西部某大型水電站左岸邊坡穩(wěn)定性分析

盧為偉，張 凱

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南省長沙市 410014）

0 引言

西部某大型水電站為雙曲拱壩，工程規(guī)模巨大，左岸邊坡開挖高度達(dá)530m，總開挖量約550萬m3。具有高山峽谷、高拱壩、高邊坡、高地應(yīng)力、高水頭及深部卸荷等“五高一深”特點(diǎn)，是目前水電工程中開挖高度最高、開挖規(guī)模最大、穩(wěn)定條件最差的邊坡工程之一，其高邊坡的安全穩(wěn)定問題十分突出[1]。特別是蓄水后邊坡的穩(wěn)定性不僅關(guān)系到電站的安全運(yùn)行，更關(guān)系到上下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全。當(dāng)前，關(guān)于大型水電站壩肩邊坡的變形監(jiān)測成果多為單一監(jiān)測項目分析或針對施工期、蓄水期、運(yùn)行期中的某一工程階段進(jìn)行分析。本文從不同類型的監(jiān)測手段，結(jié)合施工期至運(yùn)行期長周期的監(jiān)測資料成果進(jìn)行對比，對左岸邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，監(jiān)測成果對保障工程安全運(yùn)行具有重要作用。本文的研究思路可為類似工程邊坡提供參考和借鑒[2]。

1 地質(zhì)概況與儀器布置

1.1 地質(zhì)概況

電站樞紐區(qū)左岸邊坡山體雄厚，谷坡陡峭，基巖裸露，相對高差千余米，為典型的深切“V”型谷，為深部裂縫發(fā)育強(qiáng)烈區(qū)，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。邊坡巖體中主要結(jié)構(gòu)面為以f5、f8、以及f42-9斷層為代表的小斷層、層間擠壓破碎帶、SL441裂縫為代表的深部裂縫及卸荷裂隙，強(qiáng)風(fēng)化、松弛拉裂的煌斑巖脈在II2線上游開挖邊坡中出露，往上游向坡體深部延伸?？刂七吰驴赡苁Х€(wěn)破壞的各種滑移塊體的主要邊界條件主要包括：煌斑巖脈（X），與煌斑巖脈近于平行的一系列NE向傾SE（順坡向）卸荷裂隙、深部裂縫，f42-9斷層，f42-9斷層上盤平行于斷層的一系列小斷層等。左岸EL.1 885m以下開挖邊坡即拱肩槽邊坡由上游坡、壩頭坡和下游坡三部分組成，工程邊坡與其上下游自然邊坡形成一個三面臨空的坡體，控制著左岸壩頭變形拉裂體的穩(wěn)定，根據(jù)設(shè)計、地勘資料，左岸邊坡主要斷層、深部裂縫分布如圖1所示[3]，典型開挖斷面如圖2所示，包括f5、f8、以及f42-9斷層為代表的小斷層、層間擠壓破碎帶，約1 890—1 920m以上出露第三段砂板巖，以下出露大理巖，巖層以中等傾角反傾坡內(nèi)。

圖1 左岸邊坡主要斷層、深部裂縫分布

圖2 左岸邊坡典型開挖斷面圖

1.2 儀器布置

現(xiàn)階段揭露的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和變形跡象顯示，左岸邊坡的整體變形受到高位傾倒變形體以及“大塊體”周圍主控結(jié)構(gòu)面和周圍邊界自然因素的影響。因此，通過表層監(jiān)測點(diǎn)和深部位移監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)，形成一套由表及里的全面監(jiān)測體系，為蓄水期和運(yùn)行期的變形監(jiān)測提供了有力保障[4]。

左岸邊坡共計布設(shè)表面變形觀測墩74個，其中：1區(qū)高位傾倒變形區(qū)26個測點(diǎn)、2區(qū)上游梁山梁f5/f8殘留體變形區(qū)13個測點(diǎn)、3區(qū)拱肩槽上游開挖邊坡10個測點(diǎn)、4區(qū)拱壩壩肩邊坡6個測點(diǎn)、5區(qū)抗力體邊坡5個測點(diǎn)、6區(qū)水墊塘霧化區(qū)邊坡14個測點(diǎn)。工作基點(diǎn)采用平面控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行往返對向觀測，基點(diǎn)每年復(fù)測，測點(diǎn)分區(qū)布置圖見圖3。

圖3 左岸邊坡表面變形測點(diǎn)分區(qū)布置圖

左岸邊坡目前完好的四點(diǎn)式多點(diǎn)位移計16套/49支，六點(diǎn)式多點(diǎn)位移3套/17支計，測點(diǎn)間距8—17.5m，最大埋深100m，深入基巖，測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 左岸邊坡多點(diǎn)位移計測點(diǎn)布置圖

