乌东德水电站水垫塘边坡施工期变形和受力特性

彭 绍 才，韦 国 书，郑 栋

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

乌东德水电站位于四川省会东县和云南省禄劝县交界的金沙江下游河段，是金沙江下游河段4个梯级中的第一个梯级电站，是我国继三峡、溪洛渡之后建设的千万千瓦级的第三座巨型水电站。工程开发任务以发电为主，兼顾防洪、航运和促进地方经济社会发展。

乌东德水电站泄洪洞出口位于左岸导流洞和电站尾水左侧，泄洪洞出口为采用封闭抽排结构型式的水垫塘，水垫塘四周设置了基础廊道。水垫塘左侧即为泄洪洞水垫塘左侧边坡，该边坡的安全及稳定性对于保证工程的正常运行至关重要。2016年11月泄洪洞水垫塘左侧边坡启动高程850 m以下开挖施工，2016年12月24日边坡高程830 m以下开始爆破开挖，监测发现边坡部分表面变形和锚杆应力突然增大；2017年3月底高程806 m以上开挖完成，2017年3月25日停止爆破；2017年4月1日边坡下部开挖全面暂停，系统支护继续实施，随后边坡变形速率趋缓。基坑于2017年6月22日充水度汛后，边坡开挖支护停止，原先变形较大的表观监测墩变形速率趋于收敛，部分内观监测仪器监测数据已收敛。

水电工程建设中的边坡开挖等，不可避免地会对边坡的状态产生扰动，引起应力状态调整、岩体松弛卸荷等[1-5]。泄洪水垫塘左侧边坡施工期也经历了较大的变形，严重威胁邻近建筑物、下游河道甚至整个工程的安全性。有必要分析左侧边坡的变形和受力特性等，发现其变形规律并揭示变形机理，以指导边坡施工和支护等。

大量的学者或工程师对我国一批重要的水电工程边坡施工期的监测资料进行了分析，以评价边坡的稳定及安全性[6-11]。例如，石安池等[8]基于监测资料分析了三峡船闸高边坡的岩体变形受开挖卸荷、地质条件、施工爆破、锚固等的影响情况。赵明华等[9]分析了小湾电站高边坡的表观变形、测斜仪和多点位移计实测岩体变形、锚索锚固力等，并评价了边坡的稳定性。朱继良等[10]研究了某水电站人工进水口大坡比高边坡施工期在强开挖下的变形特性和规律。黄志鹏等[11]研究了锦屏一级水电站左岸开挖边坡的外观变形和深部变形等，结果表明位移满足安全控制标准，边坡是稳定的。

相比于上述工程边坡[8-11]等，乌东德泄洪洞水垫塘左侧边坡具有特殊性：

(1) 高陡特性，边坡开口线至水垫塘底板高约180 m，人工边坡单级开挖坡比为1∶0.2。

(2) 地质条件复杂，边坡高程约925 m以下为褶皱基底地层，高程约925 m以上为沉积盖层，左岸泄洪洞出口下游侧约100 m分布一条规模较大的花山沟断层(F6)，该断层走向与河谷走向大角度相交。

(3) 开挖爆破扰动大，边坡开挖过程中采用爆破等手段，会加剧岩体的卸荷松弛。

鉴于泄洪水垫塘左侧边坡在工程中的重要性，以及边坡高陡、地质条件复杂、开挖爆破扰动大等特性，本文旨在基于该边坡开挖期间的各项监测成果，结合地质和物探资料等，分析边坡表面变形和支护结构受力特性，阐释监测成果与边坡开挖过程的相关性，揭示边坡开挖期间变形的机理。

1 地质条件与开挖后形象

1.1 地形地貌

泄洪洞出口左侧边坡位于花山沟出口下游侧，原花山沟堆积体附近(见图1)。

图1 泄洪洞出口左侧边坡工程地质示意Fig.1 Engineering geological map of the left slope of spillway exit

边坡开口线高程约970 m，至水垫塘底板高程790 m的人工边坡高约180 m，边坡走向约193°。人工边坡单级开挖坡比为1∶0.2(79°)，边坡长度250余m。

