水库蓄水后巨型大变形边坡前缘边界部位高程分析确定方法探讨

杨天俊，李治民

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

某大型水电站坝前右岸边坡相对天然河水位高近700 m，在水库初期蓄水后发现有大变形，边坡变形体积估计近1×108m3。随即在坡顶及边坡上布置了大量的变形观测点，由于初期蓄水抬升水位达120 m，布设的变形观测点无法监测到水下边坡的变形范围，前缘边界部位高程的确定直接关系到该变形边坡的规模和机制，边坡稳定性则取决于连接前、后缘间变形岩体与完整岩体的边界面的形态[1-2]。本文旨在对如何确定该边坡的前缘边界部位高程进行探讨。

边坡变形范围一般可通过如下途径确定[3-4]：一是现场直接根据地形地貌、岩体特征;二是根据变形观测;三是根据模拟计算等或其多个方面综合确定。

根据该边坡地形地貌、岩体特征可以判断变形边坡早期前缘边界部位高程在库区初期蓄水位以下。

1 河谷及边坡特征

根据该边坡区域内新构造运动特征、河谷演化历史以及坝址区成组缓倾角结构面的分布特征，确定可能的变形边坡前缘边界位置主要有2个高程：其一是前缘河床部位，高程约为2 235.00～2 250.00 m附近；其二，由于坝区河谷在2 400.00 m高程附近呈地貌裂点，其下谷坡陡立，平均坡度60°以上；其上边坡变缓，平均坡度40°～45°，且在高程约2 370.00 m部位为Ⅳ级阶地台面。因此，2 370.00 m高程附近也可能成为坡体变形的前缘边界位置。

2 边坡变形观测成果分析

该边坡沟梁相间，主要有2、3、4、5号梁等，各梁上不同高程不同时期均布设了大量的变形观测点，监测成果分析表明，变形较强烈边坡区域从边坡上部前缘位移矢量倾角20°～30°到边坡下部(约2 400.00 m左右)的5°～9°，反映了矢量倾角总体从边坡上部到下部变缓的趋势。各变形观测点综合位移速率也从边坡上部向边坡下部逐渐变小。

众所周知，变形到非变形极限位置就是综合位移速率趋于0的位置，因此可以利用各高程观测点的综合位移速率分析边坡趋于稳定的大致高程。分析时对边坡观测点按以下原则处理：

(1) 减少降雨对观测成果的影响，因此选择监测点变形成果时间段位于降雨时间极少的10月到第2年的4月份，库水位基本稳定；

(2) 考虑到不同观测方法监测成果的差异，采用同一种观测方法的监测成果；

(3) 为了剔除观测误差，考虑分析时段长3个月；

果树成熟期的变化、举办观光采摘节庆所追求的目的、意义等因素发生改变，观光采摘节庆的时间、地点、主题和活动内容也会随之改变，所以统计时以最近一两年的信息为准。如果官方和网络都没有关于首届举办时间的准确数据，就以百度搜索最早出现的年限作为首届举办时间。

(4) 建立的相关关系，按相关系数最高的考虑；

(5) 各山梁分别分析；

(6) 根据已知监测成果，按相关关系确定综合位移速率为0时的高程。

各山梁不同时间段综合位移速率与高程相关方程及分析的前缘边界部位高程如表1，相应的分析如图1、2。

图1 2号梁不同时间段边坡观测点高程-综合位移速率曲线图

图2 3号梁不同时间段边坡观测点高程-综合位移速率曲线图

山梁编号分析时间段相关方程相关系数R2前缘边界部位高程/m库区水位/m2号2013.01.01-2013.04.01y=0.0063x-15.9740.95912535.0024482014.01.01-2014.04.01y=0.0029x-7.48540.98972581.0024483号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

从各山梁图表可以看出，2号梁、3号梁总体相关性较好，有以下总体规律：

(1) 各山梁变形从早期的较低高程逐渐向高高程抬升；

(2) 2号梁、3号梁近期(2015年以后)前缘边界部位高程已位于目前库水位(2 452.00 m)以上；

(3) 高程与变形速率相关程度最好的为对数型，次为直线型；

(4) 各高程变形速率从高高程向低高程均呈下降趋势，局部受边坡地表块体影响，变形速率有差异。

3 水库蓄水过程不同边界面稳定性的变化及其合理性分析

伴随蓄水过程中渗流场的变化，不同水位条件下边坡的稳定性也随之发生变化。因此，进行稳定分析时将各剖面、各时步渗流计算的孔隙水压力分别代入SLOPE程序进行稳定性计算，建立的各剖面在不同边界条件下的计算模型如图3、4。

