水電站廠房高后邊坡施工期安全監(jiān)測及成果分析

韋慶華　余金鳳　劉俊宏　崔彥斌

【摘 要】文章介紹了巴基斯坦阿萊瓦水電站廠房后邊坡在施工期間的監(jiān)測儀器布置，并以施工期間的監(jiān)測資料為依據(jù)，結(jié)合平時(shí)的巡視檢查所了解的邊坡外部變形情況，分析該邊坡的變形特點(diǎn)，總結(jié)超高邊坡淺層和深層變形規(guī)律及穩(wěn)定性影響因素。

【關(guān)鍵詞】水電站;邊坡;安全監(jiān)測;變形;穩(wěn)定性

【中圖分類號(hào)】TV698.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）07-0112-03

1 概述

邊坡問題一直是巖土工程的一個(gè)重要研究內(nèi)容，對(duì)水利水電工程領(lǐng)域尤其重要[1-3]。阿萊瓦水電站位于巴基斯坦西北邊境省，裝機(jī)容量為2×60.5 MW，設(shè)計(jì)最大流量為21 m3/s，年發(fā)電量為463 GW·h。主要建筑物包括混凝土壩（高60 m）、進(jìn)水口及沉沙池、消力池、引水斜隧洞及內(nèi)襯壓力鋼管、廠房、開關(guān)站、導(dǎo)流工程、金屬結(jié)構(gòu)、其他附屬建筑等，分大壩和廠房兩個(gè)施工區(qū)。廠房位于Jambera村下游約4 km處的印度河左岸岸邊，廠房后坡高度高約163 m，分9個(gè)馬道，屬超高邊坡，該邊坡體積大、高度高，其穩(wěn)定性將對(duì)廠房的施工安全及廠房的安全運(yùn)行產(chǎn)生直接影響。安全監(jiān)測對(duì)邊坡安全險(xiǎn)害預(yù)警及工程建設(shè)順利進(jìn)行起到保駕護(hù)航的作用[4]。

2 廠房后邊坡主要監(jiān)測手段及監(jiān)測儀器布置

施工期間布置的觀測儀器有兩類：①收斂計(jì)，主要測量地表裂縫變形情況，布置于廠房后邊坡開口線以上的地表裂縫處;②多點(diǎn)位移計(jì)，主要測量巖體內(nèi)部不同深度巖體的變形情況，分別監(jiān)測地表向內(nèi)5 m、10 m、20 m、30 m巖體的變形情況，分別在第9馬道（高程為562m）和第7馬道（高程為592 m）各埋設(shè)3套。隨著開挖進(jìn)度的推進(jìn)，從2007年5月開始對(duì)廠房后邊坡深部變形進(jìn)行監(jiān)測。

3 廠房后邊坡監(jiān)測資料成果分析

3.1 監(jiān)測成果

3.1.1 廠房后邊坡開口線以上的地表裂縫收斂計(jì)觀測資料統(tǒng)計(jì)

廠房后邊坡開口線以上的地表裂縫采用收斂計(jì)進(jìn)行觀測，布設(shè)一個(gè)觀測點(diǎn)，位于第一條裂縫的中部。2007年10月底至2008年2月因當(dāng)?shù)鼐謩菰蛭也砍冯x工程所在地，該儀器遭到當(dāng)?shù)鼐用衿茐模K止觀測，致使我部于2008年3月進(jìn)行重新布設(shè)測點(diǎn)，之后4月底再遭破壞，迫使再次布設(shè)測點(diǎn)，因此該點(diǎn)觀測資料分3個(gè)時(shí)段分析：①2007年4月—2007年10月期間主要觀測數(shù)據(jù)見表1;②2008年3月—2008年4月期間主要觀測數(shù)據(jù)見表1;③2008年5月—2008年8月，觀測成果如圖1所示。

根據(jù)圖1和表1初步判斷，2007年第一次觀測的變形增量異常，懷疑可能跟收斂監(jiān)測墩的混凝土收縮有關(guān)。從第二次觀測開始，變形逐漸變小，反映出裂縫變形速率逐漸變小，邊坡裂縫發(fā)育趨于一個(gè)逐漸穩(wěn)定的過程，其中在2007年7、9月變形增量略有增大，這與該時(shí)期內(nèi)的降雨有密切關(guān)系。在2008年6、7月均有一次突變值，該兩月降雨量較為充沛，因?yàn)樵摿芽p沒有明顯的開裂現(xiàn)象。月變形量除這幾次異常變形較大外，其余各月變形量均小于1 mm。說明邊坡頂部裂縫變形量較小，并處于發(fā)展階段，變形速率基本穩(wěn)定，但裂縫發(fā)育受降雨影響比較明顯。

