第10卷《边坡工程与地质灾害防治》编写说明

冯树荣　彭土标

1　本卷与第1版《水工设计手册》相关内容的比较

《水工设计手册》(第2版)第10卷《边坡工程与地质灾害防治》共分5章，主要内容为:“岩质边坡”、“土质边坡”、“支挡结构”、“边坡工程动态设计”和“地质灾害防治”。与第1版《手册》相比，本卷属新增加的一卷，除将第1版第7卷《水电站建筑物》第36章“挡土墙”中的内容作为第3章的第1节保留下来并作了适当修订外，其余均为新编章节。

2　编写本卷的目的

之所以增加本卷，主要是由于第1版《手册》出版以来，我国的水利水电工程建设事业取得了巨大的成就，在进行三峡双线5级船闸建设中，在龙滩、小湾、天生桥二级、拉西瓦和锦屏一级等水电站的勘测设计和建设过程中，均遇到了越来越复杂的边坡稳定问题，依托这些工程也进行大量的科学研究和技术攻关，在各类不同边坡的变形破坏机制、稳定性分析方法、加固处理措施和手段，以及边坡变形监测等方面均取得了丰硕的成果;同时，在几乎所有的水利水电工程建设中，边坡的稳定问题及对工程的影响始终存在，是需要认真研究解决的工程建设问题之一，而且，随着今后我国西电东送接续能源基地和西部大开发战略的进一步实施，在水利水电工程建设中仍将遇到越来越多的边坡稳定分析和治理问题。此外，近年来颁布实施的《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353—2006)和《水利水电工程边坡设计规范》(SL386—2007)，是经过多年工程实践和经验的总结，也有必要对如何正确把握和使用这些规范进行细化。因此，为了更好地总结边坡设计和治理经验，反映设计中涌现出的各种新方法、新科技成果和新技术，《水工设计手册》(第2版)编写委员会及手册的主编们考虑，新增第10卷《边坡工程与地质灾害防治》。希望其出版能起到抛砖引玉和拾遗补缺的作用，能成为水利水电系统从事工程规划、勘测、设计、科研、施工、管理技术人员的常备工具书和大专院校相关专业师生的重要参考书。

3　本卷在内容取舍方面的考虑

本卷内容在取舍上，主要考虑以下方面的因素:

从边坡岩体结构上看，大致可将边坡分为岩质边坡和土质边坡两大类，它们在工程地质勘察方法、变形破坏机制、物理力学参数的选取、稳定性分析计算及工程处理措施上均有较大的差异。因此，首先分列出“岩质边坡”和“土质边坡”两章进行编写。

在边坡处理的具体手段上，无论是岩质边坡还是土质边坡均会在不同的边坡处理上使用预应力锚索、抗滑桩、锚固洞及挡土墙等各种工程措施。因此，将各种边坡加固处理措施单独构成“支挡结构”一章。

边坡的稳定性既受边坡岩体结构、变形破坏模式、滑动面或潜在滑动面的影响，又受构成滑动面或潜在滑动面的力学参数的影响，还有各种不同滑动面或潜在滑动面的空间组合形式及其连通率、边坡中水的活动及爆破振动的影响等。总之，影响边坡稳定的因素十分复杂。已有的边坡设计经验表明，一个好的边坡工程设计和治理，离不开对边坡的变形监测。通过边坡的变形监测，可对边坡深部和表部的变形有一个比较清楚的认识，便于根据监测资料，不断调整、完善边坡设计和治理，满足边坡安全稳定的要求。因此，边坡监测的相关内容就成为单独的一章。鉴于本手册的第11卷为《水工安全监测》，为与第11卷的内容相区别，本章取名为“边坡工程动态设计”。对边坡工程动态设计，虽目前尚未形成完善的理论与方法体系，但第4章对边坡工程动态设计的最新研究成果进行了总结。

