錦屏一級水電站壩肩邊坡及谷幅變形分析

陳 曉 鵬， 陳 太 乙

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

水電工程蓄水后，在庫水作用下引起近壩區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)條件發(fā)生較大的改變，壩體、壩基在水荷載、溫度荷載等因素作用下其應力狀態(tài)和變形特征將隨之發(fā)生適應性調(diào)整，壩體自身的水荷載效應、溫度場效應和徐變效應亦需動態(tài)調(diào)整。水電工程蓄水后的調(diào)整周期一般為3～5 a，但對特高拱壩而言，其適應調(diào)整周期更長，可能為8～10 a，并且調(diào)整幅度更大[1，2]。岸坡調(diào)整的主要表現(xiàn)之一就是兩岸壩肩的谷幅變形。類似特高拱壩監(jiān)測成果顯示：蓄水后壩址區(qū)谷幅持續(xù)收縮，其變化規(guī)律已超出工程經(jīng)驗和一般認識，錦屏一級水電站工程即有類似現(xiàn)象存在。

錦屏一級水電站拱壩壩基及抗力體工程地質(zhì)條件極為復雜[3]，左岸發(fā)育f5、f8、f2斷層、煌斑巖脈和深卸荷巖體，右岸發(fā)育f14、f13斷層及斜穿河床壩基的f18斷層及煌斑巖脈等。左岸壩肩邊坡受特定構造和巖性影響卸荷十分強烈，卸荷深度大。鑒于復雜地質(zhì)條件會帶來邊坡的長期時效變形，因此，需要根據(jù)邊坡表面變形、深部變形、谷幅變形監(jiān)測成果分析壩肩邊坡和谷幅變形的時空特征，進一步掌控壩肩邊坡的穩(wěn)定性及其對工程的影響。闡述了對錦屏一級水電站壩肩邊坡及谷幅變形進行的分析。

2 錦屏一級水電站壩肩邊坡概況

錦屏一級水電站壩區(qū)兩岸谷坡陡峻[4]，相對高差達千余米，為典型的深切“V”型谷。左岸為反向坡、右岸為順向坡。地貌上右岸呈陡緩相間的臺階狀，以下坡度為70°～90°，高程1 810 m以上的坡度約為40°；左岸高程1 900 m以下的大理巖出露段地形完整，坡度為55°～70°，高程1 900 m以上砂板巖出露段的坡度為35°～45°，地形完整性較差，呈山梁與淺溝相間的微地貌特征。

左岸邊坡地層巖性為雜谷腦組第三段砂板巖，煌斑巖脈(X)自上而下斜向貫穿開挖邊坡。左岸邊坡的其他軟弱結構面主要有f2、f5、f8、f42-9斷層及層間錯動帶等。邊坡卸荷作用強烈，高高程砂板巖強卸荷下限水平埋深一般為50～90 m，弱卸荷下限水平埋深一般為100～160 m，深卸荷下限水平埋深一般為200～300 m，1 960 m高程以上的巖層普遍呈傾倒、拉裂變形，淺表部巖體傾倒變形強烈。邊坡巖體存在傾倒、拉裂、卸荷、松動等變形現(xiàn)象且發(fā)育深度較大，存在傾倒變形體剪切滑移、塊體滑移、楔形狀破壞等變形破壞模式。

右岸邊坡地層的巖性主要為雜谷腦組第二段第6層薄～中厚層深灰色條帶狀大理巖，層面裂隙發(fā)育，沿綠片巖夾層發(fā)育有擠壓錯動帶；第5層厚層塊狀大理巖層面裂隙不發(fā)育，主要分布在上游段高程1 885～1 910 m之間。右岸邊坡軟弱結構面主要有f13、f14、f18斷層及層間錯動帶等。邊坡巖體總體以微新巖體為主，弱～強風化巖體較少，風化主要沿斷層破碎帶及影響帶、綠片巖夾層、NWW向導水(溶蝕)裂隙帶發(fā)育成風化夾層。右岸邊坡主要結構面總體傾向坡內(nèi)，無大的不利組合，開挖坡整體穩(wěn)定性較好。

