拉西瓦水電站果卜邊坡變形機(jī)制淺析

黃戰(zhàn)庫(kù)

拉西瓦水電站果卜邊坡變形機(jī)制淺析

黃戰(zhàn)庫(kù)

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局水電總站，陜西楊凌712100）

本文結(jié)合拉西瓦水電站果卜地段邊坡地質(zhì)概況，在分析變形過(guò)程與蓄水相關(guān)性的基礎(chǔ)上，對(duì)邊坡變形的機(jī)理進(jìn)行分析，確定其變形的根源，探討果卜邊坡變形機(jī)制，以期為類(lèi)似研究提供借鑒。

果卜邊坡；變形失效；變形機(jī)制

現(xiàn)代水庫(kù)在蓄水及運(yùn)行的過(guò)程中，滑坡、塌岸等地質(zhì)災(zāi)害往往受到庫(kù)岸斜坡水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件的變化，特是由庫(kù)水位下降所引起的動(dòng)水壓力及波浪對(duì)岸坡的淘刷磨蝕等作用的影響，相應(yīng)的災(zāi)害也往往伴隨著相應(yīng)發(fā)生[1]。如1963年意大利瓦伊昂水庫(kù)滑坡失事就是一個(gè)較為慘重的水庫(kù)滑坡失事事件，直接造成造成2000余人死亡，甚至毀滅了一個(gè)村莊[2]。2003我國(guó)湖北省秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)也發(fā)生庫(kù)岸滑坡事故，左岸的千將坪滑坡高速滑入青干河中，激起近30 m浪石，同時(shí)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，庫(kù)岸穩(wěn)定以及一系列的相關(guān)問(wèn)題是水電工程建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注的工程地質(zhì)問(wèn)題[3-5]。

1 工程概況

拉西瓦水電站果卜地段邊坡位于右岸壩前，距大壩1 km左右，由于特殊的地質(zhì)構(gòu)造，是目前工程上公認(rèn)的難題之一。果卜岸坡地段均為印支期花崗巖，有4組結(jié)構(gòu)面在岸坡形成過(guò)程及后期對(duì)邊坡變形破壞起主要控制作用：①走向NE30°、傾NW（岸外）、傾角60°～80°；②走向NNW～SN、傾NE～E（岸內(nèi)），傾角60°～70°；③走向NE30°～60°，傾NW（岸外），傾角40°左右；④走向NE30°～NW340°，傾SE～SW（岸內(nèi)），傾角20°～35°。

果卜岸坡運(yùn)行監(jiān)測(cè)資料表明，岸坡在水庫(kù)蓄水和運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生巨大變形，直接威脅到水庫(kù)的安全運(yùn)行。果卜岸坡穩(wěn)定成為一個(gè)重要的工程問(wèn)題。開(kāi)展對(duì)果卜岸坡變形觸發(fā)因素與破壞機(jī)制的分析為工程處理方案的確定以及施工期與運(yùn)行期的安全評(píng)價(jià)，提供可靠的科研依據(jù)，保障拉西瓦水電站的正常施工和運(yùn)行具有重大意義。

2 邊坡變形監(jiān)測(cè)資料分析

水庫(kù)蓄水后，浸水部分巖體弱化效應(yīng)（包含水滲透荷載作用），導(dǎo)致浸水巖體在自重及上部巖體的壓重作用下變形增大；引起庫(kù)岸邊坡位移變化，水位及各測(cè)點(diǎn)位移變化如圖1所示和水位及各測(cè)點(diǎn)變形速率變化圖2所示。

圖1 水位及各測(cè)點(diǎn)位移變化

圖2 水位及各測(cè)點(diǎn)變形速率變化

從圖中可以看出，邊坡變形速率和蓄水過(guò)程相關(guān)性非常顯著。蓄水初期，水位上升快，邊坡變形速率也大。水位下降，變形速率也迅速下降。蓄水后期，水位抬升緩慢，邊坡變形速率也逐漸減小并趨于穩(wěn)定。邊坡中部的測(cè)點(diǎn)，由于布置時(shí)間較晚，所以測(cè)得的變形量值較小。TP3-3布置于2011年3月18日，TP4-7布置于2011年5月29日。如果僅考慮蓄水至2011年5月29日以后邊坡的變形，TP3-3、TP4-7的變形比頂部LS04、LS05測(cè)點(diǎn)的測(cè)值還大，約為其1.6倍。中部變形約為頂部測(cè)點(diǎn)的60%。因此，根據(jù)變形趨勢(shì)分析，邊坡中部的變形應(yīng)該比頂部的LS04、LS05測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值要大，量值約為25 m左右。

