夏季洪水中,当时,许多泥石流穿越苏格兰袭击了苏格兰第一公路系统。

通常,边坡失稳不仅影响到最近的施工场地,而且影响到河流以及河流下游的环境。这些影响可能还包括自然生态和商业运营,如养鱼场——依靠的是低悬浮颗粒的清水。由于混浊的水源造成的一个养鱼场的资本损失总计可能达到几十万英镑。

 

 

 

图2发电厂房对面的泥石流痕迹

 

3如何避免边坡失稳

克服滑坡风险的最好办法是辨别和避开那些区域——即对坡身不稳可能需要预处理的区域。这需要弄清可能导致塌方的复杂的相互关系。

边坡失稳在很大程度上是一种自然现象,不需人类干预而发生的物体移动;然而,当人类活动牵涉进去后,失稳的风险或可能性将明显增大。绝大多数塌方没有人类的干预,这种干预可以被看作是引发边坡失稳的触发器,当考虑站址对潜在失稳的敏感性的时候,应当牢记这种干预可能产生的影响。

在确定某场地是否可能易受边坡失稳影响方面,有多个确认阶段。对任何开发和地面调查,以下为已制定的非常好的导则:

1)案头研究——检查所有有用资料,尤其是详细的地图。

2)对站址周边、进厂公路、引水坝管路、发电厂房和上、下游地区所有永久性和临时性建筑物进行实地调查。

3)检查案头研究和实地凋查以便确定是否有遗漏资料,然后设计一个深入性调查站以便确定设计构想。

4)深入性调查——根据实际报告作试验坑、钻孔、探查和测试研究。

5)对开挖、围堰、进厂公路、大坝、管道路线和发电厂作解释性报告和工程地质设计。一个非常重要的提示是,临时性工程的设计也必须考虑这些,因为它们通常是引发滑坡的原因。

在避免边坡失稳中,一个非常重要的要素是了解排水系统、气候、农业、地形和失稳机制之间的关系。其中,失稳机制将在下面进行讨论。

4边坡失稳机制

根据是否含有矿物成分.边坡失稳广义地划分为岩石边坡失稳或工程土边坡失稳。在苏格兰高地地区,工程土失稳是塌方最普通的原因,像自然的岩石掉落是比较稀少的现象。根据苏格兰关于塌方的执行报告。工程土主要描述如下:

1)泥石流——是细粒矿物(粘土、淤泥和砂)和粗粒矿物(砂砾、卵石和大圆石)与水的混合物。水的含量非常重要,因为水常常引发失稳,决定流速、能量和侵蚀能力。高水含量泥石流被描述为水泥浆,具有很高的流速,能够产生破坏。

2)泥炭失稳的主要类型

①泥炭地爆发或泥炭地流动——来自泥炭地表层的已分解的、无定形泥炭以流体形态出现,紧接着泥炭表层残余物在原地沉淀下来。

②泥炭滑动——泥炭与下层土壤地基接触面上或接触面以下的泥炭帅稳,导致表面分离的植被块体与其下伏整个泥炭层之间的转换滑动。

③泥炭地滑动——为泥炭失稳的中间类型。失稳发生在表层,在泥炭块体内部,大量的表层植被由于流态泥炭块的运动而被携带着运动。

泥炭是一种特殊形式的工程土,具体描述见附录A。

5稳定性评估需要考虑的因素

虽然关于泥炭真正的失稳机制还没有完全被了解,但是有相当多的泥石流和泥炭流观察资料。影响边坡稳定性的因素主要有:地质、工程地质、地貌、水文、地形、气候、农业和人类活动的影响,如排水和施工活动。改变上述列举的任意一种因素,涉及的两种类型土——即未固结沉积物和泥炭都会受到一定程度的影响。而且在施工和工程运营期间,改变现有的平衡状态将会在一定程度上影响边坡稳定性,这一点至关重要。

对于一般边坡和特殊情况下的泥炭失稳,有些作用因素讨论如下:

