錦屏水電站變形拉裂體施工期安全監(jiān)測(cè)及分析

，，

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410014；

2.錦屏建設(shè)管理局 雅礱江水電建設(shè)開發(fā)有限公司，成都 610021)

1 研究背景

錦屏一級(jí)水電站左岸壩肩邊坡總體開挖高度約530 m，是目前水電工程開挖高度最高、開挖規(guī)模最大、穩(wěn)定條件最差的邊坡工程之一[1-2]。影響左岸邊坡穩(wěn)定的特殊不良地質(zhì)現(xiàn)象主要有：斷層及節(jié)理裂隙、巖體卸荷拉裂、巖體傾倒變形及深部裂縫等。其中邊坡的整體穩(wěn)定性是由以SL44-1松弛拉裂帶為上游邊界，以f42-9斷層為下游邊界及底滑面，以煌斑巖脈為后緣切割面的變形拉裂體(以下簡(jiǎn)稱“大塊體”)控制[3]。

邊界控制面地質(zhì)條件：f42-9斷層產(chǎn)狀以N80°E～近EW/SE(S)∠40～60°為主，總體上以寬度大、性狀差的泥夾碎石、糜棱巖為主。煌斑巖脈(X)總體產(chǎn)狀為N60°～80°E，SE∠70°～90°，寬約15～30 m，抗風(fēng)化能力差。SL44-1按SN向～N20°W走向推測(cè)，以空縫為主，局部充填巖塊巖屑?！按髩K體”內(nèi)部巖體大部分均為Ⅳ2級(jí)巖體，但局部仍有部分Ⅲ2級(jí)巖體，這部位巖體多松弛破碎，小斷層發(fā)育，性狀差。剖面情況見(jiàn)示意圖1。

圖1 “大塊體”剖面示意圖[1]

2 監(jiān)測(cè)儀器布置及實(shí)施

邊坡開挖為2005年9月至2009年8月底，澆筑為2009年10月至2012年底。在施工期采用多種監(jiān)測(cè)手段和設(shè)備，對(duì)工程全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)反映了“大塊體”在施工階段的變形過(guò)程。項(xiàng)目整體上由表及里監(jiān)控邊坡運(yùn)行狀態(tài)，可劃分為表面、淺部和深部3個(gè)部分。表面監(jiān)測(cè)采用全站儀大地測(cè)量，觀測(cè)頻率為1次/月，以監(jiān)控邊坡宏觀變形。淺部變形監(jiān)測(cè)采用多點(diǎn)位移計(jì)，監(jiān)測(cè)深度為0～90 m，主要監(jiān)測(cè)邊坡淺表巖體及錨固體系工作性態(tài)，以局部穩(wěn)定問(wèn)題為主。深部監(jiān)測(cè)采用平洞測(cè)距、石墨桿收斂計(jì)等監(jiān)測(cè)方法，儀器布置于勘探平洞內(nèi)，覆蓋深部裂縫、煌斑巖脈及斷層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育區(qū)段，最大監(jiān)測(cè)達(dá)到330 m，主要監(jiān)測(cè)深部巖體變形以研究邊坡整體穩(wěn)定性問(wèn)題[2-4]。淺深部觀測(cè)頻率為1次/周。

邊坡表面監(jiān)測(cè)布置11個(gè)斷面，其中穿過(guò)“大塊體”有4個(gè)斷面。測(cè)點(diǎn)全面控制了煌斑巖脈、f42-9和SL44-1在地表出露邊界兩側(cè)的變形。淺部監(jiān)測(cè)多點(diǎn)位移計(jì)有：1 960 m以上處有M45—M47；1 960—1 885 m高程處有M45—M411；1 885 m高程以下有M46C3L和M47C3L。部分測(cè)點(diǎn)穿過(guò)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面能有效監(jiān)測(cè)斷層變位。深部監(jiān)測(cè)在1 930 mPD44平洞先后平行布置2套、PD42平洞分別在上游支洞和主洞布置2套，1 915m高程排水洞布置1套。這5套石墨桿收斂計(jì)正處在“大塊體”的重要部位，能較好反映“大塊體”滑動(dòng)變形趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)布置平面見(jiàn)圖2。

圖2 “大塊體”監(jiān)測(cè)布置平面圖[1]

3 監(jiān)測(cè)成果分析

3.1 表面變形監(jiān)測(cè)

3.1.1 表面變形特征

以下基于表面位移量、方位角和傾伏角3個(gè)方面對(duì)“大塊體”內(nèi)外的變形特征進(jìn)行對(duì)比。

(1)位移量大小：開挖期邊坡表面變形空間上呈現(xiàn)中部變形略大于高高程處，這是由于開挖水平深度不同所致。進(jìn)入澆筑施工期，“大塊體”內(nèi)外的變形量值基本接近，期間變化量在18.9～26.3 mm范圍，表明“大塊體”內(nèi)外變形量無(wú)明顯差異。

