锦屏一级水电站左岸边坡蓄水变形响应研究

裴向军，何如许，朱利君，罗小惠，陈俊宇

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

0 引 言

发生在20世纪60年代导致2 000 多人丧生的意大利Vajont[1]水库滑坡的惨痛事故使得库岸滑坡成为了滑坡研究的重点。而随着我国水电行业的蓬勃发展诸如锦屏一级、溪洛渡、小湾等大型水利水电工程的不断推进，大规模、强开挖、地质条件复杂的高陡人工开挖边坡的变形及其稳定性逐渐成为各位专家学者关注的重点[2-4]。目前数值模拟和边坡监测是评价和预测其稳定性的主要方法。

朱继良[5]等以西南某地区的超高人工开挖水电边坡为例，通过对监测点位移数据的详细分析并与开挖历程相结合，得出了该边坡的开挖变形响应规律，并指出边坡的变形主要是由开挖卸荷所导致的，变形与开挖历程有着极强的相关性。黄志鹏[6]将锦屏一级水电站的浅部、深部和表面变形监测数据作为判据，分析了其开挖至今的变形规律及特征，得出了变形在开挖结束以后趋于稳定的结论。梁国贺[7]在监测数据的基础上建立响应回归模型，研究溪洛渡水库蓄水以后库岸边坡和拱坝的变形规律以及发展趋势，并分析了导致谷幅收缩的主要因素。黄润秋[8]将现场调查与实时变形监测数据相结合，探讨了高陡边坡在人工强开挖的条件下的变相响应规律，并总结出了3种变形模式，其中卸荷回弹是边坡变形的主要原因。薛秀[9]运用Geostudio软件分析某水电站岸坡的变形特征，并结合监测资料指出蓄水以后由于库水的作用会使岩土体的参数降低，从而导致坡体的变形以蠕变为主。张世殊[10]等通过详细的现场调查以及结合相关资料提出了库水作用下的倾倒变形体边坡的演化机制，并结合数值模拟分析库水对库岸边坡稳定性的影响。张金龙[11]运用多种监测手段对锦屏一级水电站人工开挖边坡进行综合监测以掌握施工期边坡开挖的稳定性，对后续类似的大型人工开挖边坡监测提供了丰富的经验和参考价值。

锦屏一级水电站承担着整个雅砻江流域水利项目承上启下的重要作用。该坝为典型的双曲拱坝，高约305 m，死水位1 800 m正常蓄水位1 880 m。蓄水期和运行期的左岸边坡稳定性是锦屏一级水电站顺利蓄水和发电的重要保证。为了研究蓄水以后边坡的变形响应特征，以及边坡变形与蓄水的相关性。本文以锦屏水电站左岸边坡为例，结合研究区丰富的前期地质资料，通过对左岸边坡各个表面变形观测点数据的统计与分析并结合库水水位波动的影响，研究左岸边坡不同区域在蓄水后的变形响应特征，为后续库岸边坡稳定性的分析以及预测提供了可靠的依据和有力的支持。

1 工程概况

图1 坝区工程地质及枢纽布置Fig.1 A sketch of engineering geology and hub layout in the dam area

锦屏一级水电站库水位变化历时曲线见图2，蓄水至今的库水位历程总体分为首蓄期2012-11-30-2014-08-24、初蓄期2014-08-25-2015-09-28和运行期2015-09-30-2017-09-30共3个阶段。2012-11-30-2012-12-07为首蓄期第1阶段蓄水，库水位从1 640 m升至1 706 m。2013-06-15-2013-07-19为首蓄期第2阶段蓄水，库水位从1 706 m升至1 800 m，2013-09-03-2013-10-14为首蓄期第3阶段蓄水，库水位从1 800 m升至1 839 m。2014-07-03-2014-08-24为首蓄期第4阶段蓄水，库水位从1 839 m首次升至正常设计蓄水位1 880 m，首蓄期结束。2015-01-01-2015-05-14库水位从1 880 m降至1 800 m，2015-06-20-2015-09-28库水位从1 800 m蓄水至1 880 m，初蓄期结束。而在运行期库水位从12月的1 880 m开始下降至6月的1 800 m，再从6月的1 800 m蓄水至1 880 m。