鉴于我国地质灾害频繁发生，分布广泛，且水利水电工程建设过程中，也时常遇到各类地质灾害的威胁、甚至造成人员伤亡与财产损失。为科学地防治地质灾害，最大限度减少地质灾害对水利水电工程建设的影响，需对遇到的各类地质灾害进行治理，保证工程安全。根据2008年2月在北京召开的《水工设计手册》(第2版)编委会扩大会议纪要的精神，本卷需增加“地质灾害防治”的相关内容成为第5章。地质灾害种类繁多，既有如暴雨和龙卷风等气象方面的，也有发生地震时产生及其引发的次生灾害，更多的是与地质有关，或地质因素与其他因素综合作用的结果。经慎重考虑研究，本手册不可能对各种灾害的防治做到面面俱到，只能是挑几种常见且在水利水电工程中常遇地质灾害的防治内容进行编写。为此，在前期编写策划过程中，遴选出了滑坡、崩塌和泥石流三种常见的地质灾害进行编写。

考虑到2008年5月12日四川汶川8.0级特大地震造成大量滑坡、崩塌堆积体堵江形成的大量堰塞湖，对包括唐家山在内的堰塞湖进行了应急治理和永久治理。因此，在2010年11月的《水工设计手册》(第2版)第10卷的审稿定稿会上，《手册》编写委员会委员和审稿专家们又提出增加“堰塞湖”处理的相关内容。

在“岩质边坡”和“土质边坡”两章中均会涉及滑坡的滑速计算和水库滑坡涌浪高度的估算。为减少内容的重复，将这部分内容统一放在第2章“土质边坡”中。

应该指出的是，在《手册》的编写过程中，对滑坡这部分内容的安排和处理上很为难，在本《手册》中也有些内容上的重复。因为，在“岩质边坡”、“土质边坡”以及“地质灾害防治”中，均涉及滑坡的相关内容。希读者在使用时注意这个问题。

4　边坡工程与地质灾害防治的技术发展方向

(1)倾倒、松动类变形边坡稳定性计算及其安全标准判断是目前岩质边坡分析中遇到的技术难题之一。

对这类潜在的不稳定边坡，既有比较连续潜在滑动面的边坡，也有还没有形成连续潜在滑动面的边坡，但这类边坡却经常处于明显的变形阶段。按目前已有的边坡设计规范，对不同类型的边坡均有不同的安全系数标准控制，而如采用传统的刚体极限平衡法计算其安全系数，不仅潜在滑动面的力学参数难于取得，就是计算所得的安全系数值也与实际差别较大，也难以提供边坡治理所要达到的标准。目前对这类边坡，往往是在进行刚体极限平衡法研究的同时，还采用有限元数值分析法对其应力、变形等进行分析研究，综合评价边坡的稳定性及其治理标准。今后，不仅需要研究提出针对不同类型变形边坡的分析计算方法，还需对其安全控制标准及其评价体系进行系统的研究。

例如，西北某水电站坝前边坡，经勘探查明，坡体内无较大规模、连续的潜在滑动面，边坡以倾倒变形为主。但坡顶表部个别变形监测点的累计变形近40m，边坡仍在变形，也未发生大规模的快速滑动或解体。对该边坡的稳定性分析计算方法、边坡安全度及治理后所需达到的安全控制标准问题就是遇到的难题之一。

(2)地震动荷载在边坡稳定性分析计算中如何合理加载，以及地震动随高程增加的放大作用如何考虑等问题是今后技术研究的发展方向之一。

众所周知，目前地震对边坡的作用主要有两种考虑方法，即拟静力法和动力有限元分析法。拟静力法是对地震荷载作一种极端情况的处理，即认为边坡不同高程滑动块体地震峰值加速度均为设计拟定值，而在实际地震荷载作用过程中，边坡不同高程滑块地震加速度并非同时达到极值。这种处理方法往往会夸大地震动对边坡的作用，将原本处于稳定状态的边坡误判为不稳定的边坡，从而增加了边坡的处理工程量。动力有限元法在某种程度上可以获得地震荷载作用过程中边坡的动力响应特征和变化规律以及稳定性系数的波动过程，是近年来应用广、发展快的方法。但如何考虑地震加速度沿高程的放大效应，无论是实际经验还是试验研究都比较少，是今后技术研究解决的方向之一。