(2)變形方位角：開挖期各區(qū)域測(cè)點(diǎn)變形方位角呈發(fā)散狀，處于變形調(diào)整期，故未形成明顯優(yōu)勢(shì)變形方向。隨著支護(hù)完成后，“大塊體”附近區(qū)域變形方向逐漸表現(xiàn)為一致，矢量方位角大致在110°～140°范圍，近似指向臨空面方向[1]。位移矢量見(jiàn)圖2。

(3)傾伏角：傾伏角為位移矢量與水平面的夾角。開挖期傾伏角如變形方位角一樣，無(wú)一致規(guī)律性。開挖結(jié)束經(jīng)過(guò)一段時(shí)間變形調(diào)整后，傾伏角逐漸收斂，大致在-10°～10°范圍內(nèi)。由于煌斑巖脈產(chǎn)狀為N60～80°E，SE∠70～80°，f42-9斷層產(chǎn)狀為近EW，S∠40～60°，測(cè)點(diǎn)位移矢量?jī)A伏角與不利結(jié)構(gòu)面傾角有較大差異且垂直位移量值較小，說(shuō)明“大塊體”未出現(xiàn)沿著不利結(jié)構(gòu)面整體錯(cuò)動(dòng)。

3.1.2 表面變形與開挖、澆筑及降雨關(guān)系

測(cè)點(diǎn)河床方向位移-時(shí)間曲線來(lái)看(見(jiàn)圖3)，前期受到邊坡開挖卸荷影響，變形與開挖相關(guān)性較好。開挖結(jié)束后1 a內(nèi)，“大塊體”表面變形仍持續(xù)發(fā)展，趨勢(shì)無(wú)明顯減緩，這點(diǎn)與深部巖體開挖后仍持續(xù)緩慢變形吻合。至2010年末，變形速率才有所降低。截止2012年底，水平位移在4.5～90.8 mm，垂直位移在-4.0～52.0 mm；水平位移速率小于0.1 mm/d，已趨于收斂[1-2]。

圖3 表面Y向與開挖、澆筑相關(guān)曲線圖

拉裂變形體的變形方式是塊錯(cuò)動(dòng)，其穩(wěn)定性主要是由內(nèi)摩擦角決定的，而降雨對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小，所以拉裂體的變形對(duì)降雨不敏感[5]。且“大塊體”內(nèi)存在松弛張開的卸荷裂隙和深部裂縫，滲透系數(shù)很大[6]，排泄條件良好，降雨對(duì)“大塊體”變形影響較小。1-1剖面位移速率與降雨相關(guān)性歷時(shí)曲線(圖4)也表明這兩者相關(guān)性不顯著，現(xiàn)場(chǎng)巡視表明1 915 m排水溝平時(shí)無(wú)積水現(xiàn)象。

圖4 1-1剖面表面測(cè)點(diǎn)位移速率與降雨量歷時(shí)曲線

綜合表面變形特征分析，“大塊體”內(nèi)外變形量無(wú)明顯差異；傾伏角方向與不利結(jié)構(gòu)面傾角有較大差異。前期受開挖卸荷影響，處于變形調(diào)整期。隨著支護(hù)完成后，“大塊體”和邊坡整體變形方向和趨勢(shì)均一致，處于整體時(shí)效變形階段，變化量隨時(shí)間逐步衰減趨于收斂。

3.2 淺部變形監(jiān)測(cè)

3.2.1 淺部巖體變形特征

“大塊體”附近測(cè)點(diǎn)孔口見(jiàn)圖2，孔口位移柱狀圖見(jiàn)圖5。累計(jì)最大位移發(fā)生在1-1剖面高程1886.2 m部位(M47)，累計(jì)孔口位移為17.6 mm。根據(jù)穿過(guò)結(jié)構(gòu)面位移量與孔口位移量比較，淺部變形測(cè)值較大的測(cè)點(diǎn)主要由于部分測(cè)段穿過(guò)煌斑巖脈(X)等軟弱結(jié)構(gòu)面，如M47,M47C3L等，且變形量主要集中在各結(jié)構(gòu)面上。開挖后近3年來(lái)，位移增量在-0.05～3.55 mm范圍內(nèi)，說(shuō)明位移主要發(fā)生在早期開挖過(guò)程中，開挖后淺部變形已收斂。