图2 锦屏一级水电站坝前水位历时过程曲线Fig.2 Duration curve of water level in front of dam of Jinping-I hydropower station

2 变形分区与监测布置

2.1 变形分区

左岸边坡上部为倾倒变形体，表现为长期持续重力倾倒变形，尚未收敛；下部边坡的变形主要受到几个大型的断层、结构面以及深部拉裂缝所控制。因此根据坡体结构及其变形特征，将左岸上游边坡初步划分为以下3个宏观变形区域(见图3)。

图3 坝区左岸边坡变形分区Fig.3 Deformation zoning map of left slope in dam area

(1)开口线高位倾倒变形区(一区)。是指1 990 m高程以上开口线附近及自然边坡。

(2)上游山梁f5和f8残留体变形区(二区)。是指1 960 m高程以下上游开挖边界附近区域，该区域位于f5断层外侧。

(3)拱肩槽上游开挖边坡变形区(三区)。位于f42-9断层上盘，上游侧1 990 m高程以下f5断层和f42-9断层开挖揭示边界范围内，与“大块体”的地表边界基本一致。

2.2 表观点监测概况

边坡表面变形监测设立了80个观测墩，同时测量X(顺河向)、Y(横河向)、H(竖直)3个方向的位移。这些表观监测主要设置在开挖区域尤其是拱肩槽上游开挖边坡较多，而为了对高位的倾倒变形体进行变形监测，施工期结束后在自然边坡增设了多个观测墩。开口线上部的自然坡体设10个点，1 885 m以上坡体设有27个测点，全面涵盖了高位倾倒变形体以及f42-9、f5、f8断层和煌斑岩脉出露的观测区域。目前仍然有效的观测墩数量为39个，能够满足整体的监测要求。各观测点编号和实际分布情况参见图4。

图4 坝区左岸边坡表面监测墩分布Fig.4 Distribution map of monitoring piers on the surface of left bank slope in dam area

3 变形响应分析

3.1 开口线以上高位倾倒变形区(一区)

该变形区范围内正常监测点有17个。通过对该区域各监测点位移数据的整理，得到各点的水平合位移(见图5)、总位移(见图6)、位移方位角(见图7)和位移倾角(见图8)随时间变化的历时曲线。该区域的变形较为明显，目前水平合位移的量值主要集中在100～180 mm范围内并呈现出波动性增长的趋势，方位角的量值则主要集中在100°～120°即偏向上游河床的方向并逐渐趋于稳定，方位角的量值与该区域岩层的倾向大体一致，符合倾倒变形体弯曲-拉裂的变形特征。蓄水之后水平合位移的变化量值主要集中在30～50 mm，该区域的位移方位角则呈现出趋同性由蓄水之前的剧烈波动转而稳定下来。总位移的量值主要集中在120～220 mm这个范围内并呈现出波动性增长的趋势，位移倾角则主要集中在10°～30°的范围内即为俯倾角。可以看出该区域在蓄水前后的变形趋势都符合高位倾倒变形体的变形特征，高程较高的点其变形的量值越大，蓄水之后变形的速率也有小幅度的增加变形仍未收敛。

图5 变形一区水平合位移历时曲线Fig.5 Horizontal displacement diachronic curve in deformation area one

图6 变形一区总位移历时曲线Fig.6 Sum displacement diachronic curve of deformation area one

图7 变形一区位移方位角历时曲线Fig.7 Displacement azimuth diachronic curve of deformation area one

图8 变形一区位移倾角历时曲线Fig.8 Displacement inclination angle diachronic curve of deformation area one

图9 TP1位移历时曲线Fig.9 Displacement diachronic curve of TP1

TP1点布设于上游侧自然边坡2 040 m高程处，远离了其他施工干扰且观测一直持续，对于该区域变形特征有较好的代表性。该点水平合位移，垂直位移、总位移，以及位移方位角、位移倾角随时间变化的历时曲线见图9。由此，可以看出：