岩质边坡开挖施工期间爆破振动对边坡稳定性的不利影响是不言而喻的。如漫湾水电站左坝肩施工期10万m3的滑坡，就是由于开挖时炸药爆破所诱发的。如何在边坡稳定性分析计算时合理确定爆破所产生的动力荷载，也有待今后进行系统的研究。

(3)高速滑坡的形成机制、滑速和涌浪高度的计算仍是今后水利水电工程界需深入研究和解决的重大技术问题之一。

自1963年意大利瓦依昂水库滑坡之后，引起了人们对高速滑坡的研究热潮，多年以来，人们一直在探索高速滑坡的发生机理，也提出了许多高速滑坡运动机理的假说。如有效应力降低机制、摩擦转化机制及能量转化机制等。在滑坡界或在水利水电工程界，也时常遇到边坡的高速滑动问题，甚至给工程造成人员伤亡和财产损失。当工程上面对一个潜在失稳的边坡时，首先就要正确判断其是否会发生高速滑动以及高速滑动后对工程可能造成的影响。尽管目前工程界对边坡是否会产生高速滑动有些共识，但要真正对其形成机制在理论上作出合理的解释，仍有许多课题需要研究解决。因此，高速滑坡的形成机制也是一个今后需研究的技术难题之一。

水库蓄水后，有些近坝库岸边坡可能发生高速滑动，引起的涌浪可能对电站安全运行构成重大威胁。为较合理预测滑坡涌浪高度，首先就要预测滑坡的最大滑速。近年来人们探索了多种高速滑坡滑速的计算方法，主要有潘家铮法、能量法、美国陆军工程师团法等。但在滑速估算和涌浪分析中，许多因素难以精确确定，对许多边界条件均进行了假设和简化，与实际情况均有较大的偏差。水库岸边滑坡产生的涌浪是一个非常复杂的问题，库区发生滑坡时，坝前涌浪的大小与滑体入水方量、滑坡体距大坝的距离、滑体下滑速度、滑体滑动方向、滑体入水断面几何形状，以及水库水深等因素均有很大关系。高速滑坡的滑速和涌浪高度计算是今后边坡技术研究的发展方向之一。

(4)泥石流危险性评价及其治理标准有待今后深入研究。

泥石流以其暴发突然、来势凶猛、能量巨大、冲击力强、破坏性大等特点著称，往往在顷刻之间造成人员伤亡和财产损失。我国西南地区泥石流发育。多数水利水电工程都修建在地形陡峻的山区，而水电站建设工程区的地形地貌往往又是泥石流孕育和活动的主要场所。泥石流灾害已成为水利水电工程建设中一个突出的问题。

在水利水电工程选址和建设过程中，如何对工程区内分布的潜在泥石流沟进行识别，对工程的布置和安全性具有重要作用。通常情况下，泥石流形成需要具备丰富的物质来源、陡峻的地形和水动力这三个基本条件。最难判断的就是水动力条件。有些潜在的泥石流沟，其植被茂密、沟口也很少有堆积物分布，不易被人觉察，但当遭遇罕见的大暴雨时，就会产生大规模的泥石流而酿成灾害。因此，正确识别泥石流沟及其活动性是水利水电工程避让和治理泥石流的重要步骤。

泥石流的一些特征值的计算成果是泥石流治理设计的重要参数。如泥石流流速、流量计算、泥石流中块石运动速度、泥石流冲击力计算等。而这些参数虽在一些规程规范中也能找到相关公式计算，但其影响因素多而复杂，具有较大的不确定性，计算所取得的参数与实际存在一定的差别，在设计中需给予注意，同时，对获取这些参数的计算公式也有待进一步研究和完善。