1.2 地层岩性

泄洪洞出口左侧边坡高程约925 m以下为褶皱基底地层；地层岩性为Pt2l灰色薄层白云岩、灰岩。地层走向近EW向为260°～280°，倾向S，倾角75°～85°(局部为73°)，即近横河向展布，陡倾下游偏右岸。层面多平直粗糙，充填泥钙质，沿层面多见溶蚀色变现象。

边坡高程约925 m以上为沉积盖层，地层岩性主要为Z2d厚-巨厚层白云岩、Z2g薄层白云岩夹薄-极薄层粉砂质泥岩页岩、P2y厚层灰岩、P3em玄武岩等；地层走向290°～320°、倾向NE、倾角16°～30°，即缓倾左岸偏上游。层面多平直粗糙，附泥钙质，沿层面多见溶蚀色变现象。

如图2所示，边坡顶部为反向坡，下部为横向坡，边坡中部设斜马道，后期布置花山泥石流沟排导槽。

图2 泄洪洞出口左侧边坡地层Fig.2 Stratum on left slope of spillway exit

泄洪水垫塘左侧边坡上部为土质边坡，稳定性差。上下游侧基岩边坡均为顺向坡，内外侧基岩边坡均为斜横向坡。

1.3 地质构造

左岸泄洪洞出口下游侧约100 m分布一条规模较大的花山沟断层(F6)。该断层走向与河谷走向大角度相交，出露于花山沟附近，属正断层，盖层被错开，垂直错距约420 m。该断层走向NEE、倾向150°～170°即倾S、倾角60°～80°(一般约70°)。该断层宽度约3～15 m，从上至下宽度总体上逐渐变大。

边坡左侧高程在865 m以上，F6断层宽度约2～5 m，局部更宽，总体上上部较窄，下部较宽。主断面多见于上盘附近，断面平直稍粗，一般充填1～3 cm宽断层泥，由泥夹碎屑组成，断层泥多呈可塑状，手易剥落，黑色。其他构造岩为碎裂岩，多由薄层-极薄层岩体组成，呈弱风化状，多呈灰色，部分呈灰黄色。高程865.0～786.5 m断层带宽约3～5 m，构造岩特征与865.0 m高程以上基本一致。泄洪洞水垫塘左侧底板至导墙建基面附近，该断层逐渐变宽，由约5 m逐渐变为约15 m。

1.4 开挖后的形象

开挖前，高程1 070.0 m以下为花山沟堆积体形成的缓斜坡，坡度为10°～35°；高程1 070 m以上为自然裸露的岩质边坡，高程1 070.0 m至坡顶(1 760 m)为陡峻坡，平均坡度约55°。

开挖后，原花山沟堆积体已全部挖除，形成的水垫塘左侧边坡往下游走向193°。高程1 070.0 ～970.0 m段为第四系覆盖层剥离坡，高程970.0 ～940.0 m为基岩开挖开口线，紧邻开口线以上剥离坡约有10～40 m宽的缓坡(在缓坡上方靠近花山沟部位发育一脊状地形，分布高程约970.0～1 050.0 m，其顺江长约40 m、面积约3 200 m2、平均坡度约43°)。开口线以下至高程850 m开挖坡比为1∶0.2(79°)，850.0 m以下至底板792 m(底板基础廊道高程为786.5 m)开挖坡比1∶0.3(73°)，开挖后的综合坡度约64°。

2 监测设施布置

泄洪洞出口左侧边坡已布置6个变形监测断面(见图3)，共布置并实施了17套多点位移计，14个表观监测墩，21台锚索测力计，26支锚杆应力计。监测设施布置如图3所示。

图3 泄洪洞出口左侧边坡监测设备布置Fig.3 Arrangement of monitoring equipments on the left side slope of the spillway exit

3 监测成果分析

泄洪洞出口左侧边坡岩体质量较差-差，在开挖过程中，变形稳定问题是密切关注的重点。左侧边坡发生持续变形后，现场开展了多次查勘，并对地表裂缝进行了全面广泛调查，同时对边坡安全监测成果、变化特性和机理等进行了深入分析。