(1)从2012-11-30开始蓄水至今这段时期内，变形的总量较施工期有所降低，总位移为60.6 mm，水平合位移54 mm，垂直位移27.7 mm。水平合位移略低于总位移。水平合位移略低于总位移。位移曲线走势特征表现为：历经1 a左右的波动阶段之后，才进入较稳定的增长阶段，在首次蓄水完成后变形的量值保持稳定的增长。

(2)变形曲线呈现出稳定增长的态势，同时显示出在首次蓄水至1 880 m之后变形仍然难于收敛。其中，除了库水位从1 800 m蓄水至1 840 m、库水位从1 840 m降低至1 800 m稳定阶段以及首次从标准水位1 880 m降低至1 800 m后稳定阶段变形曲线呈现出暂时的稳定和小幅度的收敛外，其余各时段变形监测曲线均保持了稳步上升的态势，总位移及水平合位移也一直保持稳定增长，2者都没有出现减缓的趋势，只是随着时间的增长垂直位移(沉降)分量的贡献逐渐加大，总位移与水平合位移曲线开始出现小幅度的分离。其中，垂直位移(沉降)的 “升降波动”式发展较为明显。在蓄水之前，垂向变形的波动较为明显主要受到坡体开挖的影响；蓄水之后，垂直变形一直保持沉降的态势，偶有向上抬升的波动；在“升降波动”阶段，振荡幅值保持在10 mm左右，变化幅度不大，但仍然保持沉降逐渐增大的趋势。蓄水之后，垂直变形的震荡幅值开始减小但变形的量值随着时间的推移又逐渐增加，变化速率也逐步加快，从完成首次蓄水至今垂直位移的变化值达到了近20 mm,并且尚无收敛的趋势。

(3)水平位移矢量方位除了在施工期波动阶段有较大偏转外，在整个蓄水过程及以后的一段时间其方位角总体变化不大(开始蓄水后一直稳定在107°左右)，即始终保持偏向上游的方向。位移倾角的变化与水平位移矢量方位类似：除了在施工期有一定的偏转和波动以外，在整个蓄水过程及以后的一段时间位移倾角总体变化不大(开始蓄水后一直稳定在22°左右)，即始终保持为俯角，而在2016年底开始随着垂直变形速率的增加倾角有加大的趋势，目前的位移倾角为25°。

3.2 上游山梁断层f5、f8残留变形区(二区)

该变形区范围内包括的正常监测点有5个。通过对该区域各监测点位移数据的整理，得到各点的水平合位移(见图10)、总位移(见图11)、位移方位角(见图12)和位移倾角(见图13)随时间变化的历时曲线。该区域的变形比高位倾倒变形区要小，但受库水位升降的影响较为明显，蓄水前后监测点的变形趋势也有所改变。水平合位移的量值主要集中在55～70 mm范围内，并从蓄水初期的快速增加转变为运行期的稳定略微增长，水平合位移的量值变化与库水位的升降有较为明显的相关性。位移方位角的量值则主要集中在100°～110°，由蓄水之前的剧烈波动转而向100°～110°这个方位逐渐稳定下来，即偏向上游河床的方向。总位移的量值主要集中在60～70 mm这个范围内，在蓄水初期总位移的变化基本成线性增加，当库水位到达1 800 m之后总位移的量值呈现出小范围的波动性增长的趋势，位移速率较之前有所下降。位移倾角目前主要集中在-30°～0°的范围内，即为仰倾角。该区域的位移倾角受库水位上升的影响较大，在施工期位移倾角为正，即为俯倾角，开始蓄水之后位移倾角则出现由负转正的趋势并在运行期逐渐稳定下来，体现出蓄水以后该区域竖直方向的变形受库水位的影响由施工期的沉降转变为抬升。

