锦屏一级水电站左岸开挖高边坡变形监测分析

黄志鹏，董燕军,，廖年春,，尹健民，周江平

（1. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2. 锦屏建设管理局 锦屏一级安全监测管理中心，四川 锦屏 615000；3. 中国水电工程顾问集团公司 中南勘测设计研究院，长沙 410014；4. 锦屏建设管理局 二滩水电建设开发有限公司，成都 610021）

1 工程及地质概况

锦屏一级水电站枢纽区河谷为典型的深切“V”型峡谷，两岸谷坡相对高差达1500～1700 m。构造上为三滩倒转向斜，岩层产状 N15～60°E/SE35～45°，走向与河流方向基本一致。基岩主要为三叠系中上统杂谷脑组（T2－3Z）)变质岩，第一段（T2－3Z1）为绿片岩，第二段（T2－3Z2）为大理岩，第三段（T2－3z3）为砂板岩。枢纽区左岸边坡为反向坡，1820～1900 m高程以下为大理岩，坡度为 55°～70°，高程以上为砂板岩，坡度为40°～50°，呈山梁与浅沟相间的微地貌特征[1]。

边坡岩体中主要结构面是以f5、f8以及f42～9断层为代表的小断层、层间挤压破碎带，SL44～1裂缝为代表的深部裂缝及卸荷裂隙，强风化、松弛拉裂的煌斑岩脉在Ⅱ2线上游开挖边坡中出露，往上游向坡体深部延伸。控制边坡可能失稳破坏的各种滑移块体的主要边界条件包括：煌斑岩脉（X），与煌斑岩脉近于平行的一系列NE向倾SE（顺坡向）卸荷裂隙、深部裂缝，f42～9、f42～9断层上盘平行于断层的一系列小断层等。左岸EL.1885 m以下开挖边坡即拱肩槽边坡由上游坡、坝头坡和下游坡三部分组成，工程边坡与其上下游自然边坡形成一个三面临空的坡体，控制着左岸坝头变形拉裂体的稳定。根据分析计算，边坡变形控制标准为0.1 mm/d[1]。

大坝左岸边坡2005年9月开始开挖，至2006年12月完成缆机平台EL 1960 m以上边坡开挖。2006年10月开始进行EL 1960 m至EL1885 m边坡开挖，至2007年6月完成EL1885 m以上边坡开挖。EL1885 m以下边坡于2007年7月开始开挖，于2009年8月底开挖全部结束，最大开挖高度为530 m。

2 安全监测布置及成果分析

左岸边坡岩体较深区域密集发育，有一系列变形拉裂缝和其他一些地质结构面，虽然位于坡体较深的内部，但施工过程快速地大规模岩体卸载及频繁强烈的施工活动，仍然可能引起深部拉裂缝变形发展，这些深部结构也是本边坡工程主要监测对象。

根据监测对象和监测深度不同，边坡监测可划分为外观变形监测、浅部开挖影响区岩体变形监测及深部岩体变形监测[2-4]，由表及里3个层次监测边坡岩体的变形。表面变形监测采用外观变形监测方法；浅部变形监测采用多点位移计，监测深度为0～90 m；深部变形监测采用平洞测距、水准沉降及石墨杆收敛计等监测方法，布置于勘探平洞内，穿越主要断层及深部拉裂缝，最大监测达到260 m，由表及里监控边坡运行状态。

2.1 外观变形监测

边坡外观监测设立 80个外部观测墩，同时测量水平位移和垂直位移（见图1）。边坡开挖线以外的自然坡体沿开挖线边缘布设10个测点。1960 m高程以上开挖边坡布设15个测点，分别沿开挖Ⅰ～Ⅲ区形 成 3条主要监测纵剖面 A-A、B-B、C-C。1885～1960 m高程开挖边坡设12个测点，与坝肩槽1720～1885 m高程开挖边坡布设的43个测点相结合，分别在拱肩槽上游侧坡、拱肩槽坡及拱肩槽下游侧坡组成8个纵向观测剖面（D-D～K-K剖面）。表面测点全面控制了f42－9和SL44－1在地表出露边界两侧的变形。图中，X为水平向下游变形为正，向上游为负；Y为水平向河对岸方向为正，反之为负；H为垂直向下为正，向上为负。