3.1.2 廠房后邊坡592 m馬道附近多點(diǎn)位移計(jì)觀測資料統(tǒng)計(jì)

2007年4～10月，分別于592 m馬道和562 m馬道附近先后安裝了6個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)對(duì)廠房后邊坡深層變形進(jìn)行監(jiān)測。從廠房邊坡下游到上游儀器安裝順序依次為MPBE6、MPBE5、MPBE4、MPBE3、MPBE2、MPBE1，前3個(gè)位于593 m高程，后3個(gè)位于563 m高程，其中MPBE6數(shù)據(jù)變化最為突出，以MPBE6為例加以說明。

根據(jù)MPBE6觀測孔絕對(duì)位移值資料，20 m處變形增量最大，因此把20 m的監(jiān)測數(shù)據(jù)做為變形分析的基準(zhǔn)值，分析2007年4月29—2008年4月24日的變形規(guī)律。2008年4月10日觀測點(diǎn)20 m處的絕對(duì)累計(jì)變形量為102.73 mm，已超過儀器設(shè)定最大變形量100 mm，隨后該測點(diǎn)處于無讀數(shù)狀態(tài)。MPBE6絕對(duì)位移時(shí)程曲線如圖2所示。2008年2月以來，在邊坡592 m馬道邊緣和577～592 m的坡面上出現(xiàn)了裂縫，裂縫寬度一般為5 mm左右，局部可達(dá)2 cm。根據(jù)2008年4月的巡視檢查情況來看，裂縫尚有發(fā)展趨勢，與多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)相吻合。根據(jù)MPBE6各監(jiān)測點(diǎn)的絕對(duì)變形數(shù)據(jù)，有如下規(guī)律。

（1）位移的絕對(duì)值較大，2007年4月29日—2008年4月10日總累計(jì)變形量為102.19 mm。超過儀器量程，2008年8月7日該儀器10 m測點(diǎn)累計(jì)變形量達(dá)103.38 mm，超過儀器量程，致使觀測終止。

（2）邊坡變形受施工干擾較大。例如，在2007年5月19日和2007年6月20日，受下方邊坡的開挖及施工爆破的影響，監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較大的變化，但隨著下部邊坡的開挖成型，數(shù)據(jù)變化趨于穩(wěn)定。

（3）廠房邊坡持續(xù)變形，并在雨季有加速現(xiàn)象。其中，月累計(jì)變形量最大的為2007年7、8月，其20 m測點(diǎn)的絕對(duì)位移量分別為25.66 mm、43.91 mm，其余各監(jiān)測點(diǎn)均有以上規(guī)律。自2007年4月29日觀測以來，該點(diǎn)記錄的變形值逐日增加，平均增加速率為0.331 mm/d，但在7、8月邊坡變形速率有顯著的加速跡象，平均速率為0.926 mm/d。初步分析認(rèn)為，這段時(shí)間正值雨季，雨水較多，同時(shí)邊坡繼續(xù)開挖，坡角卸重過多，卸荷應(yīng)力增加;在2008年6月26日—2008年8月2日期間，該儀器10 m測點(diǎn)絕對(duì)位移量為9.99 mm，初步判斷，該點(diǎn)數(shù)據(jù)增大，其主要原因還是受降雨的影響（如圖2所示）。

3.2 監(jiān)測成果分析

根據(jù)已取得的廠房后邊坡監(jiān)測資料以及結(jié)合施工期間的巡視檢查情況，對(duì)廠房后邊坡的變形規(guī)律做如下初步分析。

（1）廠房后邊坡頂部地表裂縫仍處于變形階段，但變形量較小，變形速率比較穩(wěn)定。其變形機(jī)制受降雨影響較為明顯。由廠房后邊坡開口線以上松散層地表裂縫布設(shè)的收斂計(jì)監(jiān)測資料可知，從2007年4～10月共7個(gè)月時(shí)間，總變形量為11.53 mm，除4月上旬最初兩次的觀測數(shù)據(jù)較大，為異常數(shù)據(jù)，與混凝土墩收縮變形有關(guān)外，其余數(shù)據(jù)均較穩(wěn)定，最大月累計(jì)變形量為6.76 mm（數(shù)據(jù)異常）。在2008年3月15日—2008年4月18日期間，收斂值變化比較平穩(wěn)，變形速率較小。自2008年5月2日以來，在2008年6、7月份均有一次突變值外，之后各月變形速率相對(duì)較小。

