錦屏一級水電站左岸邊坡蓄水變形響應研究

裴向軍，何如許，朱利君，羅小惠，陳俊宇

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

0 引 言

發生在20世紀60年代導致2 000 多人喪生的意大利Vajont[1]水庫滑坡的慘痛事故使得庫岸滑坡成為了滑坡研究的重點。而隨著我國水電行業的蓬勃發展諸如錦屏一級、溪洛渡、小灣等大型水利水電工程的不斷推進，大規模、強開挖、地質條件復雜的高陡人工開挖邊坡的變形及其穩定性逐漸成為各位專家學者關注的重點[2-4]。目前數值模擬和邊坡監測是評價和預測其穩定性的主要方法。

朱繼良[5]等以西南某地區的超高人工開挖水電邊坡為例，通過對監測點位移數據的詳細分析并與開挖歷程相結合，得出了該邊坡的開挖變形響應規律，并指出邊坡的變形主要是由開挖卸荷所導致的，變形與開挖歷程有著極強的相關性。黃志鵬[6]將錦屏一級水電站的淺部、深部和表面變形監測數據作為判據，分析了其開挖至今的變形規律及特征，得出了變形在開挖結束以后趨于穩定的結論。梁國賀[7]在監測數據的基礎上建立響應回歸模型，研究溪洛渡水庫蓄水以后庫岸邊坡和拱壩的變形規律以及發展趨勢，并分析了導致谷幅收縮的主要因素。黃潤秋[8]將現場調查與實時變形監測數據相結合，探討了高陡邊坡在人工強開挖的條件下的變相響應規律，并總結出了3種變形模式，其中卸荷回彈是邊坡變形的主要原因。薛秀[9]運用Geostudio軟件分析某水電站岸坡的變形特征，并結合監測資料指出蓄水以后由于庫水的作用會使巖土體的參數降低，從而導致坡體的變形以蠕變為主。張世殊[10]等通過詳細的現場調查以及結合相關資料提出了庫水作用下的傾倒變形體邊坡的演化機制，并結合數值模擬分析庫水對庫岸邊坡穩定性的影響。張金龍[11]運用多種監測手段對錦屏一級水電站人工開挖邊坡進行綜合監測以掌握施工期邊坡開挖的穩定性，對后續類似的大型人工開挖邊坡監測提供了豐富的經驗和參考價值。

錦屏一級水電站承擔著整個雅礱江流域水利項目承上啟下的重要作用。該壩為典型的雙曲拱壩，高約305 m，死水位1 800 m正常蓄水位1 880 m。蓄水期和運行期的左岸邊坡穩定性是錦屏一級水電站順利蓄水和發電的重要保證。為了研究蓄水以后邊坡的變形響應特征，以及邊坡變形與蓄水的相關性。本文以錦屏水電站左岸邊坡為例，結合研究區豐富的前期地質資料，通過對左岸邊坡各個表面變形觀測點數據的統計與分析并結合庫水水位波動的影響，研究左岸邊坡不同區域在蓄水后的變形響應特征，為后續庫岸邊坡穩定性的分析以及預測提供了可靠的依據和有力的支持。

1 工程概況

圖1 壩區工程地質及樞紐布置Fig.1 A sketch of engineering geology and hub layout in the dam area

錦屏一級水電站庫水位變化歷時曲線見圖2，蓄水至今的庫水位歷程總體分為首蓄期2012-11-30-2014-08-24、初蓄期2014-08-25-2015-09-28和運行期2015-09-30-2017-09-30共3個階段。2012-11-30-2012-12-07為首蓄期第1階段蓄水，庫水位從1 640 m升至1 706 m。2013-06-15-2013-07-19為首蓄期第2階段蓄水，庫水位從1 706 m升至1 800 m，2013-09-03-2013-10-14為首蓄期第3階段蓄水，庫水位從1 800 m升至1 839 m。2014-07-03-2014-08-24為首蓄期第4階段蓄水，庫水位從1 839 m首次升至正常設計蓄水位1 880 m，首蓄期結束。2015-01-01-2015-05-14庫水位從1 880 m降至1 800 m，2015-06-20-2015-09-28庫水位從1 800 m蓄水至1 880 m，初蓄期結束。而在運行期庫水位從12月的1 880 m開始下降至6月的1 800 m，再從6月的1 800 m蓄水至1 880 m。