TPL12点布设于1 960 m高程，位于f8断层残留区与缆机平台交界的位置，对于该区域变形特征有较好的代表性。该点的水平合位移、垂直位移、总位移及位移方位角、位移倾角的历时曲线见图14。由此，可以看出：

(1) 从2012-11-30开始蓄水至今这段时期内，变形的量值较施工期增长较为明显，总位移为41.316 mm，水平合位移41.634 mm，垂直位移-7.4 mm。水平合位移略高于总位移。水平合位移略高于总位移。位移曲线走势特征表现为：历经半年左右的震荡波动阶段之后，才进入较为稳定的快速增长阶段，在首次蓄水完成后变形的速率有所降低，而量值则随着库水位的升降变化呈现出波动性增长的态势。

(2)库水位历时曲线与变形曲线的波峰、波谷也能基本对应，只是变形曲线的波峰、波谷有所滞后，同时显示出在首次蓄水至1 880 m之后变形仍然难于收敛。其中，库水位首次从1 700 m蓄水至1 840 m期间变形速率开始较施工期有所增加并保持稳定增长的态势，直至在库水位回落至1 800 m变形量值也出现小幅度的回落，而当库水位再次蓄至1 880 m时变形量值则继续保持快速增长直至库水位下降变形量值有所收敛，在运行期变形与库水位的关系仍然保持着这种波动性变化的规律，只是随着时间的推移这种变形量值随着库水位升降而增加或回落的幅度逐渐减小但是变形并未停止。其中，垂直位移受库水位的影响较为明显。施工期垂向变形的波动较为明显其量值总体为正值(沉降)；而在蓄水以后就总体为负值(抬升)；蓄水初期垂直位移的震荡幅值较大，并呈现出随着库水位的升降而呈现出峰—谷相对应的周期性变化特征。在运行期随着时间的推移这种 “峰-谷”相对的特征仍然保持不变，只是震荡的幅值较首次蓄水期有所收敛，保持在-5～0 mm的范围内。

(3)水平位移矢量方位除了在施工期阶段有较大偏转外，在整个蓄水过程及以后的一段时间其方位角总体变化不大(开始蓄水后一直稳定在102°左右)，即始终保持略为偏向上游的方向。位移倾角的变化与垂直变形的规律相似，2者曲线的态势也基本吻合：除了在施工期为俯倾角，在整个蓄水过程及以后的一段时间位移倾角转变为仰倾角(开始蓄水后一直稳定在-10°～0°范围内)。

3.3 拱肩槽上游开挖边坡变形区(三区)

该变形区范围内包括的正常监测点有11个。通过对该区域各监测点位移数据的整理，得到了各点的水平合位移(见图15)、总位移(见图16)、位移方位角(见图17)和位移倾角(见图18)的历时曲线。目前该区域的变形仍然以水平方向的位移为主，其量值主要集中在60～87 mm范围内并呈现出波动性增长的趋势，水平和位移的量值变化与库水位的升降有较为明显的相关性。通过各点位移数据对比可以发现位于煌斑岩脉X上盘的水平合位移量值均大于下盘的监测位移。当库水位到达1 800 m后运行期的变形速度仍未减慢，变形尚未收敛。该区域的位移方位角则呈现出趋同性，由蓄水之前的剧烈波动转而向104°～120°这个方位逐渐稳定下来，并与坡体的倾向基本一致。位移倾角受库水位的影响较为明显，开始蓄水之后其量值一直在不断减小，特别是高程较低的监测点位移倾角逐渐趋于0°甚至转变为为负值(仰角)，高程较高的测点得位移倾角则主要集中在10°～24°的范围内并有不断减小的趋势。体现出蓄水以后该区域竖直方向的变形高程较高的部位以沉降为主但速度有所降低，而靠近标准蓄水位1 880 m处的监测点位移则以抬升为主。当进入运行期后，坡体逐渐适应了库水位的波动变化，位移倾角的变化速率逐渐减小，并趋于稳定。

图10 变形二区水平合位移历时曲线Fig.10 Horizontal displacement diachronic curve in deformation area two