泄洪洞出口左侧边坡监测设施主要有表面变形监测点、多点位移计、锚杆测力计、锚索应力计。下面利用不同监测设施监测的成果分析边坡安全稳定性状态。

3.1 岩体变形

泄洪洞出口左侧边坡布置的17套多点位移计均布置于F6断层下游；其中，F6断层至高程850 m混凝土系统后缘边坡之间共布置有11套，850混凝土系统后缘边坡布置有6套。

各套多点位移计安装后的首测时间不一，其中一期首测的最早时间为2013年5月5日，监测深度一般为30 m，部分40 m。受现场施工等因素影响，多套多点位移计监测数据在2015年5月至2017年3月出现缺失，只有M13、M14和M16捕捉到了相对较完整的变形过程(见图4)。

图4 多点位移计孔口变形量与开挖过程关系曲线Fig.4 Relation between deformation of multi-point displacement gauge and excavation process

部分测值较大的多点位移计实测的孔口累计变形在空间上的分布如图5所示。

分析多点位移计监测统计成果可看出：

(1) 截至2018年7月，17套多点位移计中，13套的孔口累计变形量小，在25 mm以下，占76.5%；有3套的变形量较大，在70 mm以上，最大92.2 mm，为M11号点。

(2) 多点位移计监测的局部变形量较大的部位(M10～M12)主要位于F6断层下游侧一期4-4断面，即开口线剥离坡脊状地形附近(见图5)。该区域的较大变形与F6断层有关，主要由该区域的开挖所引起的岩体卸荷松弛产生的。

图5 泄洪洞出口左侧边坡变形较大区域Fig.5 Large deformation area on the left side slope of the spillway exit

(3) 17套多点位移计中，只有M11和M03显示水平向埋深30 m处仍有较大变形(但30 m处的变形量比20 m处的大，数据异常)，其他15套的监测数据表明距坡面30 m处边坡岩体无变形或变形量很小，故泄洪洞出口左侧边坡岩体变形深度基本在20～30 m。

(4) 对于不同岩质边坡，岩体变形阶段划分可能不同。依据该边坡的岩体变形速率和速率变化过程，基于人为判定，该边坡的岩体变形速率总体上可分为3个阶段，即变形加剧阶段、变形趋缓阶段、变形收敛或趋于收敛阶段。对于该边坡，变形加剧阶段变形速率随时间逐渐增大；变形趋缓阶段变形速率逐渐减小。变形加剧阶段和趋缓阶段的分割点，一般也是岩体变形曲线出现拐点的地方；由于不同多点位移计实测岩体变形出现拐点的地方不尽相同，所以进一步结合施工过程等，综合确定整体上拐点出现的位置。变形收敛或趋于收敛阶段，变形速率接近于零，或进一步明显较小。

第一阶段为变形加剧阶段。M13、M14和M16的曲线变形过程显示，变形加剧发生在2016年12月24日至2017年3月25日，前后时间点分别对应高程830.0 m以下开挖和停止爆破开挖。该阶段有监测数据的设备共有8套，分别为M01～M03、M07、M10、M13、M14和M16。其中有3套孔口变形速率在0.1 mm/d以下，有5套孔口变形速率在0.1 mm/d以上，最大为0.37 mm/d(M10)。

第二阶段为变形趋缓阶段，即发生在2017年3月25日现场停止爆破开挖后。在停止爆破开挖后一周内，该阶段前述8套监测仪器中的7套孔口变形速率在0.1 mm/d以下，仅有1套的孔口变形速率在0.1 mm/d以上，最大即M13亦只有0.1 mm/d。M11、M12、M15虽然在2017年3月25日现场停止爆破后一周内变形速率在0.1 mm/d以上，但由于它们在第一阶段被损坏，无法比较说明停止爆破前后的变形速率变化情况，故不计入相关统计。