圖2 錦屏一級水電站壩前水位歷時過程曲線Fig.2 Duration curve of water level in front of dam of Jinping-I hydropower station

2 變形分區與監測布置

2.1 變形分區

左岸邊坡上部為傾倒變形體，表現為長期持續重力傾倒變形，尚未收斂；下部邊坡的變形主要受到幾個大型的斷層、結構面以及深部拉裂縫所控制。因此根據坡體結構及其變形特征，將左岸上游邊坡初步劃分為以下3個宏觀變形區域(見圖3)。

圖3 壩區左岸邊坡變形分區Fig.3 Deformation zoning map of left slope in dam area

(1)開口線高位傾倒變形區(一區)。是指1 990 m高程以上開口線附近及自然邊坡。

(2)上游山梁f5和f8殘留體變形區(二區)。是指1 960 m高程以下上游開挖邊界附近區域，該區域位于f5斷層外側。

(3)拱肩槽上游開挖邊坡變形區(三區)。位于f42-9斷層上盤，上游側1 990 m高程以下f5斷層和f42-9斷層開挖揭示邊界范圍內，與“大塊體”的地表邊界基本一致。

2.2 表觀點監測概況

邊坡表面變形監測設立了80個觀測墩，同時測量X(順河向)、Y(橫河向)、H(豎直)3個方向的位移。這些表觀監測主要設置在開挖區域尤其是拱肩槽上游開挖邊坡較多，而為了對高位的傾倒變形體進行變形監測，施工期結束后在自然邊坡增設了多個觀測墩。開口線上部的自然坡體設10個點，1 885 m以上坡體設有27個測點，全面涵蓋了高位傾倒變形體以及f42-9、f5、f8斷層和煌斑巖脈出露的觀測區域。目前仍然有效的觀測墩數量為39個，能夠滿足整體的監測要求。各觀測點編號和實際分布情況參見圖4。

圖4 壩區左岸邊坡表面監測墩分布Fig.4 Distribution map of monitoring piers on the surface of left bank slope in dam area

3 變形響應分析

3.1 開口線以上高位傾倒變形區(一區)

該變形區范圍內正常監測點有17個。通過對該區域各監測點位移數據的整理，得到各點的水平合位移(見圖5)、總位移(見圖6)、位移方位角(見圖7)和位移傾角(見圖8)隨時間變化的歷時曲線。該區域的變形較為明顯，目前水平合位移的量值主要集中在100～180 mm范圍內并呈現出波動性增長的趨勢，方位角的量值則主要集中在100°～120°即偏向上游河床的方向并逐漸趨于穩定，方位角的量值與該區域巖層的傾向大體一致，符合傾倒變形體彎曲-拉裂的變形特征。蓄水之后水平合位移的變化量值主要集中在30～50 mm，該區域的位移方位角則呈現出趨同性由蓄水之前的劇烈波動轉而穩定下來。總位移的量值主要集中在120～220 mm這個范圍內并呈現出波動性增長的趨勢，位移傾角則主要集中在10°～30°的范圍內即為俯傾角。可以看出該區域在蓄水前后的變形趨勢都符合高位傾倒變形體的變形特征，高程較高的點其變形的量值越大，蓄水之后變形的速率也有小幅度的增加變形仍未收斂。

圖5 變形一區水平合位移歷時曲線Fig.5 Horizontal displacement diachronic curve in deformation area one

圖6 變形一區總位移歷時曲線Fig.6 Sum displacement diachronic curve of deformation area one

圖7 變形一區位移方位角歷時曲線Fig.7 Displacement azimuth diachronic curve of deformation area one

圖8 變形一區位移傾角歷時曲線Fig.8 Displacement inclination angle diachronic curve of deformation area one