圖5 “大塊體”多點(diǎn)位移計(jì)孔口位移柱狀圖

3.2.2 工程地質(zhì)條件及工程措施對(duì)淺部變形影響

淺部監(jiān)測(cè)主要針對(duì)淺表巖體及錨固體系工作性態(tài)，以局部穩(wěn)定問(wèn)題為主，其變形主要受局部巖性及巖體結(jié)構(gòu)控制[7]。以1-1剖面測(cè)點(diǎn)M47為例(位移-時(shí)間關(guān)系及孔口位移變形速率見(jiàn)圖6)，從測(cè)段位移來(lái)看，0～52.0 m測(cè)段變形量較大；位移量為13.4 mm，占總位移的76.2 %。地質(zhì)勘探也表明M47監(jiān)測(cè)部位處在煌斑巖脈(X)、f42-9斷層組成順坡向小規(guī)模塊體，深度約30 m，各測(cè)段變形差異性顯著，主要變形集中在煌斑巖脈(X)外側(cè)的52 m之內(nèi)，地質(zhì)剖面及分段示意見(jiàn)圖7。

從時(shí)間上來(lái)看，孔口位移在安裝后變形速率逐漸增大，最大變形速率發(fā)生2007年10月中旬，為0.26 mm/d；支護(hù)完成后變形逐漸收斂，至2012年年底變形速率降至0.005 mm/d左右，表明錨固支護(hù)遏制邊坡淺部巖體變形發(fā)揮明顯作用。

圖6 1 886 m高程處M47位移-時(shí)間關(guān)系曲線

圖7 多點(diǎn)位移計(jì)M47 沿著孔深位移分布圖

3.3 深部變形監(jiān)測(cè)

3.3.1 深部巖體變形特征

平洞PD44(前期)和PD42主洞布置石墨桿收斂計(jì)和平行水平測(cè)距，以測(cè)量巖體深部變形。PD44(前期)的石墨桿收斂計(jì)監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)表1。

表1 PD44(前期)石墨桿收斂計(jì)監(jiān)測(cè)成果

從變形空間分布特征來(lái)看，PD44平洞前后平行布置了2套石墨桿收斂計(jì)，均體現(xiàn)位移較為明顯的部位為K0+076.5 m至K0+122.5 m和K0+122.5 m至K0+151.0 m兩個(gè)測(cè)段。這2個(gè)測(cè)段的位移為43.43 mm，占合計(jì)位移的81 %，累計(jì)位移較大正是處在煌斑巖脈、深部裂縫和f42-9斷層影響區(qū)域。平洞最大沉降量也是位于該區(qū)域。水平和沉降位移都說(shuō)明深部巖體變形主要受這些結(jié)構(gòu)面控制。其他監(jiān)測(cè)平洞PD42和1 915 m高程排水洞的石墨桿收斂計(jì)變形特性也印證了這點(diǎn)。

從變形時(shí)間過(guò)程來(lái)看，深部監(jiān)測(cè)表明開挖后各結(jié)構(gòu)面測(cè)段仍持續(xù)緩慢增加，說(shuō)明邊坡開挖后巖體沿結(jié)構(gòu)面有一定疏張松弛變形[4]，至2010年年末，整個(gè)監(jiān)測(cè)洞段向坡外的位移變化速率逐漸減緩，變形趨于收斂 (1-1剖面PD42平洞石墨桿收斂計(jì)合計(jì)位移歷時(shí)見(jiàn)圖8)。

圖8 PD42平洞石墨桿收斂歷時(shí)曲線圖

3.3.2 平洞測(cè)距和石墨桿收斂成果對(duì)比

截止2012年底，PD44平洞測(cè)距觀測(cè)墩測(cè)得累計(jì)位移30.83 mm，PD42平洞測(cè)距觀測(cè)墩測(cè)得29.07 mm。圖9分別是平洞測(cè)距和石墨桿收斂觀測(cè)各測(cè)段位移分布示意圖，對(duì)比可以看出PD44勘探平洞石墨桿收斂計(jì)和測(cè)距墩位移發(fā)生區(qū)段對(duì)應(yīng)，巖體發(fā)生變形的區(qū)段主要在0+76 m至0+152 m之間，該區(qū)段正是深部拉裂縫發(fā)育密集并有煌斑巖脈(X)穿過(guò)；其他測(cè)段位移量均較小。

圖9 平洞測(cè)距與石墨桿收斂觀測(cè)位移分布對(duì)比圖

同一時(shí)間段同一測(cè)段變化量觀測(cè)成果對(duì)比見(jiàn)表2，表中可以看出位移量差值較小，趨勢(shì)一致?？臻g分布以及變化量差值均說(shuō)明這2種儀器的監(jiān)測(cè)成果是可信的[1]。

表2 平洞測(cè)距與石墨桿收斂觀測(cè)監(jiān)測(cè)成果對(duì)比

3.4 表面、淺部和深部對(duì)比分析

前3節(jié)分別從表面、淺部及深部對(duì)“大塊體”巖體變形影響因素及變形特征進(jìn)行分析，下面結(jié)合1-1剖面對(duì)表面、淺部和深部監(jiān)測(cè)在不同階段的變形過(guò)程做對(duì)比(位移-時(shí)間歷時(shí)曲線見(jiàn)圖10)，進(jìn)一步分析“大塊體”的變形機(jī)制。