左岸壩肩邊坡開口線高程為2 110 m，邊坡底部高程為1 580 m，開挖坡高為530 m[5]。右岸壩肩邊坡開口線高程為2 035 m，底部高程為1 580 m，坡高455 m。邊坡采取以預應力錨索加固和邊坡防、排水為主的有效控制手段，以保持和提高邊坡巖體的強度，保證邊坡的整體穩(wěn)定；對邊坡表層松動巖體、潛在不穩(wěn)定塊體采取以噴混凝土、錨桿及預應力錨索為主的支護措施。

3 左岸邊坡變形

3.1 邊坡分區(qū)

綜合考慮巖性介質(zhì)、結構面分割、變形規(guī)律、工程部位等分區(qū)邊界因素后將左岸邊坡劃分為5個變形區(qū)域，1區(qū)為高位傾倒變形區(qū)，系指高程1 990 m以上開口線附近及以上的自然邊坡；2區(qū)為上游山梁 f5和f8殘留體變形區(qū)，系指1 960 m高程以下、f5斷層外側的上游開挖邊界附近區(qū)域；3區(qū)為拱肩槽上游開挖邊坡，位于f5斷層和f42-9斷層開挖揭示的邊界范圍內(nèi)，與“大塊體”的地表邊界基本一致；4區(qū)為拱肩槽邊坡，系指1 960 m高程以下f42-9斷層下盤拱肩槽邊坡；5區(qū)為拱壩抗力體邊坡，系指拱壩至“壩0+280”樁號(抗力體排水洞洞口附近)范圍內(nèi)的邊坡；6區(qū)為水墊塘霧化區(qū)邊坡，系指 “壩0+280”樁號附近的自然沖溝往下游的水墊塘邊坡。

分區(qū)的空間分布關系具有“1區(qū)蓋頂、2區(qū)貼面、3區(qū)主變、4區(qū)承載，5區(qū)抗力”的地質(zhì)、受力、變形特點：1區(qū)屬于高位的自然邊坡蓋頂；2區(qū)類似于邊坡外部的巖體擋墻貼面；3區(qū)為拱肩槽上游“大塊體”主變形區(qū)；4區(qū)為拱肩槽，系拱壩推力承載的主體，與大壩安全關系最為緊密；5區(qū)為拱壩抗力體邊坡。

3.2 分區(qū)變形特征

3.2.1 表面變形

左岸邊坡各分區(qū)的表面變形均以指向臨空面的水平位移為主，但各分區(qū)的變形特征有所不同，左岸邊坡各分區(qū)向臨空面變形過程線見圖1。從圖1中可以看出：

1區(qū)變形量較大，表現(xiàn)為長期持續(xù)的變形，受蓄水影響不明顯。向臨空面的最大累積位移為205 mm，平均累計位移為174 mm，平均位移速率約為0.6 mm/月，變形尚未收斂。

2區(qū)受蓄水影響明顯，庫水位上升引起巖體有效應力降低和巖體軟化，邊坡巖體處于調(diào)整期，位移過程線呈波動狀，水位上升期變形速率較大，水位平穩(wěn)期變形速率較??；水位下降期測點向臨空面位移減小。向臨空面的最大累積位移為72.3 mm，邊坡開挖完成后至蓄水前位移速率為0.4 mm/月，蓄水后位移速率明顯增大，為0.97 mm/月，2017年后速率有所減緩，2017～2020 a間的平均位移速率為0.38 mm/月。該區(qū)變形尚未收斂，仍處于調(diào)整期。