圖9 TP1位移歷時曲線Fig.9 Displacement diachronic curve of TP1

TP1點布設于上游側自然邊坡2 040 m高程處，遠離了其他施工干擾且觀測一直持續，對于該區域變形特征有較好的代表性。該點水平合位移，垂直位移、總位移，以及位移方位角、位移傾角隨時間變化的歷時曲線見圖9。由此，可以看出：

(1)從2012-11-30開始蓄水至今這段時期內，變形的總量較施工期有所降低，總位移為60.6 mm，水平合位移54 mm，垂直位移27.7 mm。水平合位移略低于總位移。水平合位移略低于總位移。位移曲線走勢特征表現為：歷經1 a左右的波動階段之后，才進入較穩定的增長階段，在首次蓄水完成后變形的量值保持穩定的增長。

(2)變形曲線呈現出穩定增長的態勢，同時顯示出在首次蓄水至1 880 m之后變形仍然難于收斂。其中，除了庫水位從1 800 m蓄水至1 840 m、庫水位從1 840 m降低至1 800 m穩定階段以及首次從標準水位1 880 m降低至1 800 m后穩定階段變形曲線呈現出暫時的穩定和小幅度的收斂外，其余各時段變形監測曲線均保持了穩步上升的態勢，總位移及水平合位移也一直保持穩定增長，2者都沒有出現減緩的趨勢，只是隨著時間的增長垂直位移(沉降)分量的貢獻逐漸加大，總位移與水平合位移曲線開始出現小幅度的分離。其中，垂直位移(沉降)的 “升降波動”式發展較為明顯。在蓄水之前，垂向變形的波動較為明顯主要受到坡體開挖的影響；蓄水之后，垂直變形一直保持沉降的態勢，偶有向上抬升的波動；在“升降波動”階段，振蕩幅值保持在10 mm左右，變化幅度不大，但仍然保持沉降逐漸增大的趨勢。蓄水之后，垂直變形的震蕩幅值開始減小但變形的量值隨著時間的推移又逐漸增加，變化速率也逐步加快，從完成首次蓄水至今垂直位移的變化值達到了近20 mm,并且尚無收斂的趨勢。

(3)水平位移矢量方位除了在施工期波動階段有較大偏轉外，在整個蓄水過程及以后的一段時間其方位角總體變化不大(開始蓄水后一直穩定在107°左右)，即始終保持偏向上游的方向。位移傾角的變化與水平位移矢量方位類似：除了在施工期有一定的偏轉和波動以外，在整個蓄水過程及以后的一段時間位移傾角總體變化不大(開始蓄水后一直穩定在22°左右)，即始終保持為俯角，而在2016年底開始隨著垂直變形速率的增加傾角有加大的趨勢，目前的位移傾角為25°。

3.2 上游山梁斷層f5、f8殘留變形區(二區)

該變形區范圍內包括的正常監測點有5個。通過對該區域各監測點位移數據的整理，得到各點的水平合位移(見圖10)、總位移(見圖11)、位移方位角(見圖12)和位移傾角(見圖13)隨時間變化的歷時曲線。該區域的變形比高位傾倒變形區要小，但受庫水位升降的影響較為明顯，蓄水前后監測點的變形趨勢也有所改變。水平合位移的量值主要集中在55～70 mm范圍內，并從蓄水初期的快速增加轉變為運行期的穩定略微增長，水平合位移的量值變化與庫水位的升降有較為明顯的相關性。位移方位角的量值則主要集中在100°～110°，由蓄水之前的劇烈波動轉而向100°～110°這個方位逐漸穩定下來，即偏向上游河床的方向。總位移的量值主要集中在60～70 mm這個范圍內，在蓄水初期總位移的變化基本成線性增加，當庫水位到達1 800 m之后總位移的量值呈現出小范圍的波動性增長的趨勢，位移速率較之前有所下降。位移傾角目前主要集中在-30°～0°的范圍內，即為仰傾角。該區域的位移傾角受庫水位上升的影響較大，在施工期位移傾角為正，即為俯傾角，開始蓄水之后位移傾角則出現由負轉正的趨勢并在運行期逐漸穩定下來，體現出蓄水以后該區域豎直方向的變形受庫水位的影響由施工期的沉降轉變為抬升。

