水庫蓄水后巨型大變形邊坡前緣邊界部位高程分析確定方法探討

楊天俊，李治民

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

某大型水電站壩前右岸邊坡相對(duì)天然河水位高近700 m，在水庫初期蓄水后發(fā)現(xiàn)有大變形，邊坡變形體積估計(jì)近1×108m3。隨即在坡頂及邊坡上布置了大量的變形觀測點(diǎn)，由于初期蓄水抬升水位達(dá)120 m，布設(shè)的變形觀測點(diǎn)無法監(jiān)測到水下邊坡的變形范圍，前緣邊界部位高程的確定直接關(guān)系到該變形邊坡的規(guī)模和機(jī)制，邊坡穩(wěn)定性則取決于連接前、后緣間變形巖體與完整巖體的邊界面的形態(tài)[1-2]。本文旨在對(duì)如何確定該邊坡的前緣邊界部位高程進(jìn)行探討。

邊坡變形范圍一般可通過如下途徑確定[3-4]：一是現(xiàn)場直接根據(jù)地形地貌、巖體特征;二是根據(jù)變形觀測;三是根據(jù)模擬計(jì)算等或其多個(gè)方面綜合確定。

根據(jù)該邊坡地形地貌、巖體特征可以判斷變形邊坡早期前緣邊界部位高程在庫區(qū)初期蓄水位以下。

1 河谷及邊坡特征

根據(jù)該邊坡區(qū)域內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征、河谷演化歷史以及壩址區(qū)成組緩傾角結(jié)構(gòu)面的分布特征，確定可能的變形邊坡前緣邊界位置主要有2個(gè)高程：其一是前緣河床部位，高程約為2 235.00～2 250.00 m附近；其二，由于壩區(qū)河谷在2 400.00 m高程附近呈地貌裂點(diǎn)，其下谷坡陡立，平均坡度60°以上；其上邊坡變緩，平均坡度40°～45°，且在高程約2 370.00 m部位為Ⅳ級(jí)階地臺(tái)面。因此，2 370.00 m高程附近也可能成為坡體變形的前緣邊界位置。

2 邊坡變形觀測成果分析

該邊坡溝梁相間，主要有2、3、4、5號(hào)梁等，各梁上不同高程不同時(shí)期均布設(shè)了大量的變形觀測點(diǎn)，監(jiān)測成果分析表明，變形較強(qiáng)烈邊坡區(qū)域從邊坡上部前緣位移矢量傾角20°～30°到邊坡下部(約2 400.00 m左右)的5°～9°，反映了矢量傾角總體從邊坡上部到下部變緩的趨勢。各變形觀測點(diǎn)綜合位移速率也從邊坡上部向邊坡下部逐漸變小。

眾所周知，變形到非變形極限位置就是綜合位移速率趨于0的位置，因此可以利用各高程觀測點(diǎn)的綜合位移速率分析邊坡趨于穩(wěn)定的大致高程。分析時(shí)對(duì)邊坡觀測點(diǎn)按以下原則處理：

(1) 減少降雨對(duì)觀測成果的影響，因此選擇監(jiān)測點(diǎn)變形成果時(shí)間段位于降雨時(shí)間極少的10月到第2年的4月份，庫水位基本穩(wěn)定；

(2) 考慮到不同觀測方法監(jiān)測成果的差異，采用同一種觀測方法的監(jiān)測成果；

(3) 為了剔除觀測誤差，考慮分析時(shí)段長3個(gè)月；

果樹成熟期的變化、舉辦觀光采摘節(jié)慶所追求的目的、意義等因素發(fā)生改變，觀光采摘節(jié)慶的時(shí)間、地點(diǎn)、主題和活動(dòng)內(nèi)容也會(huì)隨之改變，所以統(tǒng)計(jì)時(shí)以最近一兩年的信息為準(zhǔn)。如果官方和網(wǎng)絡(luò)都沒有關(guān)于首屆舉辦時(shí)間的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，就以百度搜索最早出現(xiàn)的年限作為首屆舉辦時(shí)間。

(4) 建立的相關(guān)關(guān)系，按相關(guān)系數(shù)最高的考慮；

(5) 各山梁分別分析；

(6) 根據(jù)已知監(jiān)測成果，按相關(guān)關(guān)系確定綜合位移速率為0時(shí)的高程。

各山梁不同時(shí)間段綜合位移速率與高程相關(guān)方程及分析的前緣邊界部位高程如表1，相應(yīng)的分析如圖1、2。

圖1 2號(hào)梁不同時(shí)間段邊坡觀測點(diǎn)高程-綜合位移速率曲線圖

圖2 3號(hào)梁不同時(shí)間段邊坡觀測點(diǎn)高程-綜合位移速率曲線圖

山梁編號(hào)分析時(shí)間段相關(guān)方程相關(guān)系數(shù)R2前緣邊界部位高程/m庫區(qū)水位/m2號(hào)2013.01.01-2013.04.01y=0.0063x-15.9740.95912535.0024482014.01.01-2014.04.01y=0.0029x-7.48540.98972581.0024483號(hào)2013.01.01-2013.04.01y=16.342ln(x)-127.140.9822392.0024482014.01.01-2014.04.01y=9.4003ln(x)-73.330.95592443.002448

