水電站蓄水期庫岸變形的不同維度特征及預(yù)測★

石繼忠

(浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310014)

1 概述

水利工程的安全運行關(guān)乎國計民生。水庫蓄水后,涉水條件下的庫岸周邊巖體的滲流場、應(yīng)力場等在水動力條件作用下發(fā)生改變，可能導(dǎo)致壩踵、壩身開裂破壞，也可能誘發(fā)庫岸坍塌、崩塌、巖體蠕變、滑坡等。在水庫蓄水期發(fā)生庫岸變形的工程案例在國內(nèi)外均有。如法國1954年建成的Malpasset拱壩(壩高66 m)在1959年由于壩基巖體非均勻大變形而潰壩，導(dǎo)致300億法郎的財產(chǎn)損失；意大利1959年建成的Vajont拱壩(最大壩高263 m)在1963年由于近壩庫區(qū)2億多立方米滑坡引起的庫水越壩失事，摧毀了Longarone市等地[1-2]。在國內(nèi)，1961年開始蓄水的柘溪水庫和1977年開始蓄水的鳳灘水庫在蓄水初期分別有30和20余處庫岸變形[3]；三峽庫區(qū)的樹坪滑坡在水位下降時變形加劇，三門洞滑坡受庫水位升降影響呈現(xiàn)階躍狀蠕變變形狀態(tài)[4-5]；拉西瓦水電站的果卜岸坡的變形與蓄水過程相關(guān)，近120 Mm3～150 Mm3的滑坡體存在潛在高風險，發(fā)展趨勢尚在研究中[6]。

可見，水電站庫岸變形的合理預(yù)測和有效防護是非常關(guān)鍵的。因此，本文在開展庫岸變形的監(jiān)測與防護分析的基礎(chǔ)上，研究了水平方向的谷幅變形、垂直方向的庫盤變形以及典型的離散滑坡體三個方面的庫岸變形的預(yù)測方法，重點分析了離散滑坡體的涌浪問題的預(yù)測方法，旨在為擬建、在建水電站的安全監(jiān)測與防護管理提供參考借鑒。

2 水電站蓄水期的庫岸變形問題特征

庫岸變形研究的主要手段監(jiān)測，采用多方位、多種類的監(jiān)測儀器及計算方法進行庫岸變形危害防控和預(yù)警。在變形監(jiān)測時，全站儀、應(yīng)力應(yīng)變計和GPS定位應(yīng)用廣泛[7-8]，同時三維激光掃描、分布式光纖感測[9-10]等非接觸式新型測試技術(shù)也被應(yīng)用于實踐。

2.1 不同蓄水期的水電站庫岸變形特征

庫岸變形在水電站蓄水初期和蓄水運行期均有研究。在蓄水初期，庫岸變形主要在分級增蓄庫水位的條件下觀測。尹云坤等[11]分析了2008年—2011年間，小灣水電站以1 037.69 m，1 160.00 m，1 181.91 m，1 240.00 m分段蓄水特征庫水位的條件下，庫岸變形以坍塌型為主，指出牽引式逐級失穩(wěn)型的近壩庫岸變形體尚不影響壩體安全。楊弘等[12]分析了2012年—2014年間，錦屏一級水電站以1 700 m，1 800 m，1 840 m，1 880 m分段蓄水特征庫水位的條件下，左岸邊坡變形與蓄水過程無明顯相關(guān)性，而近壩庫岸三灘右岸變形體受蓄水過程影響明顯且存在整體失穩(wěn)風險。在蓄水運行期，庫水位的往復(fù)漲落是誘發(fā)庫岸變形的主要因素之一。楊靜熙等[13]對比了錦屏一級水電站正常蓄水期與蓄水初期的庫岸變形規(guī)律，指出蓄水初期和運行期的新增變形數(shù)量相當，蓄水初期是庫岸變形的主要發(fā)育期。綜上可見，近壩區(qū)變形體和樞紐區(qū)邊坡是庫岸變形監(jiān)測的關(guān)鍵部位。

2.2 典型工程的庫岸變形問題特征分析

典型工程的庫岸變形問題分析，有助于為本體和同類型水電站的庫岸防護提供決策參考依據(jù)。下面就蓄水期庫岸離散滑坡體涌浪、高拱壩的庫盤和谷幅變形問題進行特征分析。

針對近庫岸變形體滑坡及其次生涌浪的研究，有助于對存在或者潛在的危害開展針對性防控和預(yù)警。近庫岸滑坡涌浪以滑坡體入水處為中心，向周界快速傳播，受滑坡體、河型等的綜合影響。已建的工程中，柘溪水電站的唐家溪滑坡體[14]，長江三峽水電站的龔家方、紅巖子滑坡體[15]，黃河龍羊峽水電站的近壩庫岸南岸[16]，瀾滄江小灣水電站的西密滑坡[17]等，均存在或者潛在引發(fā)次生涌浪危害。近期，黃河已建工程的拉西瓦水電站的果卜岸坡滑坡體，雅礱江在建工程卡拉水電站的田三滑坡[18]均針對性地開展了涌浪危害預(yù)測。