3 邊坡變形機(jī)制探討

3.1 水庫(kù)蓄水對(duì)庫(kù)岸邊坡影響

水庫(kù)蓄水后，會(huì)引起庫(kù)岸邊坡的如下3種效應(yīng)：（1）浸水部分巖體表觀(guān)變形模量的弱化效應(yīng)（包含水滲透荷載作用），導(dǎo)致浸水巖體在自重及上部巖體的壓重作用下變形增大；（2）滲透水的作用：水很快會(huì)滲透到庫(kù)岸巖體中，體現(xiàn)到庫(kù)岸巖體上，就是滲透荷載；另外，由于空隙壓力的影響，屈服準(zhǔn)則將變?yōu)橛捎行?yīng)力控制。（3）庫(kù)岸巖體的強(qiáng)度參數(shù)會(huì)降低：浸水巖體由于浸水造成強(qiáng)度參數(shù)降低，上部巖體由于底部浸水巖體的變形而造成巖體強(qiáng)度參數(shù)降低。

由上面分析可以看到，庫(kù)岸邊坡巖體大致可分為3個(gè)區(qū)（如圖3所示）：I坡面和頂部大變形傾倒區(qū)：為由底部浸水巖體變形引起的破壞區(qū)，以強(qiáng)度參數(shù)降低到達(dá)破壞、大變形為主要模擬重點(diǎn)。該區(qū)域?yàn)樯Ⅲw結(jié)構(gòu)區(qū)；II中部臨界破壞區(qū)：該區(qū)域可假定為臨界或者接近臨界破壞區(qū)，以強(qiáng)度參數(shù)變化引起的不平衡力為主要外部增量荷載。該區(qū)域表層為散體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部則為碎裂結(jié)構(gòu)或者塊裂結(jié)構(gòu)；III底部（坡腳）浸水穩(wěn)定變形區(qū)：變形參數(shù)變化、荷載變化（浸水）為主因。該區(qū)域主要為緊致的塊體結(jié)構(gòu)和連續(xù)的巖體結(jié)構(gòu)。

圖3 邊坡變形模式及大致分區(qū)

基于上述分區(qū)，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，可以總結(jié)出如下3個(gè)特征：（1）三個(gè)區(qū)無(wú)明顯的界限，和巖體性質(zhì)相關(guān)。（2）對(duì)I區(qū)，由于巖體由表及里逐漸變好、滲透壓力由表及里逐漸降低，所以其變形模量由表及里是逐漸增大的。（3）在安全儲(chǔ)備方面，自上而下，巖體安全性是逐漸增加的。

3.2 庫(kù)岸邊坡變形機(jī)制的探討

由庫(kù)岸邊坡變形的監(jiān)測(cè)資料趨勢(shì)，基于蓄水后邊坡變形速率先加速、后逐漸降低變形趨于穩(wěn)定的這一客觀(guān)事實(shí)，提出了上述庫(kù)岸邊坡的3個(gè)分區(qū)、蓄水對(duì)邊坡的3種效應(yīng)，以及蓄水對(duì)III浸水變形穩(wěn)定區(qū)的4個(gè)效應(yīng)，對(duì)果卜邊坡變形機(jī)理的初步認(rèn)識(shí)和理解為：

（1）III底部（坡腳）浸水區(qū)巖體在高應(yīng)力的作用下，發(fā)展為含弱面和破裂面緊密堆積體；

（2）前述的水庫(kù)蓄水過(guò)程將會(huì)引起III底部（坡腳）浸水區(qū)巖體有4種效應(yīng)，其中前3種效應(yīng)的綜合效果是使III區(qū)巖體表觀(guān)變形模量降低，觸發(fā)邊坡開(kāi)始變形；

（3）由于變形協(xié)調(diào)，III區(qū)巖體變形會(huì)在II臨界破壞區(qū)引起不平衡力，不平衡力作為外部增量荷載促使該區(qū)變形，由于判斷II區(qū)為臨界或者接近臨界破壞區(qū)，II區(qū)變形量值較大；

（4）同樣由于變形協(xié)調(diào)，III區(qū)和II區(qū)變形帶動(dòng)I區(qū)坡面和頂部發(fā)生傾倒大變形；同時(shí)蓄水也引起庫(kù)岸硬巖產(chǎn)生傾倒效應(yīng)，使I區(qū)形成一個(gè)大變形傾倒區(qū)；

（5）蓄水過(guò)程引起III底部（坡腳）浸水區(qū)巖體的第4種效應(yīng)是邊坡變形趨于穩(wěn)定的原因。隨著III區(qū)巖體剪應(yīng)變?cè)龃?，其剪脹增?qiáng)效應(yīng)使巖體表觀(guān)模量/強(qiáng)度又有所提高，邊坡變形逐步趨穩(wěn)，所以將III區(qū)稱(chēng)為穩(wěn)定變形區(qū)；

