某水庫(kù)邊坡位移監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定分析研究

熊多嬌

(江西省九江市柴桑區(qū)水利局，江西 九江 332100)

1 概 述

我國(guó)大部分地區(qū)水電資源豐富，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的水電站應(yīng)運(yùn)而生。而水電站、水庫(kù)的修建，導(dǎo)致大量巖土邊坡的形成。當(dāng)水庫(kù)蓄水后，庫(kù)水會(huì)對(duì)邊坡造成較大的影響，使邊坡發(fā)生變形。，如果不對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，就無法掌握邊坡的變形特點(diǎn)，無法防止或避免可能發(fā)生的邊坡災(zāi)害。因此，開展邊坡監(jiān)測(cè)工作、實(shí)時(shí)了解邊坡的變形趨勢(shì)、研究坡體變形機(jī)制、準(zhǔn)確合理地對(duì)邊坡破壞進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)水庫(kù)、水電站等工程有著十分重要的意義，也對(duì)工程項(xiàng)目周邊居民的安全起著保障作用[1-3]。

趙明華[4]等借助多點(diǎn)位移計(jì)、滲壓計(jì)、測(cè)斜孔、表面位移監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)水電站建造形成的人工邊坡進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，邊坡變形的主要因素是開挖爆破，同時(shí)判斷出坡體變形趨勢(shì)基本停止，邊坡整體較為安全。韓鞠等[5]對(duì)某處滑坡的地下水位、大地變形以及深部變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，通過對(duì)比分析庫(kù)水位變化規(guī)律和每天的降雨量，建立了邊坡的失穩(wěn)模型。

本文結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)資料，通過在某大壩深部和表面設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的方法，采取表觀與深部?jī)煞N手段相結(jié)合，對(duì)其持續(xù)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析水庫(kù)邊坡的變形機(jī)制，為水庫(kù)后期運(yùn)行時(shí)的邊坡穩(wěn)定性分析和預(yù)測(cè)提供借鑒和依據(jù)。

2 水庫(kù)邊坡概況以及設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)

2.1 水庫(kù)邊坡概況

本文所研究水庫(kù)為大型水庫(kù)，水庫(kù)壩高約300 m，拱壩是較為典型的雙曲拱。水庫(kù)左岸邊坡從高程點(diǎn)1 571 m挖至2 090 m，總高519 m，挖掘高度和規(guī)模較大。壩區(qū)處露出的基巖主要為變質(zhì)巖，大致分成3部分：第一部分為綠片巖，位置處于地表之下，沒有露出；第二部分為灰白色的大理巖，夾雜部分綠片巖，厚約440 m，是壩區(qū)露出的主要地層，出露區(qū)域?yàn)樽蟀哆吰聵?biāo)高1 800 m以下的部分；第三部分厚度約為400 m，是砂巖與板巖的互層，出露區(qū)域?yàn)樽蟀哆吰聵?biāo)高1 800 m以上的部分。從總體來看，左岸巖層表現(xiàn)成反傾巖質(zhì)邊坡。在其上露出的煌斑巖脈從標(biāo)高接近2 100 m處連續(xù)至下游泄洪邊坡處，該巖脈寬度為2～3 m，具有較高的風(fēng)化程度。壩區(qū)主要有3組斷層，分別為NW-NWW、EW-NEE、NNE-NE向，主要控制性斷層分為f42-9、f2、f8以及f5。

2.2 設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)

從左岸邊坡中巖露的變形特征和地質(zhì)結(jié)構(gòu)可以看出，邊界自然環(huán)境、體積較大的“塊體”附近周圍主控結(jié)構(gòu)面以及高處傾倒變形體都會(huì)對(duì)其整體變形產(chǎn)生影響。因此，本文通過表觀與深部相結(jié)合的監(jiān)測(cè)手段，分別布設(shè)了表觀、深部監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便實(shí)現(xiàn)自內(nèi)向外的監(jiān)測(cè)邊坡變形的目的，保證蓄水階段坡體變形監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可行性。

左岸邊坡設(shè)置表觀監(jiān)測(cè)點(diǎn)80個(gè)，對(duì)各點(diǎn)的3個(gè)方位(X、Y、Z)的位移進(jìn)行同步觀測(cè)。主要在開挖區(qū)域內(nèi)布設(shè)上述表觀監(jiān)測(cè)點(diǎn)，大部分具體設(shè)置在上游拱肩槽開挖位置處。為了在施工完成后繼續(xù)監(jiān)測(cè)大高程處傾倒變形體的位移，額外設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，置于開口線之上的邊坡處，即在高程1 885 m之上的坡體和開口線之上的坡體，分別布設(shè)27個(gè)、12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將f42-9、f8、f5斷層、傾倒變形體以及煌斑巖脈露出的監(jiān)測(cè)區(qū)完全覆蓋。對(duì)于坡體深部的變形，則是把監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在一個(gè)揭穿坡體的平洞(PD44)內(nèi)來進(jìn)行的，測(cè)點(diǎn)數(shù)有10個(gè)。深部測(cè)點(diǎn)主要是對(duì)坡體內(nèi)X向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄。在本文中，以控制性結(jié)構(gòu)面以及穿越坡體關(guān)鍵位置的剖面為研究對(duì)象，通過分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來對(duì)坡體變形進(jìn)行研究。