（2）邊坡淺表部變形量較大，深部變形量較小，并且深部變形量有逐漸減小的趨勢。如表2所示，從各點(diǎn)監(jiān)測資料數(shù)據(jù)中顯示，相對(duì)位移量其淺部位數(shù)據(jù)大于深部位的數(shù)據(jù)，且根據(jù)監(jiān)測資料顯示，深部相對(duì)位移量變化速率有逐步減小的趨勢，至于深部巖體是否已趨于穩(wěn)定這一結(jié)論還需進(jìn)一步論證。

（3）同一馬道自上游側(cè)向下游側(cè)，變形量遞增。如表3所示，在同一馬道的各監(jiān)測點(diǎn)自上游側(cè)向下游側(cè)累計(jì)量呈遞增局勢，根據(jù)平時(shí)巡視檢查的情況來看，邊坡下游側(cè)的裂縫發(fā)育明顯多于上游測。其中，MPBE3的絕對(duì)位移量略顯反常，但根據(jù)各測點(diǎn)的相對(duì)位移變化值來看，該點(diǎn)的深部位移量均大于同一馬道的其他兩個(gè)測點(diǎn)，而淺部位移量小于其他兩個(gè)測點(diǎn)。

（4）邊坡變形存在下部變形量小、上部變形量大的規(guī)律。比較兩個(gè)馬道的監(jiān)測變形資料，對(duì)同一垂直面的兩支儀器在同一時(shí)期（從同一垂直面后安裝的儀器日期為起始）位移累計(jì)量進(jìn)行比較：上游592 m馬道累計(jì)變形量為10.13 mm，562 m馬道月累計(jì)變形量為8.40 mm;中部592 m馬道月累計(jì)變形量為18.06 mm，562 m馬道累計(jì)變形量為13.26 mm;下游592 m馬道累計(jì)變形量為68.51 mm，562 m馬道累計(jì)變形量為6.19 mm。根據(jù)邊坡的受力特點(diǎn)，這種情況并不符合理論邊坡巖體下部變形量大、上部變形量小的規(guī)律，但根據(jù)地質(zhì)資料表明，該邊坡的變形特點(diǎn)與其巖體的破碎不連續(xù)性有較大關(guān)聯(lián)，即觀測資料與其地質(zhì)資料所反映的情況并不矛盾，監(jiān)測數(shù)據(jù)是客觀、真實(shí)的，反映了巖體內(nèi)部的變形情況。

（5）控制廠房后邊坡整體穩(wěn)定性的內(nèi)因主要為巖體完整性差、巖體強(qiáng)度低等巖體質(zhì)量因素，外因主要為開挖卸荷及爆破松動(dòng)、風(fēng)化、降雨和地震等因素，其中施工爆破和地表水的影響較為明顯。廠房后邊坡于2007年8月已完成全部開挖，隨后進(jìn)行的是廠房基坑及壓力管道岔管段的開挖。截至2008年4月，廠房基坑開挖廠房后邊坡施工和岔管支洞的施工已基本結(jié)束。由于施工中對(duì)爆破松動(dòng)后的巖體沒有徹底清理干凈，因此邊坡表部存在一定的松動(dòng)巖體，爆破裂隙也發(fā)展到一定的深度范圍，受爆破影響，部分原生節(jié)理、裂隙會(huì)有一定的發(fā)展，巖體強(qiáng)度降低，受卸荷作用影響，邊坡表部的變形量加大，如施工期607 m馬道下游側(cè)出現(xiàn)塌方，637 m馬道邊緣、622 m馬道邊緣、592 m馬道邊緣均出現(xiàn)了裂縫等。由監(jiān)測資料可知，各監(jiān)測點(diǎn)變形量最大的時(shí)間是7、8月，而此時(shí)正值雨量最豐月份，這說明邊坡變形與降雨密切相關(guān)。

4 結(jié)語

影響多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的因素以邊坡自身的巖性為主，此外還有開挖卸荷、雨季、施工爆破干擾、地表水滲透和地震等因素。邊坡淺層裂縫變形較小，收斂數(shù)據(jù)變化受降雨影響最明顯。后邊坡上游較下游變形小，淺層變形大于深層變形，且深層變形趨于穩(wěn)定。經(jīng)過邊坡施工期變形監(jiān)測，持續(xù)為設(shè)計(jì)和下步施工提供相應(yīng)依據(jù)，真正發(fā)揮變形監(jiān)測的耳目作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2]王榮榮，蘇鵬，況淵，等.復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)水口后邊坡穩(wěn)定及治理[J].紅水河，2017，36（5）：11-15，30.

[3]張社榮，薛烈，撒文奇，等.水電站邊坡施工期4D安全信息模型研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2014，31（7）：2053-2057.

[4]張有興.表面監(jiān)測在邊坡安全監(jiān)測中的運(yùn)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（10）：225.