錦屏一級(jí)水電站運(yùn)行期谷幅變形特性與影響因素分析

周 綠，劉明昌，李小順

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；3.雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 工程概況

錦屏一級(jí)水電站左岸邊坡山體雄厚，谷坡陡峭，相對(duì)高差千余米，屬典型的深切“Ⅴ”形谷，為深部裂縫發(fā)育強(qiáng)烈區(qū)。巖性為雜谷腦組第3段變質(zhì)砂巖和板巖，巖層走向與河流流向基本一致，岸坡為反向坡，自然坡度40°～50°，地形完整性較差，呈山梁與淺溝相間的微地貌特征。坡體內(nèi)的不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)面有深部卸荷裂隙、f5、f8、f42-9斷層、煌斑巖脈X等，這些不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)面使得左岸邊坡開(kāi)挖后其穩(wěn)定性處于不利狀態(tài)。

由于錦屏壩址區(qū)兩岸邊坡高、陡且地質(zhì)條件復(fù)雜，為了解兩岸高邊坡相對(duì)變形情況，及時(shí)掌握邊坡的穩(wěn)定性及兩岸坡體變形收斂情況，設(shè)計(jì)在壩址區(qū)布設(shè)12條谷幅觀(guān)測(cè)線(xiàn)及84條洞內(nèi)測(cè)距，觀(guān)測(cè)河谷及兩岸坡體變形情況。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在左、右兩岸利用觀(guān)測(cè)平洞布置谷幅觀(guān)測(cè)測(cè)線(xiàn)。測(cè)墩間距為50 m左右(跨江段除外)，測(cè)墩位置遇重點(diǎn)觀(guān)測(cè)區(qū)域(跨越斷層、巖脈等)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)代指定并作適當(dāng)調(diào)整。谷幅觀(guān)測(cè)采用一等精度邊長(zhǎng)往返觀(guān)測(cè)技術(shù)要求，將邊長(zhǎng)改平(經(jīng)過(guò)儀器常數(shù)改正、溫度和氣壓改正、傾斜改正、高程投影面改正)后進(jìn)行比較，得出各期變形量；采用TM50進(jìn)行觀(guān)測(cè)，運(yùn)行期觀(guān)測(cè)頻次為每月2次。平洞谷幅測(cè)線(xiàn)布置如圖1所示。

圖1 平洞谷幅測(cè)線(xiàn)布設(shè)示意

2 跨江谷幅歷年變形統(tǒng)計(jì)分析

本文對(duì)跨江段谷幅運(yùn)行期歷年變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以分析運(yùn)行期谷幅變形的特性、了解運(yùn)行期左右岸邊坡橫河向變位情況，掌控谷幅的變化趨勢(shì)，跨江段谷幅線(xiàn)運(yùn)行期歷年變形統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 跨江段谷幅線(xiàn)運(yùn)行期歷年變形統(tǒng)計(jì)

從表1可知，谷幅跨江段各高程在2015年變形量較大，首次蓄水后，左岸邊坡處于應(yīng)力調(diào)整中；從歷年來(lái)看，變形量有逐年下降的趨勢(shì)，同時(shí)上游側(cè)壓縮量大于下游側(cè)，各谷幅測(cè)線(xiàn)變形雖未收斂，但其變形速率有所下降，說(shuō)明左岸邊坡變形逐漸在逐漸減緩、逐漸趨于收斂；谷幅線(xiàn)高程從高到低，谷幅年變形量顯示逐步減小，符合谷幅的變形的一般規(guī)律。

3 跨江谷幅監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析

3.1 回歸模型設(shè)置

由于當(dāng)前河谷谷幅變化的直接誘因尚不明確，但其根本原因應(yīng)主要與庫(kù)水位、溫度及其他作用有關(guān)[1]。利用回歸模型對(duì)水庫(kù)邊坡變形進(jìn)行研究，如楊杰等[2]對(duì)李家峽左岸邊坡蓄水后變形的回歸分析；鄭東健等[3]對(duì)東津大壩高邊坡變形的回歸及預(yù)測(cè)研究，陳曉鵬等[4]對(duì)龍灘水電站高邊坡變形的回歸分析等。參照以上研究成果，本節(jié)為分離各因素對(duì)谷幅變化的影響大小，建立了考慮庫(kù)水位、溫度及其他作用的多元逐步回歸模型，將谷幅變形過(guò)程按各分量進(jìn)行分解，即

δ=δH+δT+δθ+d0

(1)

(2)

δT=b1T+b2T(30)+b3T(60)+b4T(90)

(3)

δθ=c1θ+c2ln(θ)

(4)

回歸分析時(shí)，先將每個(gè)因子進(jìn)行歸一化，其中庫(kù)水位因子6項(xiàng)，溫度因子4項(xiàng)，其他作用因子2項(xiàng)，然后再進(jìn)行逐步回歸分析，最終得到模型的回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差正態(tài)分布，如圖2所示。