3區(qū)受蓄水影響邊坡巖體處于調(diào)整期，向臨空面的最大累積位移為91.2 mm，邊坡開挖完成后至蓄水前位移速率為0.52 mm/月，蓄水后的位移速率明顯增大，為0.67 mm/月，2017年后速率有所減緩，2017～2020 a間的平均位移速率為0.42 mm/月。該區(qū)變形尚未收斂，仍處于調(diào)整期。

4區(qū)受蓄水影響不明顯，主要是邊坡開挖變形，向臨空面的最大累積位移為35.2 mm，2014年之后變形明顯變緩，趨于收斂，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。2017～2020 a間的平均位移速率為0.18 mm/月。

圖1 左岸邊坡各分區(qū)向臨空面變形過程線示意圖

5區(qū)和6區(qū)變形量值較小，向臨空面的最大累積位移為6.5 mm，蓄水對邊坡變形的影響不明顯，變形已收斂，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2 深部變形

3區(qū)在PD44勘探平洞、PD42勘探平洞和高程1 915 m排水洞內(nèi)布置了石墨桿收斂計用于監(jiān)測深部變形，其深度分別為198 m、251 m、97 m。4區(qū)在高程1 885 m灌漿洞、高程1 829 m排水洞、高程1 785 m排水洞內(nèi)布置了石墨桿收斂計用于監(jiān)測深部變形，深度分別為245 m、 275 m、330 m。左岸邊坡深部變形過程線見圖2。

PD44石墨桿收斂計測得的總位移量為87 mm，其中72～180 m段位移量為81 mm。該段發(fā)育煌斑巖脈、f42-9及深部裂隙，蓄水以來的總位移量為35 mm，其中72～180 m段位移量為31 mm。位移時間過程可以劃分為4個階段：開挖期位移速率較大，約為2 mm/月，開挖完成后、蓄水前位移速率較開挖期明顯減小，約為0.3 mm/月，蓄水后，在首蓄期和初蓄期內(nèi)速率稍有增大，約為0.5 mm/月，在之后的運行期位移速率有所減小，約為0.3 mm/月，目前變形尚未收斂。

圖2 左岸邊坡深部變形過程線示意圖

PD42石墨桿收斂計測得的總位移量為52 mm，其中5～49 m段位移量為34 mm，該段發(fā)育煌斑巖脈、f42-9，蓄水以來的總位移量為28 mm，其中5～49 m段的位移量為23 mm。位移時間過程同樣可以劃分為4個階段：開挖期位移速率較大，約為1 mm/月，開挖完成后、蓄水前位移速率較開挖期明顯減小，約為0.3 mm/月，蓄水后，在首蓄期和初蓄期內(nèi)速率稍有增大，約為0.5 mm/月，在之后的運行期位移速率又有所減小，約為0.3 mm/月，目前變形尚未收斂。

高程1 915 m排水洞石墨桿收斂計測得的總位移量為29 mm，其中9～39 m段位移量為28 mm，該段發(fā)育煌斑巖脈、f42-9，蓄水以來的總位移量為22 mm，其中9～39 m段位移量為21 mm。高程1 915 m排水洞石墨桿收斂計安裝時間相對較晚，未捕捉到開挖期變形，位移時間過程可以劃分為3個階段，開挖完成后、蓄水前的位移速率約為0.1 mm/月，蓄水后，在首蓄期和初蓄期內(nèi)速率稍有增大，約為0.4 mm/月，在之后的運行期位移速率又有所減小，約為0.2 mm/月，目前變形尚未收斂。

4區(qū)的3套石墨桿收斂計測得的最大變形為0.91 mm。2013年10月前，溫度過程線和位移過程線呈現(xiàn)相似的年周期變化規(guī)律，但變化相位并不一致。推測原因是是受溫度的影響(溫度對巖體變形的影響具有滯后性)。2013年10月后，由于高程1 885 m拱向荷載較小，變形已經(jīng)穩(wěn)定；高程1 829 m、1 785 m處的變形受水位影響基本呈彈性變形，水位降低、拱向荷載減小，呈現(xiàn)微小的拉伸趨勢；水位升高、拱向荷載增大，呈現(xiàn)微小的壓縮趨勢。

