西部某大型水电站左岸边坡稳定性分析

卢为伟，张 凯

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南省长沙市 410014）

0 引言

西部某大型水电站为双曲拱坝，工程规模巨大，左岸边坡开挖高度达530m，总开挖量约550万m3。具有高山峡谷、高拱坝、高边坡、高地应力、高水头及深部卸荷等“五高一深”特点，是目前水电工程中开挖高度最高、开挖规模最大、稳定条件最差的边坡工程之一，其高边坡的安全稳定问题十分突出[1]。特别是蓄水后边坡的稳定性不仅关系到电站的安全运行，更关系到上下游人民群众的生命财产安全。当前，关于大型水电站坝肩边坡的变形监测成果多为单一监测项目分析或针对施工期、蓄水期、运行期中的某一工程阶段进行分析。本文从不同类型的监测手段，结合施工期至运行期长周期的监测资料成果进行对比，对左岸边坡的稳定性进行分析，监测成果对保障工程安全运行具有重要作用。本文的研究思路可为类似工程边坡提供参考和借鉴[2]。

1 地质概况与仪器布置

1.1 地质概况

电站枢纽区左岸边坡山体雄厚，谷坡陡峭，基岩裸露，相对高差千余米，为典型的深切“V”型谷，为深部裂缝发育强烈区，岩层走向与河流流向基本一致，岸坡为反向坡，自然坡度40°—50°，地形完整性较差，呈山梁与浅沟相间的微地貌特征。边坡岩体中主要结构面为以f5、f8、以及f42-9断层为代表的小断层、层间挤压破碎带、SL441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主要包括：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断层，f42-9断层上盘平行于断层的一系列小断层等。左岸EL.1 885m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，根据设计、地勘资料，左岸边坡主要断层、深部裂缝分布如图1所示[3]，典型开挖断面如图2所示，包括f5、f8、以及f42-9断层为代表的小断层、层间挤压破碎带，约1 890—1 920m以上出露第三段砂板岩，以下出露大理岩，岩层以中等倾角反倾坡内。

图1 左岸边坡主要断层、深部裂缝分布

图2 左岸边坡典型开挖断面图

1.2 仪器布置

现阶段揭露的地质结构和变形迹象显示，左岸边坡的整体变形受到高位倾倒变形体以及“大块体”周围主控结构面和周围边界自然因素的影响。因此，通过表层监测点和深部位移监测点的布设，形成一套由表及里的全面监测体系，为蓄水期和运行期的变形监测提供了有力保障[4]。

左岸边坡共计布设表面变形观测墩74个，其中：1区高位倾倒变形区26个测点、2区上游梁山梁f5/f8残留体变形区13个测点、3区拱肩槽上游开挖边坡10个测点、4区拱坝坝肩边坡6个测点、5区抗力体边坡5个测点、6区水垫塘雾化区边坡14个测点。工作基点采用平面控制网点进行往返对向观测，基点每年复测，测点分区布置图见图3。

图3 左岸边坡表面变形测点分区布置图

左岸边坡目前完好的四点式多点位移计16套/49支，六点式多点位移3套/17支计，测点间距8—17.5m，最大埋深100m，深入基岩，测点布置如图4所示。

图4 左岸边坡多点位移计测点布置图

左岸EL.1 930m的PD44平硐底板布置有一套6点式石墨杆收敛计（埋深203.5m）及一套12点式石墨杆收敛计（埋深202m）。左岸EL.1 930m的PD42平硐主洞布置有一套6点式石墨杆收敛计（埋深93m）、上游支洞布置有一套11点式石墨杆收敛计（埋深158.25m）。左岸EL.1915m排水洞#3支洞内布置有1套5点式石墨杆收敛计（埋深97.3m）。石墨杆收敛计布置见图5，监测断面图见图6—图7。

图5 左岸边坡石墨杆收敛计布置图

图6 PD44监测断面图

图7 PD42监测断面图

此外，左岸边坡目前正常运行锚索测力计41套；正常运行三点式锚杆应力计24套/37支。

2 监测成果分析

2.1 表面变形

开口线以上高位倾倒变形区（1区）变形量较大，施工期变形速率1.5mm/月，首次蓄水期变形速率0.6mm/月，初蓄期变形速率0.9mm/月，运行期变形速率0.6mm/月。

上游山梁f5和f8残留体变形区（2区），施工期变形速率0.5mm/月，首次蓄水期变形速率0.4mm/月，初蓄期变形速率1.4mm/月，运行期变形速率0.6mm/月。

拱肩槽上游开挖边坡（3区），施工期变形速率0.9mm/月，首次蓄水期变形速率0.2mm/月，初蓄期变形速率1.0mm/月，运行期变形速率0.4mm/月。

拱坝坝肩边坡（4区）、拱坝抗力体边坡（5区）和水垫塘雾化区边坡（6区）位移量值较小，蓄水对边坡位移影响不明显，运行期变形速率0.0—0.1mm/月。

其中4区、5区、6区边坡变形已收敛；1区仍在进行变形调整持续倾倒；2区为库岸边坡变形，对大坝直接影响较小；3区变形呈收敛趋势，已进入长期渐变收敛期，变形区域在f42-9断层的上盘范围，不影响坝肩稳定。

