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(shè)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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?qū)?溶蝕)裂隙帶發(fā)育成風化夾層。右岸邊坡主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)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(guān)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(guān)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)期變形速率較小；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(jié)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(jié)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(guān)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(cè)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。抗力體區(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。抗力體區(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(jié) 語

以地質(zhì)邊界、變形及力學響應、與工程結(jié)構(gòu)安全的相關(guān)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(jié)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(guān)注。