利用上述模型，选取适合的参数，各剖面可能的不同变形边界部位在时段2009年3月至2010年9月、间隔时间与渗流计算中的水位变化时间一致时的稳定性系数，如表2；各剖面代表性测点当日位移速率如表3。

图3 2号梁剖面稳定性计算模型图

图4 3号梁剖面稳定性计算模型

图5 2号梁下部观测点水平位移路径图

图6 3号梁下部观测点水平位移路径图

根据坡体变形监测与库水位的关系分析表明，坡体的变形速率与库水位升降呈显著的正相关。因此，在库水位变化过程，给定边界面的强度参数，若假设各变形坡体的边界条件是合理的，则计算的变形体稳定性与监测的位移速率间应呈现负相关性。

选取各监测点监测时间段为2009年8月至2010年9月。上述计算中可以看出，2号梁剖面和3号梁剖面在不同变形边界条件下获得的稳定性系数与位移速率间都存在一定的负相关性。2号梁剖面前缘边界为河床部位、3号梁剖面前缘高程为2 355.00 m附近以及河床位置时，二者仅在局部点处具有负相关性，整体相关性较差。而2号梁剖面中前缘边界高程为2 370.00 m的变形体获得的计算结果对应性较好。

表2 2号梁剖面、3号梁剖面不同变形界面部位潜在控制面稳定性系数与库水位关系对比表

虽然3号梁剖面前缘高程为河床以及2 355.00 m附近的组合变形体获得的对应性结果相关性较差，但前缘高程为2 355.00 m时又总体好于前缘边界为河床部位。因此推断该变形体边坡前缘沿2 370.00 m高程作为变形边界的可能性较大。

4 前述成果的分析验证

为了证实2、3号梁近期边坡前缘边界部位高程，可以分析相应高程附近的观测点成果。

W2-12观测点位于2号梁2 523.00 m高程，W2-16位于2号梁2 559.00 m高程，这2点自2013年10月以来水平位移路径如图5。从图5中可以看出：W2-12属于未变形状态，W2-16属于极微变形状态或趋于稳定状态，与前述分析基本一致。

表3 2、3号梁剖面代表性监测点平均位移速率表

W3-16观测点位于3号梁2 464.00 m高程，W3-15位于3号梁2 491.00 m高程，这2点自2013年10月以来水平位移路径如图6。从图6中可以看出：W3-16属于极微变形状态，自2012年11月建点以来到2016年6月10日，累计综合位移量只有近22 cm；W3-15属于变形状态，自2012年11月建点以来到2016年6月10日，累计综合位移量只有50 cm，前节分析的边坡近期变形底部高程在2 443.00 m，从W3-16观测成果看，该高程应是趋于合理的。

5 结 语

该边坡变形前缘边界部位高程自蓄水初期的2 350.00～2 370.00 m左右，随着时间的推移有向边坡上部发展的趋势，早期位于初期蓄水位以下，2、3号梁在2015年以后变形前缘边界部位高程已基本转移到库水位2 452.00 m以上。

利用边坡上不同高程变形观测点变形规律，经过综合分析，在无直观条件满足的情况下可以大致确定变形前缘边界部位高程。

由于4、5号梁观测点不满足前述分析条件，尚无法确定该山梁变形边坡部位的前缘边界部位高程。

参考文献:

[1] 刘康.锦屏一级水电站左岸高边坡变形监测设计及成果初步分析[J].水电自动化与大坝监测,2008,32(03):64-67.

[2] 司清华,严明,钟林君，等.雅砻江锦屏电站右岸岩质高边坡安全监测分析[J].广东水利电力职业技术学院学报,2008,6(04)：37-41.

[3] 孟永东,徐卫亚,刘造保,等.复杂岩质高边坡工程安全监测三维可视化分析[J].岩石力学与工程学报,2010,29(12)：2500-2509.

[4] 张金龙,徐卫亚,金海元,等.大型复杂岩质高边坡安全监测与分析[J].岩石力学与工程学报,2009,28(09)：1819-1827.