從各山梁圖表可以看出，2號(hào)梁、3號(hào)梁總體相關(guān)性較好，有以下總體規(guī)律：

(1) 各山梁變形從早期的較低高程逐漸向高高程抬升；

(2) 2號(hào)梁、3號(hào)梁近期(2015年以后)前緣邊界部位高程已位于目前庫水位(2 452.00 m)以上；

(3) 高程與變形速率相關(guān)程度最好的為對(duì)數(shù)型，次為直線型；

(4) 各高程變形速率從高高程向低高程均呈下降趨勢，局部受邊坡地表塊體影響，變形速率有差異。

3 水庫蓄水過程不同邊界面穩(wěn)定性的變化及其合理性分析

伴隨蓄水過程中滲流場的變化，不同水位條件下邊坡的穩(wěn)定性也隨之發(fā)生變化。因此，進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí)將各剖面、各時(shí)步滲流計(jì)算的孔隙水壓力分別代入SLOPE程序進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，建立的各剖面在不同邊界條件下的計(jì)算模型如圖3、4。

利用上述模型，選取適合的參數(shù)，各剖面可能的不同變形邊界部位在時(shí)段2009年3月至2010年9月、間隔時(shí)間與滲流計(jì)算中的水位變化時(shí)間一致時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)，如表2；各剖面代表性測點(diǎn)當(dāng)日位移速率如表3。

圖3 2號(hào)梁剖面穩(wěn)定性計(jì)算模型圖

圖4 3號(hào)梁剖面穩(wěn)定性計(jì)算模型

圖5 2號(hào)梁下部觀測點(diǎn)水平位移路徑圖

圖6 3號(hào)梁下部觀測點(diǎn)水平位移路徑圖

根據(jù)坡體變形監(jiān)測與庫水位的關(guān)系分析表明，坡體的變形速率與庫水位升降呈顯著的正相關(guān)。因此，在庫水位變化過程，給定邊界面的強(qiáng)度參數(shù)，若假設(shè)各變形坡體的邊界條件是合理的，則計(jì)算的變形體穩(wěn)定性與監(jiān)測的位移速率間應(yīng)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

選取各監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測時(shí)間段為2009年8月至2010年9月。上述計(jì)算中可以看出，2號(hào)梁剖面和3號(hào)梁剖面在不同變形邊界條件下獲得的穩(wěn)定性系數(shù)與位移速率間都存在一定的負(fù)相關(guān)性。2號(hào)梁剖面前緣邊界為河床部位、3號(hào)梁剖面前緣高程為2 355.00 m附近以及河床位置時(shí)，二者僅在局部點(diǎn)處具有負(fù)相關(guān)性，整體相關(guān)性較差。而2號(hào)梁剖面中前緣邊界高程為2 370.00 m的變形體獲得的計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)性較好。

表2 2號(hào)梁剖面、3號(hào)梁剖面不同變形界面部位潛在控制面穩(wěn)定性系數(shù)與庫水位關(guān)系對(duì)比表

雖然3號(hào)梁剖面前緣高程為河床以及2 355.00 m附近的組合變形體獲得的對(duì)應(yīng)性結(jié)果相關(guān)性較差，但前緣高程為2 355.00 m時(shí)又總體好于前緣邊界為河床部位。因此推斷該變形體邊坡前緣沿2 370.00 m高程作為變形邊界的可能性較大。

4 前述成果的分析驗(yàn)證

為了證實(shí)2、3號(hào)梁近期邊坡前緣邊界部位高程，可以分析相應(yīng)高程附近的觀測點(diǎn)成果。

W2-12觀測點(diǎn)位于2號(hào)梁2 523.00 m高程，W2-16位于2號(hào)梁2 559.00 m高程，這2點(diǎn)自2013年10月以來水平位移路徑如圖5。從圖5中可以看出：W2-12屬于未變形狀態(tài)，W2-16屬于極微變形狀態(tài)或趨于穩(wěn)定狀態(tài)，與前述分析基本一致。

表3 2、3號(hào)梁剖面代表性監(jiān)測點(diǎn)平均位移速率表

W3-16觀測點(diǎn)位于3號(hào)梁2 464.00 m高程，W3-15位于3號(hào)梁2 491.00 m高程，這2點(diǎn)自2013年10月以來水平位移路徑如圖6。從圖6中可以看出：W3-16屬于極微變形狀態(tài)，自2012年11月建點(diǎn)以來到2016年6月10日，累計(jì)綜合位移量只有近22 cm；W3-15屬于變形狀態(tài)，自2012年11月建點(diǎn)以來到2016年6月10日，累計(jì)綜合位移量只有50 cm，前節(jié)分析的邊坡近期變形底部高程在2 443.00 m，從W3-16觀測成果看，該高程應(yīng)是趨于合理的。

5 結(jié) 語

該邊坡變形前緣邊界部位高程自蓄水初期的2 350.00～2 370.00 m左右，隨著時(shí)間的推移有向邊坡上部發(fā)展的趨勢，早期位于初期蓄水位以下，2、3號(hào)梁在2015年以后變形前緣邊界部位高程已基本轉(zhuǎn)移到庫水位2 452.00 m以上。

利用邊坡上不同高程變形觀測點(diǎn)變形規(guī)律，經(jīng)過綜合分析，在無直觀條件滿足的情況下可以大致確定變形前緣邊界部位高程。

由于4、5號(hào)梁觀測點(diǎn)不滿足前述分析條件，尚無法確定該山梁變形邊坡部位的前緣邊界部位高程。

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