TPL12點布設于1 960 m高程，位于f8斷層殘留區與纜機平臺交界的位置，對于該區域變形特征有較好的代表性。該點的水平合位移、垂直位移、總位移及位移方位角、位移傾角的歷時曲線見圖14。由此，可以看出：

(1) 從2012-11-30開始蓄水至今這段時期內，變形的量值較施工期增長較為明顯，總位移為41.316 mm，水平合位移41.634 mm，垂直位移-7.4 mm。水平合位移略高于總位移。水平合位移略高于總位移。位移曲線走勢特征表現為：歷經半年左右的震蕩波動階段之后，才進入較為穩定的快速增長階段，在首次蓄水完成后變形的速率有所降低，而量值則隨著庫水位的升降變化呈現出波動性增長的態勢。

(2)庫水位歷時曲線與變形曲線的波峰、波谷也能基本對應，只是變形曲線的波峰、波谷有所滯后，同時顯示出在首次蓄水至1 880 m之后變形仍然難于收斂。其中，庫水位首次從1 700 m蓄水至1 840 m期間變形速率開始較施工期有所增加并保持穩定增長的態勢，直至在庫水位回落至1 800 m變形量值也出現小幅度的回落，而當庫水位再次蓄至1 880 m時變形量值則繼續保持快速增長直至庫水位下降變形量值有所收斂，在運行期變形與庫水位的關系仍然保持著這種波動性變化的規律，只是隨著時間的推移這種變形量值隨著庫水位升降而增加或回落的幅度逐漸減小但是變形并未停止。其中，垂直位移受庫水位的影響較為明顯。施工期垂向變形的波動較為明顯其量值總體為正值(沉降)；而在蓄水以后就總體為負值(抬升)；蓄水初期垂直位移的震蕩幅值較大，并呈現出隨著庫水位的升降而呈現出峰—谷相對應的周期性變化特征。在運行期隨著時間的推移這種 “峰-谷”相對的特征仍然保持不變，只是震蕩的幅值較首次蓄水期有所收斂，保持在-5～0 mm的范圍內。

(3)水平位移矢量方位除了在施工期階段有較大偏轉外，在整個蓄水過程及以后的一段時間其方位角總體變化不大(開始蓄水后一直穩定在102°左右)，即始終保持略為偏向上游的方向。位移傾角的變化與垂直變形的規律相似，2者曲線的態勢也基本吻合：除了在施工期為俯傾角，在整個蓄水過程及以后的一段時間位移傾角轉變為仰傾角(開始蓄水后一直穩定在-10°～0°范圍內)。

3.3 拱肩槽上游開挖邊坡變形區(三區)

該變形區范圍內包括的正常監測點有11個。通過對該區域各監測點位移數據的整理，得到了各點的水平合位移(見圖15)、總位移(見圖16)、位移方位角(見圖17)和位移傾角(見圖18)的歷時曲線。目前該區域的變形仍然以水平方向的位移為主，其量值主要集中在60～87 mm范圍內并呈現出波動性增長的趨勢，水平和位移的量值變化與庫水位的升降有較為明顯的相關性。通過各點位移數據對比可以發現位于煌斑巖脈X上盤的水平合位移量值均大于下盤的監測位移。當庫水位到達1 800 m后運行期的變形速度仍未減慢，變形尚未收斂。該區域的位移方位角則呈現出趨同性，由蓄水之前的劇烈波動轉而向104°～120°這個方位逐漸穩定下來，并與坡體的傾向基本一致。位移傾角受庫水位的影響較為明顯，開始蓄水之后其量值一直在不斷減小，特別是高程較低的監測點位移傾角逐漸趨于0°甚至轉變為為負值(仰角)，高程較高的測點得位移傾角則主要集中在10°～24°的范圍內并有不斷減小的趨勢。體現出蓄水以后該區域豎直方向的變形高程較高的部位以沉降為主但速度有所降低，而靠近標準蓄水位1 880 m處的監測點位移則以抬升為主。當進入運行期后，坡體逐漸適應了庫水位的波動變化，位移傾角的變化速率逐漸減小，并趨于穩定。

圖10 變形二區水平合位移歷時曲線Fig.10 Horizontal displacement diachronic curve in deformation area two