4 右岸邊坡變形

根據(jù)上述分區(qū)原則，右岸壩肩邊坡可分為4個區(qū)：1區(qū)為進水口邊坡，布置測點TP5、TP6和TP7；2區(qū)為拱肩槽上游開挖邊坡，布置測點TP9；3區(qū)為拱肩槽邊坡，布置測點TP2、TP11和TP12；4區(qū)為拱肩槽下游開挖邊坡，布置測點TP1、TP14、TP15、TP16、TP17和TP18。

右岸邊坡各分區(qū)向臨空面的變形過程線見圖3。表面變形以指向臨空面的水平位移為主。右岸壩肩邊坡各分區(qū)變形規(guī)律類似，變形主要發(fā)生在開挖施工期，開挖結束和支護措施實施后變形已收斂，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。右岸壩肩邊坡的總體變形量值較小，進水口邊坡(1區(qū))的最大累計位移為78 mm，拱肩槽邊坡(3區(qū))的最大累計位移為27.8 mm。

圖3 右岸邊坡各分區(qū)向臨空面變形過程線

5 谷幅變形

5.1 測線布置

谷幅變形反映拱壩兩岸邊坡的相對變形，可以利用壩區(qū)邊坡的勘探平洞、排水洞等布置觀測墩進行谷幅和平洞內(nèi)測距監(jiān)測。在平洞洞口布置了1個觀測墩用于跨江谷幅監(jiān)測，在平洞內(nèi)布置了若干個觀測墩進行洞內(nèi)測距監(jiān)測。兩者結合布置可以了解谷幅的變形總量及邊坡變形沿深度的分布情況。

壩區(qū)共布置了11條谷幅測線，谷幅測線布置情況見圖4。其中PDJ1～TPL19測線位于邊坡2區(qū)上游山梁 f5和f8殘留體變形區(qū)，TP11～PD44測線和PD21～PD42測線位于邊坡3區(qū)拱肩槽上游開挖邊坡，其他測線位于5區(qū)拱壩抗力體邊坡。

5.2 分區(qū)變形特征

在拱壩上游開挖區(qū)布置了3條谷幅線，PDJ1～TPL19谷幅線高程為1 915 m，位于邊坡2區(qū)，右岸PDJ1洞內(nèi)布置了一個測段，監(jiān)測深度約為60 m，左岸無延伸測段；TP11～PD44谷幅線高程為1 930 m，位于邊坡3區(qū)，左岸PD44洞內(nèi)布置了四個測段，監(jiān)測深度約為200 m，右岸無延伸測段；PD21～PD42谷幅線高程為1 930 m，位于邊坡2區(qū)，右岸PD21洞內(nèi)布置了兩個測段，監(jiān)測深度為180 m；左岸PD42洞內(nèi)布置了一個測段，監(jiān)測深度約為93 m。

拱壩上游開挖區(qū)谷幅變形過程線見圖5。谷幅呈收縮變形，PD21～PD42谷幅線從2007年5月開始觀測，累計收縮量為127 mm；其余兩條谷幅線從2008年10月開始觀測，已損失了大部分開挖期變形，累計收縮量為94 mm和68 mm。谷幅變形與庫水位升級循環(huán)相關性不明顯。位于3區(qū)的兩條谷幅線規(guī)律類似，可以分為4個階段：開挖期位移速率較大，約為2 mm/月，開挖完成后、蓄水前位移速率較開挖期明顯減小，約為0.6 mm/月，蓄水后，在首蓄期和初蓄期內(nèi)速率與前一階段相當，在之后的運行期位移速率又有所減小，約為0.3 mm/月。位于2區(qū)的PDJ1～TPL19谷幅線在首蓄期和初蓄期內(nèi)位移速率較前后兩個階段大，反映出蓄水對f5、f8斷層外側開挖殘留巖體變形影響較大。