图11 变形二区总位移历时曲线Fig.11 Sum displacement diachronic curve of deformation area two

图12 变形二区位移方位角历时曲线Fig.12 Displacement azimuth diachronic curve of deformation area two

图13 变形二区位移倾角历时曲线Fig.13 Displacement inclination angle diachronic curve of deformation area two

图14 TPL12位移历时曲线Fig.14 Displacement diachronic curve of TPL12

图15 变形三区水平合位移历时曲线Fig.15 Horizontal displacement diachronic curve in deformation area three

图16 变形三区总位移历时曲线Fig.16 Sum displacement diachronic curve of deformation area three

图17 变形三区位移方位角历时曲线Fig.17 Displacement azimuth diachronic curve of deformation area three

图19 TPL13位移历时曲线Fig.19 Displacement diachronic curve of TPL13

TPL13点布设于1 946 m高程，对于该区域变形特征有较好的代表性。该点垂直位移、总位移及位移方位角、位移倾角随时间的变化见图19。由此，可以看出：

(1)从2012-11-30开始蓄水至今这段时期内，变形的量值较施工期增长较为明显，总位移为40.8 mm，水平合位移41.275 mm，垂直位移3.9 mm，水平合位移略低于总位移。位移曲线走势特征表现为：历经0.5 a左右的震荡波动阶段之后，才进入较为稳定的快速增长阶段，在首次蓄水完成后变形的速率有所降低，而量值则随着库水位的升降变化呈现出波动性增长的态势。

(2)库水位历时曲线与变形曲线的波峰、波谷基本对应，只是变形曲线的波峰、波谷相对库水位历时曲线有所滞后，同时显示出在首次蓄水至1 880 m之后变形仍然难于收敛。开始蓄水后变形速率较施工期有所增加直至在库水位回落至1 800 m变形量值也有小幅度的回落，在运行期变形与库水位的关系仍然保持着波动性变化的规律，只是随着时间的推移坡体逐渐适应库水位的升降变化以后，这种变形量值随着库水位波动变化的幅度逐渐减小。垂直位移仍然呈现出升降波动的特点。在施工期垂向变形的量值总体为正值(沉降)，并在12～20 mm的范围内波动；而在蓄水之后总体仍为正值(沉降)，偶有升降波动，波动的范围在10 mm以内，变化幅度不大。蓄水之后，垂直变形的震荡幅值明显减小，并呈现出库水位历时曲线的波峰与变形历时曲线的峰-谷相对应的周期性变化特征。在运行期随着时间的推移这种 “峰-谷”相对的特征仍然保持不变，只是震荡的幅值较首次蓄水期有所收敛，并保持在0～5 mm的范围内。

(3)位移方位角除了在施工期波动阶段有较大偏转外，在整个蓄水过程及以后的一段时间其方位角总体波动变化不大(开始蓄水后一直稳定在108°～118°的范围内)，即始终保持略为偏向上游的方向并有逐渐减小的趋势。位移倾角的变化与垂直变形的规律相似，2者曲线的态势也基本吻合：位移倾角的量值总体保持为正(俯倾角)，蓄水以后位移倾角开始由施工期的剧烈波动转而逐渐减小并进入较为稳定的波动阶段，目前其量值主要在11°～18°范围内，并有缓慢减小的趋势。

4 变形机制与特征分析

左岸人工开挖边坡自身的岩体组成、软弱结构面较为发育以及蓄水之后库水位上升共同导致了它的持续变形。而通过对各区域监测点变形数据的分析和研究，再结合坡体本身的岩体结构可以分析归纳出不同变形区域的变形机制。

(1)开口线以上高位倾倒变形区普遍存在倾倒变形现象。从岩性组成来看，该区域有较软的薄层状变质板岩以及较硬的砂岩形成互层，从岩体结构来看陡倾的反向坡也有利于倾倒变形体的发育。高位边坡浅表部的表生改造(卸荷)作用也是造成倾倒变形体持续变形的重要原因，特别是边坡大规模的开挖更是加剧了它的发展。蓄水以后，下部岩体与软弱结构面在库水的作用下会有一定的劣化也会导致倾倒变形体的持续变形。