圖11 變形二區總位移歷時曲線Fig.11 Sum displacement diachronic curve of deformation area two

圖12 變形二區位移方位角歷時曲線Fig.12 Displacement azimuth diachronic curve of deformation area two

圖13 變形二區位移傾角歷時曲線Fig.13 Displacement inclination angle diachronic curve of deformation area two

圖14 TPL12位移歷時曲線Fig.14 Displacement diachronic curve of TPL12

圖15 變形三區水平合位移歷時曲線Fig.15 Horizontal displacement diachronic curve in deformation area three

圖16 變形三區總位移歷時曲線Fig.16 Sum displacement diachronic curve of deformation area three

圖17 變形三區位移方位角歷時曲線Fig.17 Displacement azimuth diachronic curve of deformation area three

圖19 TPL13位移歷時曲線Fig.19 Displacement diachronic curve of TPL13

TPL13點布設于1 946 m高程，對于該區域變形特征有較好的代表性。該點垂直位移、總位移及位移方位角、位移傾角隨時間的變化見圖19。由此，可以看出：

(1)從2012-11-30開始蓄水至今這段時期內，變形的量值較施工期增長較為明顯，總位移為40.8 mm，水平合位移41.275 mm，垂直位移3.9 mm，水平合位移略低于總位移。位移曲線走勢特征表現為：歷經0.5 a左右的震蕩波動階段之后，才進入較為穩定的快速增長階段，在首次蓄水完成后變形的速率有所降低，而量值則隨著庫水位的升降變化呈現出波動性增長的態勢。

(2)庫水位歷時曲線與變形曲線的波峰、波谷基本對應，只是變形曲線的波峰、波谷相對庫水位歷時曲線有所滯后，同時顯示出在首次蓄水至1 880 m之后變形仍然難于收斂。開始蓄水后變形速率較施工期有所增加直至在庫水位回落至1 800 m變形量值也有小幅度的回落，在運行期變形與庫水位的關系仍然保持著波動性變化的規律，只是隨著時間的推移坡體逐漸適應庫水位的升降變化以后，這種變形量值隨著庫水位波動變化的幅度逐漸減小。垂直位移仍然呈現出升降波動的特點。在施工期垂向變形的量值總體為正值(沉降)，并在12～20 mm的范圍內波動；而在蓄水之后總體仍為正值(沉降)，偶有升降波動，波動的范圍在10 mm以內，變化幅度不大。蓄水之后，垂直變形的震蕩幅值明顯減小，并呈現出庫水位歷時曲線的波峰與變形歷時曲線的峰-谷相對應的周期性變化特征。在運行期隨著時間的推移這種 “峰-谷”相對的特征仍然保持不變，只是震蕩的幅值較首次蓄水期有所收斂，并保持在0～5 mm的范圍內。

(3)位移方位角除了在施工期波動階段有較大偏轉外，在整個蓄水過程及以后的一段時間其方位角總體波動變化不大(開始蓄水后一直穩定在108°～118°的范圍內)，即始終保持略為偏向上游的方向并有逐漸減小的趨勢。位移傾角的變化與垂直變形的規律相似，2者曲線的態勢也基本吻合：位移傾角的量值總體保持為正(俯傾角)，蓄水以后位移傾角開始由施工期的劇烈波動轉而逐漸減小并進入較為穩定的波動階段，目前其量值主要在11°～18°范圍內，并有緩慢減小的趨勢。

4 變形機制與特征分析

左岸人工開挖邊坡自身的巖體組成、軟弱結構面較為發育以及蓄水之后庫水位上升共同導致了它的持續變形。而通過對各區域監測點變形數據的分析和研究，再結合坡體本身的巖體結構可以分析歸納出不同變形區域的變形機制。

(1)開口線以上高位傾倒變形區普遍存在傾倒變形現象。從巖性組成來看，該區域有較軟的薄層狀變質板巖以及較硬的砂巖形成互層，從巖體結構來看陡傾的反向坡也有利于傾倒變形體的發育。高位邊坡淺表部的表生改造(卸荷)作用也是造成傾倒變形體持續變形的重要原因，特別是邊坡大規模的開挖更是加劇了它的發展。蓄水以后，下部巖體與軟弱結構面在庫水的作用下會有一定的劣化也會導致傾倒變形體的持續變形。