圖2 回歸分析標(biāo)準(zhǔn)化殘差正態(tài)分布

3.2 成果分析

PD21-3～PD42-2谷幅測(cè)線(xiàn)的回歸分析結(jié)果見(jiàn)表2，谷幅實(shí)測(cè)累計(jì)變形值與回歸分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖3。從表2和圖3可以看出，本文所取的回歸模型能夠較好地?cái)M合谷幅測(cè)線(xiàn)的實(shí)測(cè)過(guò)程，經(jīng)計(jì)算，實(shí)測(cè)累計(jì)變形值與回歸分析結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差為1.25 mm。

表2 PD42谷幅線(xiàn)回歸分析結(jié)果

圖3 PD42谷幅實(shí)測(cè)累計(jì)變形值與回歸分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.2.1庫(kù)水位分量分析

谷幅收縮過(guò)程逐步回歸結(jié)果的庫(kù)水位分量變化過(guò)程如圖4所示。結(jié)果表明：運(yùn)行期庫(kù)水位分量對(duì)谷幅變化的影響總體偏小，庫(kù)水位分量量級(jí)最大不超過(guò)3.18 mm；而且跟谷幅變形為負(fù)相關(guān)，說(shuō)明隨著水位的抬升，對(duì)河谷谷幅的作用表現(xiàn)為擴(kuò)張。

圖4 谷幅收縮過(guò)程逐步回歸結(jié)果的庫(kù)水位分量與水位的歷時(shí)分布

3.2.2溫度分量分析

谷幅收縮過(guò)程逐步回歸結(jié)果的溫度分量變化過(guò)程如圖5所示。從圖5可知，溫度分量量級(jí)最大不超過(guò)3.87 mm；溫度下降谷幅擴(kuò)張，反之則收縮，這也符合溫度上升時(shí)，左右岸巖體向臨空向膨脹而使谷幅線(xiàn)收縮，而溫度下降，則巖體收縮的，從而使谷幅呈擴(kuò)張的規(guī)律?？傊?，由于壩址區(qū)氣溫對(duì)邊坡溫度場(chǎng)的影響范圍有限，溫度分量比較小。

圖5 谷幅收縮過(guò)程逐步回歸結(jié)果的溫度分量與氣溫的歷時(shí)分布

3.2.3其他作用分量分析

谷幅收縮過(guò)程測(cè)線(xiàn)其他作用的分量如圖6所示。從圖6可知，回歸模型其他作用分量與谷幅實(shí)測(cè)相關(guān)性和過(guò)程都很接近，回歸分析的結(jié)果顯示其他作用分量占谷幅收縮過(guò)程的主要部分，其他作用分量是對(duì)不飽和和巖體材料遇水軟化、巖體弱結(jié)構(gòu)面因滲壓上升發(fā)生屈服等導(dǎo)致的塑性變形以及其他未知因素誘發(fā)河谷變形的概化考慮，初步分析主要是施工期的累計(jì)變形和蓄水期間的變形所致。

圖6 谷幅收縮過(guò)程逐步回歸結(jié)果的其他作用分量歷時(shí)分布

4 谷幅對(duì)比分析

4.1 谷幅點(diǎn)與表面變形點(diǎn)對(duì)比

谷幅點(diǎn)跨江段的端點(diǎn)有部分同時(shí)是地表變形測(cè)點(diǎn)，即該點(diǎn)在進(jìn)行谷幅測(cè)量的同時(shí)，也進(jìn)行了表面變形觀(guān)測(cè)，谷幅點(diǎn)地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果歷年變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 谷幅點(diǎn)地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果歷年變形統(tǒng)計(jì) mm

谷幅點(diǎn)跨江段變形值理論上應(yīng)該等于兩端點(diǎn)Y方向變形差值，但由于是2種獨(dú)立的測(cè)量手續(xù)，測(cè)量精度也不一，加之表面變形點(diǎn)左右岸監(jiān)測(cè)所采用的工作基點(diǎn)是不同的，兩岸工作基點(diǎn)相對(duì)精度不一定很高，所以2種監(jiān)測(cè)成果可能有差距，但從統(tǒng)計(jì)成果看，差距并不大，可相互驗(yàn)證2種監(jiān)測(cè)成果的正確性。

4.2 洞內(nèi)測(cè)距與石墨桿測(cè)距對(duì)比

谷幅測(cè)線(xiàn)洞內(nèi)段同時(shí)布置有石墨桿收斂計(jì)，以2種不同測(cè)量手段監(jiān)測(cè)平洞斷層、巖脈、裂隙等不利構(gòu)造面的伸縮或拉伸變形，監(jiān)測(cè)成果相互驗(yàn)證，為了驗(yàn)證兩種監(jiān)測(cè)成果符合性，將PD44和PD42兩平洞2段對(duì)應(yīng)測(cè)段(樁號(hào)基本一致)進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

表4 谷幅觀(guān)測(cè)與石墨桿收斂計(jì)觀(guān)測(cè)歷年變形成果對(duì)比 mm

從表4可以看出，谷幅洞內(nèi)測(cè)段與對(duì)應(yīng)的石墨桿收斂計(jì)相應(yīng)測(cè)段成果變形值和變化量接近，有所差別主要原因是起始時(shí)間不一及測(cè)量精度不同所致，但二者變形趨勢(shì)非常接近,說(shuō)明谷幅測(cè)線(xiàn)和石墨桿收斂計(jì)成果均真實(shí)可靠。