圖10 1-1剖面表面、淺部及深部監(jiān)測(cè)位移-時(shí)間對(duì)比曲線

開挖期應(yīng)力釋放及卸荷回彈作用強(qiáng)烈，巖體變形為陡增階段[8]。經(jīng)過(guò)對(duì)邊坡采取“邊坡防滲及排水系統(tǒng)+f42-9抗剪洞置換加固+坡面淺表層加固+坡面預(yù)應(yīng)力錨索深層加固”支護(hù)措施后[6]，淺部監(jiān)測(cè)表明在支護(hù)完成后淺部巖體變形立即收斂，且孔口大部分位移量值在10 mm之內(nèi)；而表面監(jiān)測(cè)和深部監(jiān)測(cè)在支護(hù)結(jié)束后仍持續(xù)緩慢變形。支護(hù)完成進(jìn)入澆筑期(變形量見(jiàn)表3，變形時(shí)間段同選擇2012年年底減去2010年底)，三者向臨空面變形量為表面變形基本與深部監(jiān)測(cè)相當(dāng)，遠(yuǎn)大于淺部監(jiān)測(cè)，表明支護(hù)完成后，“大塊體”整體仍處于蠕變階段，且變形量大部分集中于深部監(jiān)測(cè)220 m范圍之內(nèi)。各部位變形時(shí)間演化均經(jīng)歷開挖后陡增階段、支護(hù)后蠕變階段及最后穩(wěn)定階段。表面、淺部及深部監(jiān)測(cè)差異在于蠕變階段時(shí)間長(zhǎng)短的不同，這反映了 “大塊體”變形影響范圍之深和內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整的長(zhǎng)期性。

表3 表面、淺部及深部變形量對(duì)比表

4 結(jié) 論

(1)整個(gè)邊坡監(jiān)測(cè)采用了多種手段，由表及里進(jìn)行監(jiān)控。表面變形監(jiān)測(cè)可獲得邊坡宏觀表面變形方向以及變形趨勢(shì)，但受觀測(cè)頻率和觀測(cè)精度影響，且缺少巖體內(nèi)部變形特征；淺部監(jiān)測(cè)可獲得90 m以內(nèi)巖體變形特征，但受測(cè)點(diǎn)深度限制難以捕捉深部巖體變形；深部監(jiān)測(cè)可獲得深部結(jié)構(gòu)面變形特征，但監(jiān)測(cè)平洞數(shù)目有限且成本較高。在整個(gè)施工過(guò)程中，三者間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)時(shí)掌握了邊坡整體的變形狀況。

(2)“大塊體”整體變形的內(nèi)因主要受f42-9斷層、煌斑巖脈、SL44-1拉裂帶組成的結(jié)構(gòu)面控制，淺深部監(jiān)測(cè)表明穿過(guò)結(jié)構(gòu)面的測(cè)段變形量遠(yuǎn)大于其他測(cè)段的變形量都印證這點(diǎn)；外因主要是開挖卸荷和邊坡支護(hù)作用，在開挖期表面、淺部、深部各部位變形都較為明顯，開挖結(jié)束支護(hù)完成后則體現(xiàn)淺部變形立即收斂，而表面變形和深部變形仍持續(xù)了一段時(shí)間，才逐漸趨緩并趨于收斂。表面、淺部和深部變形的差異性反映了整個(gè)邊坡開挖深度之大、變形影響深度之深以及其地質(zhì)條件的復(fù)雜性。

(3)開挖結(jié)束支護(hù)完成后，表面變形監(jiān)測(cè)表明“大塊體”內(nèi)外無(wú)明顯差異性且未沿著優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面滑移，淺部和深部監(jiān)測(cè)體現(xiàn)變形沿控制結(jié)構(gòu)面有一定疏張松弛變形而無(wú)明顯變位。表面、淺部及深部監(jiān)測(cè)三者有機(jī)結(jié)合，共同分析表明了“大塊體”和邊坡整體變形特征一致，其變形機(jī)制為巖體整體向臨空面的蠕滑變形，“大塊體”本身無(wú)明顯滑移跡象。

(4)監(jiān)測(cè)表明經(jīng)過(guò)支護(hù)后，“大塊體”整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)。但隨著后續(xù)庫(kù)水的升降對(duì)邊坡變形的影響，以及邊坡變形對(duì)大壩的影響，是整個(gè)工程安全性的重大挑戰(zhàn)，應(yīng)適當(dāng)控制水位的抬升速度，并加強(qiáng)邊坡安全監(jiān)測(cè)，及時(shí)分析監(jiān)測(cè)資料。

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