關(guān)于庫盤變形和谷幅變形，在超靜定結(jié)構(gòu)的高拱壩中的變形近年來備受關(guān)注。

庫盤變形主要由庫水荷載作用下的壩前、后沉降差異引起，以壩基向上游轉(zhuǎn)動，壩體向上游傾倒變形表現(xiàn)特征。庫盤變形有沉降和抬升兩種類型。在我國的小灣和溪洛渡等水電站中表現(xiàn)為沉降。其中，小灣水電站2008年—2012年的實測資料分析表明其沉降變形和平面變形最大值分別達35 mm和11.37 mm，翹曲角度與庫水位和高程的變化分別呈正相關(guān)和負相關(guān)關(guān)系[19]；溪洛渡水電站在蓄水初期的右岸沉降大于左岸[20]。谷幅變形指沿橫河向，采用水庫兩岸山體等高程對稱點相對距離變化表征的變形，可通過布置谷幅測線監(jiān)測計量。

谷幅變形包括擴張和收縮兩種模式，在我國的錦屏一級和溪洛渡水電站中表現(xiàn)為收縮變形，且其對溪洛渡水電站的影響被重點關(guān)注。其中，錦屏一級水電站的大壩下游側(cè)谷幅測線以2014年9月27日為參照，從第一蓄水階段到第四蓄水階段變化量由-12.92 mm減小至-1.70 mm，變化漸小但尚未收斂；溪洛渡水電站的上下游谷幅測線從2012年12月～2018年4月間的累計收縮量為66.36 m～87.31 mm且尚未完全收斂[21]。

3 庫岸變形問題的特征預(yù)測

庫岸變形的預(yù)測是在監(jiān)測的基礎(chǔ)上，采用理論計算方法或者數(shù)值模擬技術(shù)進行庫岸變形預(yù)測分析。庫岸變形計算理論涉及有限元強度折減法，通常采用的分析軟件包括Geo-studio[22],FLAC3D,Modflow-3D軟件等。在蓄水期庫岸滑坡涌浪問題的特征預(yù)測時，需要與水動力軟件耦合計算；在開展高拱壩的庫盤、谷幅變形問題特征預(yù)測時，需要深層次的地勘監(jiān)測成果和大比尺的模擬計算分析。與此同時，通過開展物理模型試驗研究對庫岸變形的運動特征及變化走向，也是行之有效的方法，庫岸變形的預(yù)測為庫岸變形危害防控和預(yù)警提供了有力支撐。

3.1 典型離散滑坡體穩(wěn)定性預(yù)測

田野等[23]以三峽庫區(qū)的八字門滑坡體為研究對象，通過數(shù)值模擬研究指出該滑坡體的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)在巖土體滲透系數(shù)一定時，與庫水位上升和下降速率分別成負相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系的特征。劉佳賓等[24]以小浪底庫區(qū)大柿樹滑坡為例，分析了大柿樹滑坡體為水泉頭古滑坡的復(fù)活體,其破壞形式以牽引式蠕滑為主,根據(jù)剛體極限平衡法采用Geo-studio程序預(yù)測分析其在天然工況、暴雨及庫水位驟降情況下仍能保持穩(wěn)定狀態(tài)，但庫水位漲落、降雨滲水和地下水及地下巖體活動的影響都會促使滑坡進一步發(fā)展，同時其發(fā)展呈“階躍式”變形，在雨季庫水位變化頻繁時變形更為明顯。

近庫岸滑坡涌浪的分析與計算是近庫岸變形體滑坡預(yù)測的主要內(nèi)容，涉及滑坡體的生成傳播過程，包括下落速度、涌浪高度等關(guān)鍵指標。陳小婷等[25]基于上述參數(shù)，采用PIV技術(shù)對滑坡涌浪進行了兩相運動分析，該技術(shù)突破了傳統(tǒng)的有限點監(jiān)測技術(shù)的限制，從能量關(guān)系方面推斷了水體的動態(tài)變化趨勢；牟萍等[26]通過建立滑坡涌浪三維物理模型，測定了在滑坡涌浪下三峽庫區(qū)船舶航行的安全閥值，指出了相對安全的航行區(qū)域；田野等[27]研究了涌浪對庫區(qū)內(nèi)橋墩的沖擊壓力，分析了滑坡方量及涌浪高度對橋墩的沖擊波效應(yīng)，指出沖擊波效應(yīng)不是單獨的孤立波疊加，而是基于多元線性回歸分析法得出的最大沖擊波計算公式。

綜上可見，典型滑坡體一般能夠建立較為完善的預(yù)測模型，其分析手段一般采用數(shù)值模擬和工程地質(zhì)分析法相結(jié)合的手段進行分析，同時能夠運用模型試驗進行模擬分析，手段較為成熟、多元化，預(yù)測準確率高，能夠較好的判定滑坡體的穩(wěn)定程度，同時也突破了單獨的針對滑坡體自身的研究分析，也逐步拓展到了其影響區(qū)域水體中構(gòu)筑物的研究，為水電站庫區(qū)內(nèi)交通運行、橋墩穩(wěn)定分析提供了有力參考，滑坡體的防控預(yù)測更加全面。