1)设立可能受到潜在失稳的侵袭的地理界限。这些界限不限于土地所有者拥有的人工边界:塌方一旦发生于上述某场地,将会影响该场地边坡下或下游几公里地方和财产安全。

2)农业对泥炭地区有较大的影响,通过采取措施来改善牧草。这些措施包括地表排水和定期燃烧,两者都能够使泥炭表层暴露在外一段时间,从而导致泥炭表层暂时干燥。随后的泥炭变湿和堆积物继续积聚导致前面的干燥表面与泥炭结合为一体,这可能引入不连续剖面;这种现象依次下去,会变成稳定性评估的另一个未知因素。

3)森林地对边坡稳定性有重要的影响作用,尤其是在森林成林的早期阶段,森林的建立包含了自然平衡的破坏、边坡排水和由深耕安设的人工排水沟。公路的施工进一步破坏排水系统,并把地下水流集中形成狭窄的、快速流动的侵蚀溪流。怀特等人的研究工作指出,森林公路能够起到阻碍或集中下游边坡水流,因而帮助水流渗透到边坡下面。这样的机制是通过观察最近大量的塌方(塌方侵袭了英格兰公路系统)而获得的。

4)自然排水系统——自然高地泥炭沼会吸收所有降在其上的雨水,并以某种控制方式,通过一系列以不同规模和速度运转的相互关系,把水输送到较低一级边坡。不能明白这一点并破坏地下水传输路径可能导致边坡失稳。

5)人工排水系统——农业排水系统被用来改善牧草质量或提高林产,减少所有水量进入泥炭地,且把水转移到边缘地带。这样会导致沟渠和溪流扩大,从而引起侵蚀加剧以及溪水中携带泥沙的增多。

6剪切强度

在工程地质术语中,土壤剪切强度是提供土壤稳定性和凝聚性的物理特性。对于像粘土或砂的矿物土,这种强度明显是由颗粒间的摩擦力和粘结力来赋予的。根据矿物土是否以粘性的(粘土)或是非粘性的(砂)为主,来决定控制着土壤的行为强度成分。

对于泥炭,其主要组分是有机质,可能有很少的或没有矿物成分,工程地质定义的剪切强度严格地讲不是很适用。目前,没有其它选择方法去定义泥炭的剪切强度,因而工程地质定义的剪切强度通

常被采用,在学术上,应该小心地使用它。

预测泥炭中的剪切强度剖面几乎是不可能的,使用正常的工程地质办法去测量剪切强度可能令人误导。根据手提式剪切仪,剪切强度标准值范围应该是在20 kPa-60 kPa之间,虽然超过100 kPa的强度值曾经在泥炭中测到过。较高强度值差不多肯定是受植被根系或其它未分解矿物的影响。

7稳定性分析

边坡稳定性依靠土壤剪切强度来抵制土壤重力产生的破坏力、地下水的影响和其它破坏影响力。

正常情况下边坡稳定性程度是参考安全系数来评估的,在数值上,安全系数被表达成可靠度——在给定条件下,用来防止特殊的失稳机制发生。一般地,安全系数是以失稳荷载与使用期实际作用荷载间的比值来表示。这对于某种类型的分析是很容易确定的(如极限平衡边坡稳定性分析)。

应用工程地质数学方法,能够确定特定条件下的安全系数(FOS)。

定量化评价问题需要数值输入,对于复杂的泥炭稳定性评价,分析不能解决无法量化的输入。基于这种原因,某种纯粹地定量化稳定性分析仅仅应看作是一种指导,定量化稳定性评价应该用来提供最后的参考建议。

分析假定失稳将发生于接近平行地面的某一平面上.计算机程序一般用来搜索其最小值。采用10 kPa一样低的非排水剪切强度得到的泥炭稳定性分析结果会给出不符合实际的、很高的边坡安全系数,已知这样的边坡已经发生失稳。因此,我们可以推断,结合手提剪切试验所确定的剪切强度,标准的、严格的工程地质数值稳定性分析不一定能对现在或将来的泥炭土稳定性给出一个可靠的指示。

现在,测量剪切强度没有任何选择,因为采回实验室测试的样品由于采样、运输和试验制度而受到改变。没有办法说明泥炭真实强度的结果。因此可以推断,泥炭稳定性的定性评估是首选办法,这是因为认识到定量评估需要开发出一套平衡合理的结论来。