(2)上游山梁断层f5、f8残留变形区的变形主要受岩体开挖卸荷作用以及f5、f8断层所控制，变形以水平方向位移尤其是横河向的位移为主，竖直方向的位移量较小，但在蓄水之后该区域的变形受库水位的影响较大。通过监测数据的分析得知，开始蓄水之后由于库水的浮托力使得该区域各点竖直方向的位移从下降转而抬升，水平位移也由于库水对坡体水平方向的压力增加而保持不变甚至减小。在运行期由于库水位的升降集中在1 800～1 880 m这个范围内，坡体逐渐适应了库水位的变化使得位移和倾角的变化逐渐稳定，并缓慢的增加。

(3)拱肩槽上游开挖边坡变形区的变形主要受岩体开挖卸荷作用以及F42-9断层、煌斑岩脉所控制。 变形仍以水平方向位移尤其是横河向的位移为主，竖直方向的位移量较小。煌斑岩脉上盘监测点的位移速度明显要大于下盘监测点的位移速度，说明该区域的变形主要受到煌斑岩脉的影响。并且在蓄水以后由于煌斑岩脉的劣化导致该区域变形持续增加，而该区域高程较低的点受库水的浮托力以及水平推力影响也比较明显。

5 结 论

对变形曲线与上游库水位历时曲线进行综合对比，得到各个变形区域由于地质条件和高程的不同呈现出的不同的变形响应特征，而监测点的位移、方位角以及倾角也有着不同的独特表现形式。将监测数据与左岸边坡自身的地质条件相结合可以总结出各个区域的变形机制。

(1)开口线以上高位倾倒变形区。倾倒变形体的持续变形主要受岩体组成、岩体结构、表生构造以及蓄水共同控制。该变形区水平合位移与总位移在蓄水之后逐渐增加，虽然运行期的位移变化速率有所降低但仍然没有收敛的趋势。垂直变形在蓄水之后经过近1 a的波动之后开始增大。位移方位角与位移倾角由蓄水之前的明显波动转为蓄水之后的稳定阶段。开始蓄水后位移方位角一直稳定在107°左右，位移倾角则一直稳定在22°左右，位移倾角随着垂直位移的增加有逐渐加大的趋势。

(2)上游山梁断层f5、f8残留变形区。该区域的变形主要受岩体开挖卸荷作用以及f5、f8断层所控制，蓄水之后受库水浮托力与压力的影响比较大。水平合位移与总位移在蓄水之后逐渐增加，虽然运行期的位移变化速率有所降低但仍然没有收敛的趋势。垂直变形则由蓄水之前的沉降波动转变为抬升波动，震荡的幅值随着时间的推移有所收敛。位移方位角由蓄水之前的明显波动转为蓄水之后的稳定阶段，开始蓄水后位移方位角一直稳定在102°左右。位移倾角则由蓄水之前的俯角转变为蓄水之后的仰角，并保持在-5°～0°的范围内波动。

(3)拱肩槽上游开挖边坡变形区。拱肩槽上游开挖边坡变形区的变形主要受岩体开挖卸荷作用以及F42-9断层、煌斑岩脉所控制，煌斑岩脉的影响尤其明显。高程较低的点受库水浮托力与压力的影响比较大。水平合位移与总位移在蓄水之后逐渐增加，并且变形以Y方向(横河向)为主，虽然运行期的位移变化速率有所降低但仍然没有收敛的趋势。垂直变形一直保持震荡波动的态势，震荡的幅值随着时间的推移有所收敛。位移方位角由蓄水之前的明显波动转为蓄水之后的稳定阶段，开始蓄水后位移方位角一直稳定在108°～118°的范围内。位移倾角则由蓄水之前的剧烈波动变为蓄水之后小幅度波动，并有逐渐减小的趋势。

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