第三阶段为收敛或明显趋于收敛阶段。8月的变形增量和速率表明，17套多点位移计中，8套变形己收敛，另外9个皆明显趋于收敛(其中M12、M15两个点分别于8月1日和8月3日才明显趋于收敛)。各点收敛或明显趋于收敛的时间点相差较大，绝大部分大约在停止爆破开挖半个月即2017年4月中旬后才逐渐收敛或明显趋于收敛，其中开口线附近脊状地形高程987.7 m附近M12以及高程830.3 m F6断层附近M15两个点的趋于收敛的时间最晚，而高程850.0 m混凝土系统后缘M04～M09收敛的时间则最早。

(5) 2017年6月24日，出口水垫塘充水后，变形速率基本无变化。

综上所述，该坡段自停止爆破开挖至今，所有多点位移计变形监测数据均已收敛或明显趋于收敛。

3.2 表面变形

泄洪洞出口左侧边坡共布置表观监测墩14个，均布置于F6断层下游，F6断层与至高程850.0 m混凝土系统后缘边坡之间共布置有11个，850混凝土系统后缘边坡布置有3个，布置位置示于图3。

各表观监测点安装后的首测时间最早为2013年9月16日，受现场施工等因素影响，多组表观监测数据在2015年4月至2017年4月出现较长时间缺失，只有TP01、TP04、TP13～TP16和TN13W捕捉到了较完整的变形过程(见图6)。

图6 表观监测总变形量与开挖过程对比曲线Fig.6 Relation between total surface deformation and excavation process

部分测值较大的表面位移测点实测的边坡表面位移在空间上的分布如图5所示。图5同时展示了边坡出现较大表面位移和较大岩体变形的区域。

(1) 截至2017年8月10日，各累计变形量分量中，向临空面方向累计变形量最大，一般达50.00～140.00 mm，最大223.75 mm(TP11)；沉降量稍小，一般为14.00～80.00 mm，最大214.50 mm(TP11)；向下游方向累计变形量最小，一般为8～23 mm，最大54.63 mm(TP03)。根据表面变形分量特征，边坡主要发现为向坡外的变形和铅直向的沉降，以向坡外变形为主。

边坡表面变形较大区域与岩体较大变形区域具有一致性，表面变形较大区域主要位于F6断面下游侧高程925.0～985.0 m范围，该区域紧邻F6断层，位于开口线剥离坡脊状地形附近，较大的表面变形与该断层和岩性较差有关，由施工期开挖施工引起。

(2) 截至2017年8月10日，14组表面位移数据中，累计总变形量大于200.00 mm有3组(TP11、TP12、TP16)，其中TP11最大(312.50 mm)；累计总变形量为200.00～150.00 mm的有2组(TP10和TP15)；累计总变形量为150.00～100.00 mm的有4组(TP03和TP13～TP14、TN13W)；累计总变形量为100.00～50.00 mm的有2组(TP01～TP02)；累计总变形量为小于50.00 mm的有3组(TP04～TP05和TP07)，其中TP05最小，仅为2.35 mm。

(3) 2016年12月24日高程830.0 m以下边坡爆破开挖后，各组表观监测变形分量和变形总量出现陡增，变形速率加快；2017年3月25日后，停止爆破开挖，变形速率明显降低，截至2017年8月10日，14个表观监测点中，有5个点已收敛，大部分测点变形速率已明显降低，趋于收敛。

(4) 由于边坡表面变形和岩体变形具有一致性，表面变形也可分为3个阶段：变形加剧阶段、变形趋缓阶段、收敛或明显趋于收敛阶段。

3.3 锚索锚固力

泄洪洞出口左侧边坡共布置锚索测力计21台，其中F6断层上游布置4台，F6断层下游与850系统后缘边坡之间布置17台，布置位置见图3。锚索的测点位置、锚固力及损失率列于表1。

各锚索测力计安装后首测时间不一，其中一期首测的最早时间为2013年10月4日，监测成果如图7和表1所示。分析锚索测力计监测成果统计可知：

表1 锚索锚固力及锁定后损失率Tab.1 Anchorage forces of anchor cables and loss rates after locking

图7 锚索测力计锁定后损失率与开挖过程对比Fig.7 Relation between loss rate of force of anchor cable dynamometer after locking and excavation process