PDJ1～TPL19谷幅線位移分解情況見圖6。圖6給出了PDJ1～TPL19谷幅線谷幅跨江收縮量、左岸觀測墩TPL19采用大地測量方法觀測的邊坡表面變形、右岸PDJ1洞內(nèi)采用測距觀測墩的位移過程線。PDJ1～TPL19谷幅線跨江收縮量約等于左岸TPL19的位移，右岸位移量較小。TP11～PD44谷幅線和PD21～PD42谷幅線同樣具有類似的規(guī)律，TP11～PD44谷幅線的跨江收縮量約等于左岸PD44洞內(nèi)測距墩觀測的位移量，PD21～PD42谷幅線的跨江收縮量亦約等于左岸PD42洞內(nèi)測距墩觀測的位移量。由以上分析可知：右岸邊坡的變形量值較小，谷幅變形量約等于左岸邊坡變形，壩前谷幅變形是由左岸邊坡的變形引起的。

圖5 拱壩上游開挖區(qū)谷幅變形過程線示意圖

圖6 PDJ1～TPL19谷幅線位移分解示意圖

圖7 抗力體區(qū)谷幅變形過程線示意圖

抗力體區(qū)分4層，布置了8條谷幅線，分別為高程1 829 m、高程1 785 m、高程1 730 m、高程1 670 m，每個高程布置了2條谷幅線?？沽w區(qū)谷幅變形過程線見圖7。谷幅總體呈收縮位移，高程1 829 m的谷幅起測時間相對較早，累計位移量約為60 mm，蓄水以來位移量約為14 mm?？沽w區(qū)谷幅變形過程線呈收斂狀，變形已趨于收斂，表明抗力體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結 語

以地質(zhì)邊界、變形及力學響應、與工程結構安全的相關性等為分區(qū)原則，左岸邊坡可以分為6個分區(qū)，右岸邊坡可以分為4個分區(qū)。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：左岸邊坡高位傾倒變形區(qū)(1區(qū))變形量較大，表現(xiàn)為長期持續(xù)的變形，受蓄水影響不明顯，變形尚未收斂；上游山梁 f5和f8殘留體變形區(qū)(2區(qū))受蓄水影響明顯，蓄水后位移速率較蓄水前明顯增大，2017年后速率有所減緩，變形尚未收斂，仍處于調(diào)整期；拱肩槽上游開挖邊坡(3區(qū))受蓄水影響，邊坡巖體處于調(diào)整期，蓄水后位移速率較蓄水前有所增大， 2017年后速率減緩，變形尚未收斂；拱肩槽邊坡(4區(qū))受蓄水影響不明顯，主要為邊坡開挖后的變形，2014年之后變形明顯趨緩，趨于收斂，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；抗力體邊坡(5區(qū))、水墊塘霧化區(qū)邊坡(6區(qū))變形量值較小，蓄水對邊坡變形的影響不明顯，變形已收斂，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。右岸邊坡的變形主要發(fā)生在開挖施工期，開挖結束、支護措施實施后變形已收斂，總體變形量值較小，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

谷幅變形呈收縮狀態(tài)，主要表現(xiàn)為左岸邊坡的變形。左岸拱肩槽上游開挖邊坡(3區(qū))的3條谷幅測線表現(xiàn)為持續(xù)收縮，各條谷幅測線在開挖期變形速率較大，之后變形速率有所降低，呈收斂趨勢；拱壩抗力體邊坡(5區(qū))的8條谷幅測線變形量值較小，變形已收斂。

綜上所述，左、右岸邊坡變形主要發(fā)生在施工期，蓄水對邊坡變形有一定影響。對拱壩運行有影響的區(qū)域變形已收斂，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。高部傾倒變形區(qū)、拱壩上游邊坡變形尚未收斂，需持續(xù)關注。