3 剖面變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

與所選剖面相關(guān)的各表觀監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程從低到高依次是：TPL29點(diǎn)高1 886 m、TPL9點(diǎn)高1 990 m、TPL3點(diǎn)高2 021 m，TP11點(diǎn)高2 050 m、TPL83點(diǎn)高2 152 m、TPL84點(diǎn)高2 220 m。該剖面坡體的深部平洞分別為PD50、PD48、PD44、PD40，因?yàn)镻D44揭穿左岸邊坡的斷層f42-9、結(jié)構(gòu)面煌斑巖脈X以及較多深拉裂縫，將其視為特別監(jiān)測(cè)點(diǎn)，所以分析深部位移變化時(shí)以PD44為研究對(duì)象。

3.1 表觀變形監(jiān)測(cè)

對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)行進(jìn)處理和匯總，分別得到其位移傾角、位移方位角、總位移以及水平位移的變化規(guī)律圖，見圖1-圖4。在2013年10月8日之后，水庫(kù)蓄水完成。觀察分析圖1能夠看出，TPL29監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移傾角一直處于0°以下，呈現(xiàn)出仰傾角的形態(tài)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)水庫(kù)開始蓄水后，庫(kù)中水會(huì)產(chǎn)生向上的浮力，作用在坡體上形成一種托力，迫使其被向上抬起發(fā)生變形。位于開口線以上自然邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總位移大于位于人工開挖支護(hù)邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總位移。其它各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移傾角則大部分屬于19°～28°的范圍內(nèi)，這也表明沉降是豎直方向(Z方向)的主要變形形式。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移方位角變化規(guī)律圖中可以看出，水平位移方位角大多數(shù)為115°～130°之間，能夠發(fā)現(xiàn)邊坡的變形方向是朝著上游方向發(fā)展的，但這種傾向的趨勢(shì)不大。處在傾倒變形區(qū)的點(diǎn)TPL84(高程2 220 m)總位移量最大，達(dá)到89.5 mm；其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量則在高程下降時(shí)，隨之降低。分析剖面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形情況得出，水平位移的變化范圍是19.7～84.5 mm，同時(shí)表現(xiàn)出隨著高程點(diǎn)降低而逐漸減小的趨勢(shì)，且Y方向的分量主導(dǎo)了水平位移。

圖1 各點(diǎn)位移傾角變化規(guī)律

圖3 各點(diǎn)總位移變化規(guī)律

圖4 各點(diǎn)水平位移變化規(guī)律

也可以看出，TPL84和TPL83的變形量要比其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量大，且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總位移量與水平位移量沒有較大差別，這也表明邊坡中傾倒變形體的Y向位移要高于邊坡人工開挖后形成的松弛變形和荷載回彈。

3.2 深部變形的監(jiān)測(cè)

平洞PD44在左岸邊坡上游位置處，高程為1 929 m，在平洞內(nèi)設(shè)置石墨桿位移計(jì)測(cè)段10個(gè)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)11個(gè)。監(jiān)測(cè)過程中，把洞內(nèi)最深處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)PD11視作監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，其它各點(diǎn)為正常測(cè)點(diǎn)。正常測(cè)點(diǎn)共有12個(gè)，從里向外對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，分別為12～1。圖5為平洞PD44內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移隨時(shí)間的變化規(guī)律。平洞PD44穿過邊坡的斷層f42-9、結(jié)構(gòu)面煌斑巖脈X以及較多深拉裂縫。從蓄水開始到現(xiàn)在，PD44平洞的水平位移累計(jì)量為25 mm。對(duì)于平洞內(nèi)各測(cè)點(diǎn)，PD443、PD444兩測(cè)點(diǎn)從部分?jǐn)鄬又写┻^，蓄水期之后，其累計(jì)變形量達(dá)到3 mm；測(cè)點(diǎn)PD445-測(cè)點(diǎn)PD447則將煌斑巖脈X包含在內(nèi)，在蓄水期之后，其累計(jì)變形量達(dá)到6 mm；而深拉裂縫和斷層f42-9則包含在測(cè)點(diǎn)PD447-PD4410之間，同時(shí)這個(gè)測(cè)段的水平位移量也最大，變形量從蓄水后累計(jì)達(dá)到10 mm。平洞各測(cè)點(diǎn)的位移變化規(guī)律反映出其水平位移增加趨勢(shì)較為平穩(wěn)，變形速率在水庫(kù)中后期有所增加。