(1) 截至2017年8月10日，锚索锚固力增长率超过50%的有1台(MS18)，增加了52.4%，锚固力变化量为414.94 kN；锚固力增加15%～50%的有7台(MS04、MS06、MS11、MS13～MS15和MS22)；锚固力增加15%～5%的有4台(MS05、MS09～MS10、MS12)；锚索应力增加-10%～5%的有9台(MS01～MS03、MS07、MS16～MS17、MS19、MS21和MS24)，其中MS17锚固力损失最大，为7.4%。

在锚固力增长率超过15%的测点中，MS04、MS13～MS15主要集中在图5所示的边坡变形较大区域，锚固力的增大和边坡的变形基本一致；MS18、MS06、MS11和MS22主要分布在F6断层上下游附近高程840.0～890.0 m范围内，较大的锚固力增长率主要受F6断层及边坡开挖等因素影响。

(2) 2016年12月24日高程830.0 m以下边坡爆破开挖后，各锚索测力计锚固力增加率及变化速率陡增，2017年3月25日停止爆破开挖后，变化速率明显降低。截至2017年12月，共21台锚索测力计中，绝大部分即已收敛，MS05、MS10和MS11应力增速已明显降低，趋于收敛。

3.4 锚杆应力

泄洪洞出口左侧边坡共布置锚杆应力计26套，均布置于F6断层下游，其中F6断层至高程850.0 m混凝土系统后缘边坡之间共布置有18支，850系统后缘边坡布置有8支(见图2)。

各锚杆应力计安装后首测时间不一，其中一期首测的最早时间为2013年5月5日。监测成果如图8所示。由锚杆应力计监测成果可知：

图8 锚杆应力计应力变化与开挖过程对比Fig.8 Relation between stress of anchor bolt gauge and excavation process

(1) 截至2017年8月10日，锚杆应力计应力超过150 MPa的有3支，为R19、R24和R29，其中R29最大，达283.6 MPa；锚杆应力为150～30 MPa的有5支，为R06、R21～R23和R27；其余锚杆应力均小于30 MPa，有17支，其中R05最小，仅为-27.3 MPa。

(2) 2016年12月24日高程830 m以下边坡爆破开挖后，各锚杆应力计应力变化速率陡增，2017年3月25日后，停止爆破开挖，除R24应力增速仍较大外，其它锚杆应力计应力增速明显降低。截至2017年12月30日，26支锚杆应力计中，绝大部分已收敛，应力增速已明显降低且趋于收敛。

3.5 变形特征综述

虽然部分变形监测仪器2015年3月至2017年3月的监测数据缺失，但通过地表裂缝专项调查和少数几个完整的监测数据成果，以及2017年3月后陆续修复的监测仪器监测的数据仍可揭示泄洪洞出口左侧边坡变形特征。

目前泄洪洞出口左侧边坡变形处于收敛或明显趋于收敛阶段；变形量最大部位处于4-4’变形监测断面，即凸出脊状地形特别是该处开口线顶部附近，边坡中部区域次之，850混凝土系统后方边坡及边坡其他区域累计变形量小；2016年12月24日至2017年3月25日期间，即泄洪洞出口左侧边坡进行高程830.0 m以下的高强度爆破开挖期，边坡的变形量和变形速率较大，其后边坡变形逐渐收敛。

4 边坡变形机理分析

在长期的地质演化过程中，边坡岩体内部积聚了一定的应变能，在工程活动作用之前，坡体处于相对稳定状态[1-5]。工程开挖和爆破等扰动了边坡的初始状态，改变边坡边界条件，岩体遂发挥其自组织功能而进行相应的调整，先前积累的应变能一部分被释放，一部分转移至岩体深部，产生应力重分布并伴随着坡体的变形[3-5]。

由开挖导致的应变能释放意味着卸荷松弛，由卸荷产生的瞬时变形即为回弹，对边坡产生静、动力扰动及岩体损伤，引起岩体内原有结构面的张开、错动，以及原生节理裂隙的扩展或新生裂隙。特别是在F6断层等地质弱面附近或破碎的强卸荷松弛区，边坡岩体质量、力学参数及承载能力和稳定性可能会降低。