3.2 垂直方向庫盤變形的預(yù)測

庫盤變形的影響主要表現(xiàn)為以壩體為軸庫盤上傾下翹，是河道區(qū)域內(nèi)垂直方向的一種大范圍變形，主要發(fā)生在蓄水過程階段，受水體重力和水位變化影響較大，其發(fā)展將影響壩體的整體安全穩(wěn)定。吳邦彬、張奎等[28-29]針對不同類型河道概化庫盤模型，進行了直線型河道、分叉型河道、突擴型河道、拐彎型河道與大壩安全穩(wěn)定的敏感性分析，指出來流流量變化至壩體的距離，水位變化是影響庫盤變形和壩體變形的顯著因素；張禮兵等以小灣水電站為例，采用有限元分析計算出庫盤最大翹曲角度位于河床中部，庫盤翹曲角度與庫水位呈正相關(guān)關(guān)系，而與庫盤高程呈負相關(guān)關(guān)系，同時指出庫盤變形受水體分布影響，蓄水后庫盤變形在平面上呈壩上游朝右岸下游、下游朝左岸上游的“右旋”狀態(tài)。張禮兵等[30]就高拱壩庫盤變形的監(jiān)測技術(shù)進行了研究拓展，同時也指出了現(xiàn)階段庫盤變形監(jiān)測的不足。

綜上可見，庫盤變形是通過水體變化使壩體或庫盤產(chǎn)生變形的一種時效變形，大范圍影響壩體的穩(wěn)定安全，現(xiàn)階段主要的預(yù)測防控在于庫盤變形對壩體安全穩(wěn)定的影響和作用機理。但就目前的監(jiān)測預(yù)測技術(shù)來講，仍有一定的局限，受庫區(qū)淹沒狀態(tài)影響，監(jiān)測儀器在河床位置布置較少或者未布置，導(dǎo)致監(jiān)測的范圍和深度都有一定的不足，庫盤變形的預(yù)測防控有待進一步的加深和拓展新的思路。

3.3 水平方向谷幅變形的預(yù)測

谷幅變形是庫區(qū)岸坡在水平方向的一種時效變形，包括彈性變形和塑性變形，谷幅變形主要是由蓄水后滲流場改變，庫岸邊坡的水位線變化，巖體應(yīng)力重新穩(wěn)定的過程導(dǎo)致的變形，程恒等[31]分析認為庫盤水壓面載引起的變形分量、庫水位滯后效應(yīng)分量以及氣溫分量對谷幅變形影響較小，多數(shù)為時變效應(yīng)；谷幅變形表現(xiàn)形式有河谷收縮、岸坡擴張，何柱等[32]以溪洛渡水電站為例，就溪洛渡電站持續(xù)的谷幅收縮變形進行反演分析，預(yù)測蓄水后長期的谷幅變形趨勢和對壩體的影響，得出蓄水10年后趨于穩(wěn)定；任青文等[33]考慮巖體在非飽和狀態(tài)下滲流和應(yīng)力耦合作用，建立非飽和巖體模型，預(yù)測了巖體從非飽和狀態(tài)至飽和滲流的演變過程，得出飽和度與谷幅變形程度相關(guān)性的發(fā)展規(guī)律。

綜上可見，谷幅變形的形成機制及其與壩體性態(tài)的相關(guān)性分析是目前預(yù)測的重要內(nèi)容。通過現(xiàn)有的監(jiān)測資料進行反演谷幅變形發(fā)展規(guī)律，并判斷其能否收斂，但谷幅變形是一個長期耦合作用的產(chǎn)物，目前的監(jiān)測手段和關(guān)注程度仍有待提高，對高拱壩的谷幅變形監(jiān)測需盡快開展。

4 結(jié)語

目前，隨著高壩庫岸變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，防護方法也在不斷健全，對近庫岸變形體滑坡及其次生涌浪危害機制，以及高拱壩庫盤和谷幅變形特征認識的不斷深入，相應(yīng)的預(yù)測方法被不斷發(fā)展，但仍有很大的空間深入研究岸坡變形的機理和防控預(yù)測。

1)離散滑坡體的危害預(yù)測分析手段成熟，但離散滑坡體的影響范圍仍局限于滑坡體本身，應(yīng)加強對滑坡體影響范圍內(nèi)構(gòu)筑物的影響分析，特別在大型水庫區(qū)域規(guī)劃安全區(qū)域，拓展研究范圍有利于進一步進行水利工程安全預(yù)控。

2)庫盤變形和谷幅變形成因多為固液兩相耦合作用，對其預(yù)測多基于監(jiān)測成果的反演分析，但仍缺少規(guī)范化的監(jiān)測手段和預(yù)測方法，監(jiān)測手段仍有待提高和創(chuàng)新，特別是高拱壩的庫盤變形和谷幅變形預(yù)測是現(xiàn)階段高拱壩安全防控亟待解決的課題。