根据上述讨论,很明显泥炭的稳定性评价是复杂的且没有得到完全理解,所有影响因素的定位和影响效果都应该考虑到。

8结论

山体滑坡是常常能够预测的自然发生的现象。施工活动能够加剧潜在失稳,换句话讲,采用不适当方法施工会使得其它稳定边坡开始发生失稳。

必须研究地形学、地质学、排水体系、气候和施工的影响以及它们的相互关系,目的是对特殊站址的合适性作出评估。进行评估时,地质工程师应该成为设计团队中的一员,以便确保文中所说的管道线路布置变化不会导致可能的失稳。

引起苏格兰大部分公路系统关闭的山体塌方发生在8月强烈降雨期;很明显,夏季末是非泥炭地区边坡失稳的高发时期。全球变暖预测内容之一是冬季更加潮湿与夏季更加干燥频繁出现,并伴随着更加强烈的暴风雨。

泥炭土是特别难以处理的物质,正常工程地质强度评价不能起到很好的评价作用,稳定性分析结果显示某地区的为稳定性边坡的地方却已发生了边坡失稳。由于这种原因,泥炭稳定性分析应该基于定性评价基础之上.数值稳定性分析是许多有用的因素之一。

潜在边坡失稳尤其是泥炭失稳,被认为是成功开发水电工程的关键所在,作为前期规划设计工作的一部分应该充分引起注意。然后随着详细设计工作的开展,地质工程师可以评估由于设计和管线排列变化对稳定性可能造成的影响。

附录A 泥炭

泥炭被发现广泛分布于英国、爱尔兰、西欧和加拿大等地区。它被定义为部分已分解的植物残余物在原地堆积,而不是沉积。当植物死亡泥炭形成时。死亡的植物没有完全腐烂掉。它们的残余物质由于经常降雨而被雨水淹没。雨水淹没的结果就是把残余物质与空气隔绝,因而限制了其分解的程度。因此,部分已分解的物质没有分解成二氧化碳和水,而是聚集在一起形成泥炭基础物质,从而泥炭在原地“生成”。

泥炭的特征是低密度、高含水量、可压缩性高和低剪切强度等,所有这些与植物的分解程度和残余结构构造有关。在某种程度上,正是这种结构影响了系统中的水分保持和排泄,可以把一种泥炭与另一种泥炭区分开采。

泥炭几乎完全是有机物质,在正常的工程地质公认定义中没有剪切强度。正因为这样,泥炭可能或会在非常低的坡度下失稳。

泥炭地中有两层明显分层,上面的Acrotelm层和下面的Catotelm层。Acrotelm层是泥炭地纤维表层,典型厚度0.5 m,在干旱的夏季Acrotelm层存在于泥炭地表面和最底水位面之间。Acrotelm层上表面就是泥炭地表层,包括生长的植物体。Acrotelm层下面是各个时期的植被分解物,慢慢地堆积成的泥炭体。 Acrotelm层包含一系列被活的植物根系包围着的植被物质,活的植物根系能提供很大的抗张强度。接近物质表面也具有很高的渗透性,这可能让人产生误解:泥炭整体具有很高的渗透性。Acrotelm层越深,分解程度越大;由于上覆物质盖重,植物根系和纤维被压缩得较为紧密,导致渗透性下降。

大部分厚度大于1.0m的泥炭地都有Catotelm层,该层由完全饱和的、高分解物质组成,其剪切强度和渗透性都很低。Catotelm层可能包含由土壤微细管道组成的自然排水系统.土壤馓细管道可能直接或间接地与表面连接。

泥炭剪切强度标准测量方式是在试验坑中用手提式剪切仪原地测量。仪器记录的是非排水状态下物质的剪切强度,对于渗透性较低的工程土,人们认为该方法对强度偏差和一致性能给出合理的近似值。应该注意的是,手提式剪切仪趋向于过高评价实际的剪切强度,这是因为小尺寸仪器和泥炭纤维对记录到的强度有或多或少的影响。因此,现实中应用于任何稳定性分析的剪切强度参数都应该对手提式剪切仪所记录的数据进行降级。

张德圣译自英刊《水力发电与坝工建设》 2006年第10期

 
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