外观监测成果见表 1。测点顺河向变形全部指向上游，累计位移较大的为测点TP12－2和TP33，TPL12－2高程为2118.15 m，位于开口线外的倾倒变形体上，累计位移值为-53.20 mm，后期变形速率较小；TP33位于1885 m高程平台靠拱肩槽下游，最大累计位移达到59.1 mm。

表1 外观变形监测成果[2]Table1 Exterior deformation monitoring results[2]

边坡开挖期变形占总变形的60%左右，2009年9月开挖结束后变形仍有所增加，2010年7月后变形速率明显减缓，目前基本收敛，典型曲线见图2。

绝大部分测点垂直河流向坡外方向累计位移在10～100 mm之间，累计变形值最大的测点为TP12－1，累计变形值为106.1 mm，高程为2128.01 m，位于开口线外。开挖区变形较大的测点位于2022 m高程以上。这些测点均位于较高高程，受开挖卸荷影响较大。开挖期变形占总变形约80%。开挖结束后近1年内，变形仍持续发展，变形趋势无明显减缓。2010年10月以后变形仍有少量增加，但变形速率有所降低，目前已趋于收敛，典型曲线见图3。

各测点垂直累计位移在60 mm以内，变形最大的测点为TP12－1，高程为2128.01 m，位于开口线外，累计变形值为58.6 mm。其余变形较大超过50 mm的测点有5个，大多位于2022 m高程以上，开挖期变形占总变形的 80以上，近期变形速率较小，已基本收敛典型曲线见图4。

2.2 浅表变形监测

锦屏一级左岸边坡开挖影响深度达80～90 m，远超出一般工程开挖引起的变形影响深度，根据边坡开挖过程及坡体结构特征，划分为两个监测区域：（1）1885 m高程以上边坡设置27套多点位移计，部分多点位移计穿过煌斑岩脉“X”（1960 m高程以上位移计 M45、M46等）、f42-9断层（1885～1960 m，高程 M43～9等）及 f5断层（1885～1960 m高程，位移计M412、M413等）；（2）1885 m高程以下边坡设27套多点位移计，其中部分多点位移计穿过断层 f42-9（M47C3L 等）、f5（M413C3L、M414C3L、M415C3L、M416C3L、M417C3L、M425C3L、M426C3L、M427C3L 等）、f8（M415C3L、M416C3L、M417C3L、M422C3L、M423C3L、M424C3L、M425C3L等）及煌斑岩脉(X)（M48C3L、M49C3L、M410C3L、M411C3L、M412C3L等），能有效监测断层变位。（）中符号均为位移计，下同。

图2 左岸边坡顺河向(X)变形时间过程曲线[2]Fig.2 Horizontal direction deformation (X) process curves of the left slope[2]

图3 左岸边坡向坡外(Y)变形时间过程曲线[2]Fig.3 Horizontal direction deformation (Y) process curves of the left slope[2]

图4 左岸边坡(H)沉降变形时间过程曲线[2]Fig.4 Vertical deformation (H) process curves of the left slope[2]

1885～1960 m边坡多点位移计的监测成果见表2。孔口位移量大于5 mm的多点位移计有M41～11共8套，其中M43、M47、M411孔口位移量分别达到了21.76、16.92、16.32 mm，位移主要发生在早期开挖过程中。

多点位移计 M47（高程 1886.20 m，桩号 0+188.035）位于 f42－9断层出露部位，仪器安装滞后开挖施工进度约16 m。在边坡1840 m以下开挖过程中，f42－9断层和fLB11破碎带组成临空小块体 发生显著变形，并且，这些变形主要发生在浅表岩体内，较深部位的岩体变形很小，位移时间过程曲线如图5所示。1960 m高程以上边坡的M45，1885 m高程以上边坡的M44、M47以及拱肩槽边坡上的 M414C3L共4支仪器的测点差异变形明显，孔口位移量在7.21～16.15 mm之间，且差异变形和仪器孔口变形量值除M414C3L外基本相当。可见，这些测点的变形主要是由结构面引起的，由于煌斑岩脉X的岩性软弱疏松，在边坡的开挖卸荷中最容易发生松弛变形，但上述仪器在开挖结束后，变形速率微弱，均在0.02 mm/d以下，部分测点已出现明显收敛（见图5）。