(5)堰塞湖溃坝形式及其溃坝洪水计算研究。

堰塞湖是河谷岸坡在内外动力地质作用下产生滑坡、崩塌等堆积物阻塞河谷，导致上游壅水而可能对人类造成威胁的湖泊。由于天然堆积的堰塞体结构疏松且不均匀，极易产生溃坝形成洪水，对下游造成灾难。

如何根据堰塞湖的成因、规模、堰塞体的物质组成判断堰塞湖坝的稳定性或溃坝的危险性是堰塞湖治理的首要任务之一。对分析判断堰塞湖坝可能产生溃坝的堰塞湖，尚需进一步分析研究堰塞坝的溃坝形式，是瞬间全溃、还是渐进式溃坝，拟或是部分溃坝。这要根据堰塞湖的成因、坝体组成物质的性状、密实度以及坝体渗水等情况综合判断。当然，如果时间允许，对堰塞坝开展地质勘察工作，了解堰塞坝的工程地质和水文地质条件，对堰塞坝的可能溃坝方式进行研究判断是十分必要的。

针对堰塞体开展的溃坝洪水研究又是堰塞湖研究治理环节中的重要一步。天然堰塞坝与人工土石坝虽有很多的相似性，可借鉴人工土石坝的溃坝研究成果进行分析计算，但由于堰塞坝属天然的土石坝，与人工土石坝也有诸多的不同特性，而目前土石坝的溃坝洪水计算方法尚不成熟。因此，针对堰塞坝的溃坝洪水分析计算尚需进一步研究。

综上所述，堰塞湖坝的稳定性评价、可能的溃坝形式及其溃坝洪水计算是今后地质灾害治理技术研究的发展方向之一。

5　与其他卷章关联内容及其处理

本卷中有关地质方面的边坡分类、岩土体物理力学参数选取、稳定性分析等内容，与《水工设计手册》(第2版)第1卷《基础理论》中基础地质部分的内容有一定的关系，但也是各有侧重。本卷在地质方面的内容紧紧围绕边坡稳定性分析和治理展开，而在基础卷中，更多的是从整个工程地质学的角度，阐明工程地质的相关内容，包括边坡稳定性、岩土体物理力学参数等。二者虽有些重复，但侧重点不一样，本卷中的地质内容可以看成是基础卷中地质相关内容的进一步深化和细化。

本卷中有关边坡动态设计的相关内容，与《水工设计手册》(第2版)第11卷《水工安全监测》卷既有一定的联系又有区别，各有侧重。本卷边坡动态设计中有关监测方面的内容，侧重于对边坡监测资料的收集、分析，用于边坡稳定性的复核和修正原有的设计，是为边坡治理设计服务的;而安全监测卷中则侧重于对边坡应如何布置监测设施并如何进行监测。监测设施的布置和监测使边坡的动态设计成为可能，二者既有联系，又互为因果关系。

2011年12月出版的《水力发电工程地质手册》，其中也涉及边坡稳定性分析和治理等内容，与本手册在这些内容的处理上，大原则应该是一致的，但地质手册侧重于地质勘察，而本手册侧重于设计和治理，且因作者不同，侧重点也更会有所不同，在细节的处理上也有差异。请读者阅读、使用时注意。

6　使用时应注意的有关问题

(1)目前，水利和水电分属两个行业，两行业的规范均自成体系，边坡工程设计规范也是如此，有《水利水电工程边坡设计规范》(SL386—2007)和《水电水利工程边坡设计规范》(DL5353—2006)。水利和水电两行业的边坡工程设计规范就大的原则、计算方法以及加固处理措施上基本相同，但在不同边坡的安全控制标准及其他细节上仍有所区别。希望读者在使用本《手册》时注意。原则是，对水利工程项目使用水利行业的规范，水电工程项目使用水电行业的规范。