泄洪洞水垫塘左侧边坡F6断层下游侧岩体主要为Ⅳ2类，岩体质量较差，该类岩体占整个边坡的32.6%(见图9)。在紧邻F6断层的下游侧高程891.6 m处，利用锚索孔进行物探检测(编号为7号)，发现松弛深度约为16.4 m，松弛带声波波速在2 600～3 200 m/s，非松弛带声波波速在3 100～5 000 m/s。

图9 泄洪洞水垫塘左侧边坡岩体质量图9 Rock mass quality of the left side slope of the spillway exit

为了验证开挖引起岩体卸荷松弛的松弛深度，图10给出了7号物探孔附近位置多点位移计M10的实测的岩体变形。可以看出，岩体的拉伸变形主要发生深度在0～20 m之间，完成开挖后的相对变形量在73.00 mm左右。基于7号物探孔确定的松弛卸荷深度16.4 m在岩体变形深度范围0～20 m之内，证实了岩体卸荷松弛存在于该区域及卸荷松弛的深度。由于开挖等引起卸荷松弛，且该区域位于F6断层下游侧岩体质量较差，故导致F6断层下游侧一期4-4＇断面附近发生较大的岩体拉伸变形和表面变形。

图10 高程925 m处多点位移计M10实测的岩体变形Fig.10 Deformation of rock mass measured by multi-point displacement meter M10 on 925 m

边坡变形演化是岩体微观损伤破裂发展、宏观力学强度不断降低和滑面孕育、发展和贯通形成的过程[5-7]。对于具有时效变形特征的渐变型岩质边坡，其滑动面是经长时间的孕育才逐渐形成。由开挖卸荷引起的渐进演化变形边坡，如果没有显著的失稳破坏控制性结构面，则保持稳定的关键在于控制变形发展，变形控制到位的话深层滑动面的发展就会在孕育或发展阶段结束，而不会进入最终大变形累计破坏阶段；若任由变形充分发展，滑动面演化则进入不可逆状态。截至2017年8月10日，泄洪洞出口左侧边坡尚处于变形阶段，未形成统一的潜在滑动面。乌东德泄洪洞出口左侧边坡特点包括：断层F6反倾切割、开挖形成的边坡高陡卸荷松弛深度大。

5 结 论

本文分析了乌东德水电站泄洪洞水垫塘左侧边坡开挖期间的表面变形、岩体变形、锚杆应力和锚索锚固力变化特性，阐释了该变化与边坡开挖过程的相关性，揭示了边坡开挖期间变形的机理，主要结论如下。

5.1 边坡变形和受力特性

边坡的岩体变形和表面变形与地层岩性和地质构造等紧密相关。岩体变形和表面变形具有一致性，主要发生在F6断层下游侧且岩体质量较差的高程925.0～985.0 m范围，该区域开挖过程中出现了较大的变形，其余部位的变形量相对较小。

边坡的变形与施工过程紧密相关，可总结为3个阶段：变形加剧阶段、变形趋缓阶段、收敛或明显趋于收敛阶段。施工中出现了变形陡增和变形速率加快的情况，但停止爆破开挖后，变形速率明显降低，变形逐渐收敛。

边坡支护结构受力主要受施工开挖影响；边坡爆破开挖，岩体松弛卸荷，锚杆应力和锚索锚固力大部分呈增大趋势；停止开挖后，结构受力逐渐趋于稳定。

5.2 影响边坡变形的主要原因

该高陡边坡总体岩体质量较差及大规模开挖卸荷，是引起局部坡体出现较大变形的主要原因。较大表面变形和岩体变形的区域主要位于F6断面下游侧高程925.0～985.0 m范围，该区域紧邻F6断层，较大的表面变形与该断层和较差岩体质量有关，由施工期开挖施工卸荷引起。

5.3 施工期稳定性评价

结合地质条件、监测数据分析和判断、物探检测成果等，边坡变形总体上已收敛，且坡体内不存在倾向坡外的规模较大的断层等结构面，边坡不存在整体稳定问题。