表2 左岸边坡多点位移计监测结果[2]Table2 Monitoring results of multipoint displacement measures for the left slope[2]

图5 左岸1885～1960 m边坡Ⅲ区多点位移计M47位移过程线[2]Fig.5 Multipoint displacement measures M47 displacement process curves[2]

2.3 深部变形监测

在勘探平洞内布置石墨杆式收敛计[5]、水平测距观测墩及水准测点，监测边坡深部岩体水平位移及垂直位移。平洞测距及石墨杆式收敛计用于监测沿平洞不同水平深度岩体水平变形，平洞水准监测用于监测沿平洞不同水平深度岩体的沉降变形。

2.3.1 变形监测

（1）PD44勘探平洞石墨杆收敛计[6]

PD44平洞位于左岸开挖区边坡1930 m高程、坝轴线下游76 m左右。该洞内布置了2套石墨杆收敛计（PD44和PD44X），仪器平行布置，监测深度基本相同，其中 PD44X是为加密测点及校核PD44成果而设，PD44勘探平洞石墨杆收敛计监测成果统计见表 3。目前石墨杆收敛计 PD44测得累计位移为47.57 mm，PD44X测得累计位移为26.73 mm。D44和PD44X测得位移发生部位基本一致，岩体发生变形的区段主要在0+76～0+152 m之间，该区段内深部拉裂缝密集发育，并有煌斑岩脉（X）穿过，位移时间过程曲线和各测段分布图如图6、7所示。

表3 PD44勘探平洞石墨杆收敛计监测结果统计表[2]Table3 Graphite stem convergence monitoring results of PD44 [2]

图6 PD44平洞石墨杆式收敛计位移过程线Fig.6 Displacement process curves of graphite stem convergence monitoring for PD44

图7 PD44平洞前期安装的石墨杆收敛计各测段位移分布图Fig.7 Displacement distribution of the graphite stem convergence installed early for PD4

图8 EL.1915 m排水洞石墨杆式收敛计变形过程曲线[2]Fig.8 Displacement deformation process curves of graphite stem convergence for drainage hole (EL.1915 m) [2]

（2）PD42勘探平洞石墨杆收敛计

PD42平洞位于左岸开挖区边坡1930 m高程、坝轴线下游166 m左右。该洞内主洞和上游支洞各布置 1套石墨杆收敛计。上游支洞石墨杆收敛计PD42S1目前测得累计位移 15.16 mm，下游支洞PD42S2目前测得累计变形3.40 mm。PD42S1测得岩体变形发生区段主要在0+35～0+65 m之间，该区段内发育有f42-9断层。其他洞段岩体变形量值较小，变形已收敛。

（3）1915 m高程排水洞石墨杆收敛计

EL1915 m 排水洞内 3#支洞和上游支洞分别布置1套石墨杆收敛计。目前1915 m排水洞石墨杆收敛计测得累计位移5.42 mm。变形发生主要区段是0+9～0+57 m，该区段内有煌斑岩脉（X）和f42－9断层穿过，其他区段变形量微小。

2.3.2 平洞测距结果分析

（1）PD42平洞测距观测墩

PD42平洞内布置 2个测距观测墩，监测深度为80.3 m，监测成果见表4，位移过程曲线如图8所示。PD42平洞测距观测墩目前测得累计位移22.47 mm，在区段内有煌斑岩脉（X）和f42－9断层穿过。

表4 PD44平洞测距墩观测结果[2]Table4 Exploration hole ranging pier observation results of PD44[2]

图8 PD42平洞测距墩位移过程线Fig.8 Displacement process curves of ranging pier observation for PD42