左岸EL.1 930m的PD44平硐底板布置有一套6點(diǎn)式石墨桿收斂計（埋深203.5m）及一套12點(diǎn)式石墨桿收斂計（埋深202m）。左岸EL.1 930m的PD42平硐主洞布置有一套6點(diǎn)式石墨桿收斂計（埋深93m）、上游支洞布置有一套11點(diǎn)式石墨桿收斂計（埋深158.25m）。左岸EL.1915m排水洞#3支洞內(nèi)布置有1套5點(diǎn)式石墨桿收斂計（埋深97.3m）。石墨桿收斂計布置見圖5，監(jiān)測斷面圖見圖6—圖7。

圖5 左岸邊坡石墨桿收斂計布置圖

圖6 PD44監(jiān)測斷面圖

圖7 PD42監(jiān)測斷面圖

此外，左岸邊坡目前正常運(yùn)行錨索測力計41套；正常運(yùn)行三點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計24套/37支。

2 監(jiān)測成果分析

2.1 表面變形

開口線以上高位傾倒變形區(qū)（1區(qū)）變形量較大，施工期變形速率1.5mm/月，首次蓄水期變形速率0.6mm/月，初蓄期變形速率0.9mm/月，運(yùn)行期變形速率0.6mm/月。

上游山梁f5和f8殘留體變形區(qū)（2區(qū)），施工期變形速率0.5mm/月，首次蓄水期變形速率0.4mm/月，初蓄期變形速率1.4mm/月，運(yùn)行期變形速率0.6mm/月。

拱肩槽上游開挖邊坡（3區(qū)），施工期變形速率0.9mm/月，首次蓄水期變形速率0.2mm/月，初蓄期變形速率1.0mm/月，運(yùn)行期變形速率0.4mm/月。

拱壩壩肩邊坡（4區(qū)）、拱壩抗力體邊坡（5區(qū)）和水墊塘霧化區(qū)邊坡（6區(qū)）位移量值較小，蓄水對邊坡位移影響不明顯，運(yùn)行期變形速率0.0—0.1mm/月。

其中4區(qū)、5區(qū)、6區(qū)邊坡變形已收斂；1區(qū)仍在進(jìn)行變形調(diào)整持續(xù)傾倒；2區(qū)為庫岸邊坡變形，對大壩直接影響較小；3區(qū)變形呈收斂趨勢，已進(jìn)入長期漸變收斂期，變形區(qū)域在f42-9斷層的上盤范圍，不影響壩肩穩(wěn)定。

左岸邊坡各分區(qū)典型測點(diǎn)階段性變形速率統(tǒng)計表見表1，左岸邊坡測點(diǎn)水平位移矢量圖見圖8—圖9，各測區(qū)階段性位移變形速率柱狀圖見圖10。

圖8 左岸邊坡各測點(diǎn)水平位移矢量圖

圖9 左岸霧化區(qū)各測點(diǎn)水平位移矢量圖

圖10 各測區(qū)階段性位移變形速率柱狀圖

表1 左岸邊坡各分區(qū)典型測點(diǎn)階段性變形速率統(tǒng)計表

2.2 多點(diǎn)位移計

左壩肩邊坡多點(diǎn)位移計變形量值微小。變形增大主要發(fā)生在開挖施工期，施工變形速率在-0.09—0.31mm/月之間；首次蓄水期變形速率在-0.40—0.29mm/月之間；初蓄期變形速率在-0.28—0.15mm/月；運(yùn)行期變形速率在-0.12—0.12mm/月，進(jìn)入運(yùn)行期后，變形速率有所減小。

2.3 石墨桿收斂計

石墨桿收斂計布置在地勘平硐內(nèi)，不僅能直接監(jiān)測平硐變形，還能得到測點(diǎn)的累計變形過程，在邊坡監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用[5]。

（1）PD44平硐

PD44平硐前期和后期安裝的兩套石墨桿收斂計，開挖期變形較大，開挖完成后速率減小，初蓄期變形速率有所增加，初蓄期變形速率為0.66mm/月、0.77mm/月，運(yùn)行期內(nèi)位移速率呈減小趨勢。

兩組石墨桿收斂計整個監(jiān)測洞段累計位移歷時過程線對比可知，兩套石墨桿收斂計所觀測位移總體變化趨勢基本一致，均顯示目前監(jiān)測部位巖體仍存在向山體外的少量變形。PD44平硐兩套石墨桿合位移歷時曲線見圖11。

圖11 PD44平硐石墨桿合位移歷時曲線

（2）PD42平硐

整個監(jiān)測洞段位移為43.84mm，開挖期位移速率較大為0.32mm/月，開挖完成后位移速率有所減小，變形速率呈減小趨勢。位于0+035.20—0+049.40的#4測點(diǎn)變化最大，施工期至運(yùn)行期月變形速率在0.16—0.18mm/月，未見明顯減小，變形主要受f42-9斷層影響。PD42主洞石墨桿各測段位移變形速率柱狀圖見圖12。

（3）EL.1 915m排水洞

整個監(jiān)測洞段位移值為30.42mm，施工期變形速率為0.13mm/月，首次蓄水期變形速率為0.43mm/月，初蓄期變形速率為0.46mm/月，運(yùn)行期變形速率為0.21mm/月，洞段位移主要表現(xiàn)為持續(xù)增加，主要發(fā)生在0+023.90—0+039.2測段，為f42-9、煌斑巖脈（X）影響區(qū)。1 915排水洞石墨桿變形速率柱狀圖見圖13。