（6）由于拉西瓦逐次、緩慢蓄水，III區(qū)巖體范圍在一次蓄水時(shí)增加一些，在蓄水作用和浸水軟化效應(yīng)下觸發(fā)變形，連帶II區(qū)、III區(qū)變形；又由于III區(qū)巖體的剪脹效應(yīng)增強(qiáng)了表觀(guān)模量/強(qiáng)度，變形又逐漸趨穩(wěn)。這個(gè)過(guò)程在逐次蓄水中反復(fù)出現(xiàn)，使得邊坡變形不斷累積，岸坡頂部前緣甚至能產(chǎn)生接近40 m的大變形位移；又由于緩慢多次蓄水，使得每次巖體變形增加引起的不平衡力不那么大，不致邊坡失穩(wěn)，同時(shí)III區(qū)穩(wěn)定變形區(qū)巖體體量在多次蓄水后越來(lái)越大，其剪脹增強(qiáng)效應(yīng)能夠阻止整體邊坡繼續(xù)變形，從而果卜邊坡還能穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

可以粗略地將巖土結(jié)構(gòu)工程典型問(wèn)題分為兩類(lèi)：（1）突變性的非均勻大變形和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)：受強(qiáng)烈工程擾動(dòng)后，壩址區(qū)巖體損傷加劇，損傷積累到一定程度時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生突變性非均勻大變形和失穩(wěn)；（2）長(zhǎng)期蠕變?cè)斐煞蔷鶆虼笞冃危簬r體損傷緩慢發(fā)展，結(jié)構(gòu)蠕變始終不能收斂，長(zhǎng)期積累形成非均勻大變形，威脅結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性或阻礙結(jié)構(gòu)發(fā)揮正常功效。

果卜岸坡的傾倒變形可以歸結(jié)為非平衡演化中巖土體突變性非均勻大變形和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的問(wèn)題。天然邊坡在沒(méi)有人工擾動(dòng)的情況下，處于穩(wěn)定或者臨界穩(wěn)定的狀態(tài)，邊坡可能存在長(zhǎng)期的蠕變變形，但是變形量值小，并不顯著。在受到蓄水的強(qiáng)烈人工擾動(dòng)后，由于荷載、滲流場(chǎng)的變化，淹沒(méi)區(qū)巖體材料的弱化和有效應(yīng)力的變化，導(dǎo)致巖土體結(jié)構(gòu)偏離原先的平衡狀態(tài)，必然要向新的平衡態(tài)演化。而果卜岸坡在演化過(guò)程中，巖體損傷急劇發(fā)展，導(dǎo)致了邊坡發(fā)生突變性非均勻大變形和局部失穩(wěn)。

同時(shí)，這種演化是在外在擾動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下完成，因此，必然與外界擾動(dòng)有顯著的相關(guān)性，故果卜邊坡的變形與蓄水過(guò)程有著顯著的相關(guān)性。這個(gè)階段中，邊坡的變形主要是巖土體在外界擾動(dòng)下產(chǎn)生的變形。

因此，果卜岸坡的非均勻大變形，是天然岸坡，特別是處于臨界穩(wěn)定的邊坡，在強(qiáng)烈人工擾動(dòng)下，損傷急劇發(fā)展的巖土體非平衡演化的必然結(jié)果。在水位趨于穩(wěn)定，即外界擾動(dòng)趨于穩(wěn)定的情況下，果卜岸坡將由非平衡演化的第一種情況，逐漸發(fā)展為第二種情況。由于在第一階段中，巖土體急劇損傷破壞，材料弱化，無(wú)論是強(qiáng)度參數(shù)、變形參數(shù)，還是長(zhǎng)期變形參數(shù)，都有極大弱化，這將導(dǎo)致邊坡在外荷載穩(wěn)定的情況下，發(fā)生長(zhǎng)期的、緩慢的蠕變變形。這也與目前觀(guān)測(cè)到的2 mm/d左右的邊坡變形相吻合。這種變形，可能趨于收斂，邊坡趨于穩(wěn)定，達(dá)到新的平衡態(tài)；也可能始終不能收斂，長(zhǎng)期積累加劇巖體損傷，在原有基礎(chǔ)上形成更大的非均勻變形，導(dǎo)致巖土體失穩(wěn)。

[1]黃潤(rùn)秋.論中國(guó)西南地區(qū)水電開(kāi)發(fā)工程地質(zhì)問(wèn)題及其研究對(duì)策[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2002,13(1)1-4.

[2]王蘭生.意大利瓦伊昂水庫(kù)滑坡考察[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào), 2007,18(3)145-149.

[3]溫立峰,柴軍瑞,王曉.深覆蓋層上面板堆石壩應(yīng)力變形特性研究[J].巖土力學(xué),2015,36(8):2386-2394.

[4]黃潤(rùn)秋,20世紀(jì)以來(lái)中國(guó)的大型滑坡及其發(fā)生機(jī)制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,2(63):433-454.

[5]黃呂乾,丁恩保.邊坡工程常用穩(wěn)定性分析方法[J].水電站設(shè)計(jì).1999, 3.53-5.

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1673-9000（2017）02-0120-02

2016-09-28

黃戰(zhàn)庫(kù)(1975-),男，陜西楊凌人，工程師，主要從事水利水電工程管理工作。