（2）PD44平洞测距观测

PD44平洞内布置5个测距观测墩，形成4个测段，监测深度为202 m。PD44平洞测距观测墩监测成果统计（截止2011年11月6日）见表5，位移过程曲线如图 9所示。PD44平洞测距墩目前测得累计位移26.47 mm。位移发生区段主要是0+52～0+152 m，该区段内深部拉裂缝密集发育，并有煌斑岩脉（X）穿过。

表5 PD44平洞测距墩观测结果[2]Table5 Ranging pier hole hole observation results of PD44

图9 PD44平洞测距墩各测段位移过程线Fig.9 Displacement process curves of ranging pier observation for PD44

（3）PD54平洞测距观测

PD54平洞位于左岸开挖区边坡1827 m高程，坝轴线下游84 m左右。该洞内布置3个测距观测墩，形成2个测段，监测深度为120 m。PD54平洞测距观测墩监测成果统计(截止2011年11月6日)见表6，位移过程曲线如图10所示。PD54测距墩测得目前累计位移28.43 mm，位移发生区段主要是0+118～0+188 m，该区段内有 f42-9断层穿过。0+188 m以里岩体变形较小，目前变形量为6.58 mm，该段有煌斑岩脉（X）穿过。

表6 PD54平洞测距观测墩成果统计表[2]Table6 Ranging pier hole observation results of PD54[2]

2.3.3 平洞水准观测分析

图10 PD54平洞测距墩各测段位移过程线Fig.10 Displacement process curves of ranging pier observation for PD54

为观测边坡深部岩体的沉降位移，在 PD42、PD44平洞及PD1915排水洞设置了水准观测点，以观测深部岩体的垂直沉降位移，平洞水准观测结果见表7（截止2011年11月6日）。PD42平洞沉降位移最大是PD42－3测点，离洞口距离为30 m，测点位于深部拉裂缝f4－27和f42－9之间。位移时间 过程曲线见图11，PD44平洞沉降位移最大是PD44－5测点，离洞口距离为60 m，测点位于深部拉裂缝SL44－1，SL44－2，SL44－3及f44－5之间，深部拉裂缝发育。PD1915排水洞洞口累计沉降位移为4.87 mm，但主要沉降位移发生在离洞口较远的深部，离洞口距离为70～80 m，测点位于煌斑岩脉（X）附近，说明变形主要受煌斑岩脉控制。

表7 平洞岩体沉降测试结果[2]Table7 Settlement results of exploration hole[2]

2.4 边坡变形机制分析[2,4,6,7]

锦屏一级水电站左岸边坡的稳定受边坡发育的断层、深部拉裂缝及开挖形成的临空面影响。深部变形明显受断层及深部拉裂缝影响，在跨越断层和主要拉裂缝测段，平硐中的水平位移和垂直沉降变形明显较大，特别是跨越煌斑岩脉和f42－9断层的测段，在开挖过程中断层或深部拉裂缝能看出较明显的滑移，变形明显大于其他测段，反映出边坡深部变形主要受断层和深部拉裂缝控制，但总体变形不大，最大水平变形量为47.48 mm，最大垂直沉降变形为7.2 mm，边坡加固支护后变形趋势减缓，经过大约1年后变形非常微弱。浅表部变形受开挖和加固支护影响较大，边坡开挖后，受卸荷作用，边坡岩体向临空面变形，支护加固后变形速率降低明显，变形持续过程较短。

图11 PD1915排水洞岩体沉降变形过程曲线Fig.11 Settlement deformation process curves of PD1915

3 结 语

锦屏一级水电站左岸边坡变形受开挖卸荷和深部结构影响，深部变形受断层及深部拉裂缝控制，浅表变形受开挖支护控制。变形主要发生在开挖期，目前深部、浅表及表面变形已趋于收敛，变形速率小于0.1 mm/d，边坡已稳定。

锦屏一级水电站坝左肩边坡工程是目前水电边坡工程中地质条件最复杂和最具挑战超高边坡工程之一。监测成果表明边坡稳定，边坡开挖支护、加固设计合理。

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