圖13 EL.1 915m排水洞石墨桿變形速率柱狀

2.4 錨索測力計、錨桿應(yīng)力計

左岸邊坡絕大部分錨索損失率在±10%之間。錨索錨固力在1 173.65—3 443.08kN范圍，錨索荷載的變化主要發(fā)生在開挖施工期，運(yùn)行期錨索荷載變化量較小，錨桿應(yīng)力調(diào)整較小。

3 監(jiān)測成果對比分析

左岸邊坡錨索測力計、錨桿應(yīng)力計變化量值較小，且安裝埋設(shè)部位與其他監(jiān)測手段不在同一斷面，故本文不進(jìn)行對比分析。

3.1 表面變形觀測與多點(diǎn)位移計對比分析

表面變形觀測墩與多點(diǎn)位移計測點(diǎn)均表現(xiàn)為開挖初期變形速率較大，蓄水期及運(yùn)行期變形速率逐漸減小的規(guī)律。相同觀測時期內(nèi)，兩者位移增量及變化速率差異較大，且表面變形觀測墩位移呈長期持續(xù)增長趨勢，多點(diǎn)位移計變形速率則有明顯放緩趨勢，且位移增長主要發(fā)生在施工開挖期，表明相對于表面變形，邊坡淺部變形收斂較快。表面變形與多點(diǎn)位移計成果對比見圖14。

圖14 表面變形與多點(diǎn)位移計成果對比圖

3.2 深部變形監(jiān)測對比分析

（1）PD44平硐石墨桿與谷幅對比分析

PD44平硐布置有一套6點(diǎn)式石墨桿收斂計，在其附近布設(shè)了5個谷幅測墩。統(tǒng)一監(jiān)測時段內(nèi)石墨桿收斂計與谷幅測線位移增量分別為59.85mm、61.00mm，兩者變化趨勢一致，測值相近。PD44石墨桿與谷幅洞內(nèi)測距與監(jiān)測成果對比見圖15。

圖15 PD44平洞谷幅、石墨桿位移對比圖

（2）PD42平硐石墨桿與谷幅對比分析

PD42平硐主洞布置有一套6點(diǎn)式石墨桿收斂計，在其附近布設(shè)兩個谷幅測墩。統(tǒng)一監(jiān)測時段內(nèi)石墨桿收斂計與谷幅測線位移增量分別為46.66mm、47.40mm，兩者位移增量差異較小，變化趨勢一致，說明兩種監(jiān)測手段成果可靠。PD42石墨桿與谷幅洞內(nèi)測距監(jiān)測成果對比見圖16。

圖16 PD42主洞洞內(nèi)谷幅與石墨桿移對比圖

4 結(jié)論

本文以西部某大型水電站左壩邊坡為例，采用不同類型的監(jiān)測手段，并結(jié)合施工期至運(yùn)行期長周期的監(jiān)測成果，開展了邊坡穩(wěn)定性分析，取得了以下研究結(jié)論，希望能為類似工程提供借鑒和參考：

（1）統(tǒng)計各種監(jiān)測方法左岸深部變形運(yùn)行期歷年變形情況，分析了左岸邊坡在運(yùn)行期的變形規(guī)律，說明左岸邊坡整體變形雖未收斂，但變形在逐漸減緩、逐漸趨于收斂。

（2）左岸開口線以上自然邊坡的傾倒變形現(xiàn)象十分普遍，蓄水后變形保持穩(wěn)定增長趨勢尚未收斂。該區(qū)的持續(xù)變形主要受自身砂巖、板巖軟硬互層的巖性組成與巖體結(jié)構(gòu)以及淺表部卸荷改造作用共同控制，受庫水位上升引起巖體有效應(yīng)力降低和巖體軟化的影響，各測點(diǎn)繼續(xù)向山外變形，變形尚未收斂但變形速率有減小趨勢，仍處于調(diào)整期[6]。

（3）左岸邊坡的整體變形還受主控結(jié)構(gòu)面以及深拉裂縫控制。分析監(jiān)測數(shù)據(jù)得知，左岸邊坡深部變形主要集中在f42-9斷層、深拉裂縫以及煌斑巖脈X所在的區(qū)域，變形以水平方向為主，蓄水變形響應(yīng)也較為明顯。深部變形的原因主要是坡體深部裂縫區(qū)的持續(xù)拉張變形，以及斷層f42-9和煌斑巖脈X所體現(xiàn)的非滑移式拉裂松弛變形，受深部裂縫和斷層影響較為明顯。

（4）為更好地進(jìn)行實時監(jiān)測，左岸邊坡共計布設(shè)了5套GNSS監(jiān)測系統(tǒng)，分別布設(shè)在開口線以上高位傾倒變形區(qū)2套和拱肩槽上游開挖邊坡3套，對變形大、關(guān)注度高的測區(qū)進(jìn)行及時有效地預(yù)警?！?/p>