(2)上游山梁斷層f5、f8殘留變形區的變形主要受巖體開挖卸荷作用以及f5、f8斷層所控制，變形以水平方向位移尤其是橫河向的位移為主，豎直方向的位移量較小，但在蓄水之后該區域的變形受庫水位的影響較大。通過監測數據的分析得知，開始蓄水之后由于庫水的浮托力使得該區域各點豎直方向的位移從下降轉而抬升，水平位移也由于庫水對坡體水平方向的壓力增加而保持不變甚至減小。在運行期由于庫水位的升降集中在1 800～1 880 m這個范圍內，坡體逐漸適應了庫水位的變化使得位移和傾角的變化逐漸穩定，并緩慢的增加。

(3)拱肩槽上游開挖邊坡變形區的變形主要受巖體開挖卸荷作用以及F42-9斷層、煌斑巖脈所控制。 變形仍以水平方向位移尤其是橫河向的位移為主，豎直方向的位移量較小。煌斑巖脈上盤監測點的位移速度明顯要大于下盤監測點的位移速度，說明該區域的變形主要受到煌斑巖脈的影響。并且在蓄水以后由于煌斑巖脈的劣化導致該區域變形持續增加，而該區域高程較低的點受庫水的浮托力以及水平推力影響也比較明顯。

5 結 論

對變形曲線與上游庫水位歷時曲線進行綜合對比，得到各個變形區域由于地質條件和高程的不同呈現出的不同的變形響應特征，而監測點的位移、方位角以及傾角也有著不同的獨特表現形式。將監測數據與左岸邊坡自身的地質條件相結合可以總結出各個區域的變形機制。

(1)開口線以上高位傾倒變形區。傾倒變形體的持續變形主要受巖體組成、巖體結構、表生構造以及蓄水共同控制。該變形區水平合位移與總位移在蓄水之后逐漸增加，雖然運行期的位移變化速率有所降低但仍然沒有收斂的趨勢。垂直變形在蓄水之后經過近1 a的波動之后開始增大。位移方位角與位移傾角由蓄水之前的明顯波動轉為蓄水之后的穩定階段。開始蓄水后位移方位角一直穩定在107°左右，位移傾角則一直穩定在22°左右，位移傾角隨著垂直位移的增加有逐漸加大的趨勢。

(2)上游山梁斷層f5、f8殘留變形區。該區域的變形主要受巖體開挖卸荷作用以及f5、f8斷層所控制，蓄水之后受庫水浮托力與壓力的影響比較大。水平合位移與總位移在蓄水之后逐漸增加，雖然運行期的位移變化速率有所降低但仍然沒有收斂的趨勢。垂直變形則由蓄水之前的沉降波動轉變為抬升波動，震蕩的幅值隨著時間的推移有所收斂。位移方位角由蓄水之前的明顯波動轉為蓄水之后的穩定階段，開始蓄水后位移方位角一直穩定在102°左右。位移傾角則由蓄水之前的俯角轉變為蓄水之后的仰角，并保持在-5°～0°的范圍內波動。

(3)拱肩槽上游開挖邊坡變形區。拱肩槽上游開挖邊坡變形區的變形主要受巖體開挖卸荷作用以及F42-9斷層、煌斑巖脈所控制，煌斑巖脈的影響尤其明顯。高程較低的點受庫水浮托力與壓力的影響比較大。水平合位移與總位移在蓄水之后逐漸增加，并且變形以Y方向(橫河向)為主，雖然運行期的位移變化速率有所降低但仍然沒有收斂的趨勢。垂直變形一直保持震蕩波動的態勢，震蕩的幅值隨著時間的推移有所收斂。位移方位角由蓄水之前的明顯波動轉為蓄水之后的穩定階段，開始蓄水后位移方位角一直穩定在108°～118°的范圍內。位移傾角則由蓄水之前的劇烈波動變為蓄水之后小幅度波動，并有逐漸減小的趨勢。

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