圖5 PD44平洞各點(diǎn)位移變化規(guī)律

3.3 變形機(jī)理分析

通過對(duì)左岸邊坡監(jiān)測(cè)坡面深部變形和表觀變形進(jìn)行分析，并與左岸邊坡本身的巖性組成和結(jié)構(gòu)相結(jié)合能夠看出，左岸邊坡在工程結(jié)構(gòu)和蓄水荷載作用下，坡體發(fā)生了持續(xù)變形，并且這種變形受到坡體“外傾主控結(jié)構(gòu)面分割+深部裂縫+反傾層狀結(jié)構(gòu)”的地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制，屬于一種常態(tài)化的變形調(diào)整。與監(jiān)測(cè)剖面的變形特征相結(jié)合，可以將變形調(diào)整總結(jié)為“上部?jī)A倒持續(xù)-深部張拉開裂-壩體與下部相協(xié)調(diào)”的變形機(jī)理。從整體來看，反傾層狀結(jié)構(gòu)為左岸邊坡級(jí)次最高的坡體結(jié)構(gòu)。處于開口線以上邊坡的測(cè)量點(diǎn)與開挖再支護(hù)邊坡的測(cè)量點(diǎn)相比，前者Z方向位移和總位移都大于后者。同時(shí)，隨著高程的提高，測(cè)量點(diǎn)的位移也不斷變大，這種特征與傾倒變形體的特點(diǎn)相一致。

從平洞中各測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠看出，坡體深部位移大部分發(fā)生在煌斑巖脈、深拉裂縫以及f42-9斷層等區(qū)域，并且豎直方向Z上位移相差不大，主要以水平向變形為主，這也說明深拉裂縫和主控結(jié)構(gòu)面控制了邊坡的整體變形。蓄水對(duì)坡體深部變形的影響較為明顯，當(dāng)持續(xù)蓄水時(shí)，水分滲透進(jìn)坡體，使其飽和區(qū)不斷增大，提高了孔隙水壓，降低了軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)，加劇了結(jié)構(gòu)的松弛程度，提高了深部變形速率。尤其是在水庫(kù)初始蓄水期間，水庫(kù)水位下降，軟弱結(jié)構(gòu)面位置處的水平位移繼續(xù)提高，這是由于邊坡內(nèi)部滲透系數(shù)比較低，無法及時(shí)將水分排出，這就產(chǎn)生了一種滲透壓力，且方向向外。當(dāng)水庫(kù)蓄水完成，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)后，坡體適應(yīng)了水庫(kù)水位變化，內(nèi)部變形速率也逐漸降低。

在開口線之下，開挖再支護(hù)邊坡表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移主要在水平向，而且位移產(chǎn)生的范圍大致相同，說明巖體開挖卸荷對(duì)其的影響一直在持續(xù)。水庫(kù)蓄水接近標(biāo)準(zhǔn)水位1 880m高程處，水庫(kù)水位升高和降低的變化對(duì)邊坡的影響比較明顯。當(dāng)水庫(kù)中水位持續(xù)升高，坡體受庫(kù)水產(chǎn)生的浮力也就越大，坡體受浮力影響被迫抬起，這就造成該位置的位移不再是沉降，而轉(zhuǎn)變?yōu)樘?/p>

4 結(jié) 論

通過設(shè)置表觀監(jiān)測(cè)點(diǎn)和深部監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)某大壩的變形規(guī)律和變形機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

1) 水庫(kù)邊坡開口線之上的天然邊坡有較為普遍的傾倒現(xiàn)象，并在蓄水荷載作用下，坡體發(fā)生了持續(xù)變形，并且沒有減弱趨勢(shì)。該位置處的持續(xù)變形受邊坡表部開挖卸荷、巖體結(jié)構(gòu)、板巖軟硬互層、自身砂巖共同控制，屬于一種常態(tài)化的變形調(diào)整。與監(jiān)測(cè)剖面的變形特征相結(jié)合，可以將變形調(diào)整總結(jié)為“上部?jī)A倒持續(xù)-深部張拉開裂-壩體與下部相協(xié)調(diào)”的變形機(jī)理。

2) 坡體深部位移大部分發(fā)生在煌斑巖脈、深拉裂縫以及f42-9斷層等區(qū)域，并且豎直方向上位移相差不大，主要以水平向變形為主，這也說明深拉裂縫和主控結(jié)構(gòu)面控制了邊坡的整體變形。

3) 在開口線之下，開挖再支護(hù)邊坡的表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移主要在水平向。水庫(kù)蓄水接近標(biāo)準(zhǔn)水位1 880 m高程處，水庫(kù)水位升高和降低的變化對(duì)邊坡的影響比較明顯。當(dāng)水庫(kù)中水位持續(xù)升高，坡體受庫(kù)水產(chǎn)生的浮力也就越大，坡體受浮力影響被迫抬起，這就造成該位置的位移不再是沉降，而轉(zhuǎn)變?yōu)樘?/p>