(2)边坡的稳定性分析计算成果固然是对边坡稳定性进行客观评价、是否需要进行工程处理以及处理到什么安全标准的重要依据。但在实际使用时，又不能死抱计算成果不放，还要根据边坡所处的地质环境、边坡地质勘察的工作深度以及对边界条件和潜在滑动面力学参数的认识程度、地下水活动的情况、边坡监测资料、计算成果等进行综合分析，以期对边坡所处的状态有一个全面而客观的认识，这是边坡工程设计的重要原则。众所周知，边坡的稳定性除与计算方法的选取有关外，更重要的是潜在滑动面的空间分布、力学参数的选取等。就潜在滑动面的空间分布来说，即使作了很深入的地质勘察工作，对其边界条件也不可能查得非常清楚;另外，对潜在滑动面的力学参数，即便是现场试验，其结果与实际也会有较大的差异，更不用说不同类型滑动面之间存在的变形不相容、连通率统计的不确定等问题。因此，对所取得的计算成果的可靠性应做到心中有数，明白计算的成果真正代表什么，正确使用计算成果。

(3)边坡的反演计算在某种条件下，可以在一定程度上弥补对边坡中边界条件和力学参数认识的不足。但请注意，对边坡进行反演，只适用于已经产生变形的边坡。如对未变形的边坡进行反演计算，时常会导致较大的误差，因为对未变形的边坡，你不知道该边坡实际的安全度是多少。即便是对已经产生变形的边坡，规范中规定的安全系数取值也是一个范围值，此时，仍需要根据工程实际情况和工程师个人的经验选取合适的安全系数值进行反演，才能得到较为可靠的结果。

(4)在边坡治理设计或动态设计时需要注意的另一个问题是，从理论上看，某边坡的安全度只要大于1.0，该边坡就是稳定的，监测资料上显示也应该是趋稳的。但水利水电工程对不同边坡有不同的计算方法和相应的安全控制标准。因此，不能因为对某边坡的巡视未发现不稳定迹象或监测资料显示该边坡趋稳就不对该边坡继续进行治理了，而仍然应根据其破坏模式按规范要求达到相应的安全控制标准。

(5)对有变形控制要求的边坡，首先应区分岩质边坡和土质边坡。对土质边坡而言，边坡虽然整体或局部稳定性均满足要求，但因为土体具有压密的特性，变形具有时效性，随时间推移，边坡仍可能继续产生变形，对工程或居民建筑物构成威胁。因此，对这类边坡的治理应具有针对性。

7　编写感想

应该特别指出的是，由于近十多年来，我国水利水电建设事业蓬勃发展，各位作者在各自的单位均要承担繁重的生产任务，《手册》大多是利用业余时间完成的。尽管本《手册》的编制历经数年，但感到时间仍显仓促，更是没有成块的时间用于写作和精雕细琢，加之水平所限，本《手册》无论是在内容的编排上还是叙述上肯定会存在较多不足，希望读者谅解，并欢迎提出宝贵意见。

随着国家对西部水电的进一步开发，水利设施的进一步完善和建设，水利水电工程中面临的工程边坡问题将更加复杂。从规划到工程的可行性论证，从勘察、设计、施工，直到工程交付使用后的一段时期内，都应重视对边坡问题的研究和关注。

边坡工程与地质灾害防治是一项综合课题，它既是土木工程，又是环境工程的一部分，对环境保护、维护生态平衡具有重要的意义。一项理论和技术的发展过程总是一个从简单到复杂、从局部到全面、从低级到高级的过程。边坡工程与地质灾害防治研究在理论和治理技术上虽然已经取得了很大的成绩，但在国家大规模的水利水电工程建设及西部大开发的新的历史条件下，还有许多课题需要进一步研究解决，还有很长的路要走。