4.3 谷幅跨江段與石墨桿對(duì)比

因谷幅跨江段測(cè)得為左右岸山體的相對(duì)拉伸或壓縮量，根據(jù)工程特點(diǎn)，谷幅跨江段的變形量可以分成左岸邊坡平洞內(nèi)石墨桿收斂計(jì)測(cè)得變形量、左岸邊坡石墨桿收斂計(jì)最深點(diǎn)以里的變形量和右岸邊坡的變形量3部分。通過(guò)對(duì)谷幅跨江段與石墨桿收斂計(jì)洞內(nèi)測(cè)距在同一時(shí)段的變化量進(jìn)行對(duì)比，從而可得到左岸邊坡石墨桿收斂計(jì)最深點(diǎn)以里的和右岸邊坡的該時(shí)段的變化總量。谷幅跨江段與石墨桿收斂計(jì)從2014年(1 880 m水位)至2019年年度變形量見(jiàn)表5，變化量見(jiàn)表6。由表5、6可知，2個(gè)平洞的谷幅跨江段和石墨桿收斂計(jì)測(cè)距近5年的年度變化量相當(dāng)，說(shuō)明左岸邊坡石墨桿收斂計(jì)最深點(diǎn)以里的和右岸邊坡的該時(shí)段的變化總量基本上為零，對(duì)谷幅跨江段變形量無(wú)貢獻(xiàn)，谷幅跨江段變化量來(lái)自左岸邊坡平洞內(nèi)石墨桿收斂計(jì)測(cè)得變化量，從而說(shuō)明左岸平洞內(nèi)的最深點(diǎn)為穩(wěn)定點(diǎn)。

表5 谷幅跨江段與石墨桿收斂計(jì)觀(guān)測(cè)變形成果對(duì)比(1 880 m水位) mm

表6 谷幅跨江段與石墨桿收斂計(jì)觀(guān)測(cè)變化量成果對(duì)比(1 880 m水位) mm

為了進(jìn)一步證明左岸平洞內(nèi)的最深點(diǎn)為穩(wěn)定點(diǎn)，對(duì)谷幅表面測(cè)點(diǎn)水平位移向河床方向變形與石墨桿收斂計(jì)變形進(jìn)行對(duì)比，歷時(shí)對(duì)比曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，由于外觀(guān)測(cè)量精度的影響，谷幅表面測(cè)點(diǎn)向河床方向變形歷時(shí)上略有波動(dòng)，但整體與石墨桿收斂計(jì)吻合性較好，測(cè)值相當(dāng)，說(shuō)明左岸邊坡表面測(cè)點(diǎn)向河床方向變形主要來(lái)自于左岸邊坡平洞內(nèi)石墨桿收斂計(jì)測(cè)得變形量。

圖7 PD44平洞表面測(cè)點(diǎn)與石墨桿收斂計(jì)變形量對(duì)比歷時(shí)曲線(xiàn)

綜上所述，谷幅跨江段和石墨桿收斂計(jì)測(cè)距年度變化量相當(dāng)，谷幅表面測(cè)點(diǎn)向河床方向與石墨收斂計(jì)的變形量歷時(shí)曲線(xiàn)吻合，3種監(jiān)測(cè)手段對(duì)比分析同時(shí)說(shuō)明左岸1 930 m平洞內(nèi)的最深點(diǎn)為穩(wěn)定點(diǎn)。

5 結(jié)論與展望

本文通過(guò)對(duì)運(yùn)行期跨江段谷幅進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將運(yùn)行期跨江段谷幅變形進(jìn)行逐步回歸分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)錦屏一級(jí)水電站運(yùn)行期跨江段谷幅變形量有逐年下降的趨勢(shì)，變形雖未收斂，但谷幅變形速率有所下降，說(shuō)明左岸邊坡變形逐漸減小，并逐漸趨于收斂；谷幅線(xiàn)高程從高到低，谷幅年變形量顯示逐步減小，符合谷幅的變形的一般規(guī)律。

(2)逐步回歸分析的結(jié)果顯示，錦屏一級(jí)水電站運(yùn)行期其他作用的分量為谷幅收縮過(guò)程的主要部分，而庫(kù)水位和溫度分量影響較小，谷幅線(xiàn)持續(xù)收縮的直接原因有待更加深入的研究。

(3)運(yùn)行期谷幅跨江段、谷幅洞內(nèi)測(cè)距和石墨桿收斂計(jì)相應(yīng)測(cè)段成果變形值和變化量接近，二者變形趨勢(shì)非常接近，近乎平行關(guān)系，說(shuō)明谷幅測(cè)線(xiàn)和石墨桿收斂計(jì)成果均真實(shí)可靠。

(4)運(yùn)行期谷幅持續(xù)的收縮變形將對(duì)拱壩形成擠壓，后續(xù)可結(jié)合大壩垂線(xiàn)切向變形、溫度場(chǎng)的變化進(jìn)行深入研究，以深入分析谷幅收縮變形對(duì)拱壩變形狀態(tài)的影響。