左岸边坡各分区典型测点阶段性变形速率统计表见表1，左岸边坡测点水平位移矢量图见图8—图9，各测区阶段性位移变形速率柱状图见图10。

图8 左岸边坡各测点水平位移矢量图

图9 左岸雾化区各测点水平位移矢量图

图10 各测区阶段性位移变形速率柱状图

表1 左岸边坡各分区典型测点阶段性变形速率统计表

2.2 多点位移计

左坝肩边坡多点位移计变形量值微小。变形增大主要发生在开挖施工期，施工变形速率在-0.09—0.31mm/月之间；首次蓄水期变形速率在-0.40—0.29mm/月之间；初蓄期变形速率在-0.28—0.15mm/月；运行期变形速率在-0.12—0.12mm/月，进入运行期后，变形速率有所减小。

2.3 石墨杆收敛计

石墨杆收敛计布置在地勘平硐内，不仅能直接监测平硐变形，还能得到测点的累计变形过程，在边坡监测中发挥了重要作用[5]。

（1）PD44平硐

PD44平硐前期和后期安装的两套石墨杆收敛计，开挖期变形较大，开挖完成后速率减小，初蓄期变形速率有所增加，初蓄期变形速率为0.66mm/月、0.77mm/月，运行期内位移速率呈减小趋势。

两组石墨杆收敛计整个监测洞段累计位移历时过程线对比可知，两套石墨杆收敛计所观测位移总体变化趋势基本一致，均显示目前监测部位岩体仍存在向山体外的少量变形。PD44平硐两套石墨杆合位移历时曲线见图11。

图11 PD44平硐石墨杆合位移历时曲线

（2）PD42平硐

整个监测洞段位移为43.84mm，开挖期位移速率较大为0.32mm/月，开挖完成后位移速率有所减小，变形速率呈减小趋势。位于0+035.20—0+049.40的#4测点变化最大，施工期至运行期月变形速率在0.16—0.18mm/月，未见明显减小，变形主要受f42-9断层影响。PD42主洞石墨杆各测段位移变形速率柱状图见图12。

（3）EL.1 915m排水洞

整个监测洞段位移值为30.42mm，施工期变形速率为0.13mm/月，首次蓄水期变形速率为0.43mm/月，初蓄期变形速率为0.46mm/月，运行期变形速率为0.21mm/月，洞段位移主要表现为持续增加，主要发生在0+023.90—0+039.2测段，为f42-9、煌斑岩脉（X）影响区。1 915排水洞石墨杆变形速率柱状图见图13。

图13 EL.1 915m排水洞石墨杆变形速率柱状

2.4 锚索测力计、锚杆应力计

左岸边坡绝大部分锚索损失率在±10%之间。锚索锚固力在1 173.65—3 443.08kN范围，锚索荷载的变化主要发生在开挖施工期，运行期锚索荷载变化量较小，锚杆应力调整较小。

3 监测成果对比分析

左岸边坡锚索测力计、锚杆应力计变化量值较小，且安装埋设部位与其他监测手段不在同一断面，故本文不进行对比分析。

3.1 表面变形观测与多点位移计对比分析

表面变形观测墩与多点位移计测点均表现为开挖初期变形速率较大，蓄水期及运行期变形速率逐渐减小的规律。相同观测时期内，两者位移增量及变化速率差异较大，且表面变形观测墩位移呈长期持续增长趋势，多点位移计变形速率则有明显放缓趋势，且位移增长主要发生在施工开挖期，表明相对于表面变形，边坡浅部变形收敛较快。表面变形与多点位移计成果对比见图14。

图14 表面变形与多点位移计成果对比图

3.2 深部变形监测对比分析

（1）PD44平硐石墨杆与谷幅对比分析

PD44平硐布置有一套6点式石墨杆收敛计，在其附近布设了5个谷幅测墩。统一监测时段内石墨杆收敛计与谷幅测线位移增量分别为59.85mm、61.00mm，两者变化趋势一致，测值相近。PD44石墨杆与谷幅洞内测距与监测成果对比见图15。

图15 PD44平洞谷幅、石墨杆位移对比图

（2）PD42平硐石墨杆与谷幅对比分析

PD42平硐主洞布置有一套6点式石墨杆收敛计，在其附近布设两个谷幅测墩。统一监测时段内石墨杆收敛计与谷幅测线位移增量分别为46.66mm、47.40mm，两者位移增量差异较小，变化趋势一致，说明两种监测手段成果可靠。PD42石墨杆与谷幅洞内测距监测成果对比见图16。

图16 PD42主洞洞内谷幅与石墨杆移对比图

4 结论

本文以西部某大型水电站左坝边坡为例，采用不同类型的监测手段，并结合施工期至运行期长周期的监测成果，开展了边坡稳定性分析，取得了以下研究结论，希望能为类似工程提供借鉴和参考：

（1）统计各种监测方法左岸深部变形运行期历年变形情况，分析了左岸边坡在运行期的变形规律，说明左岸边坡整体变形虽未收敛，但变形在逐渐减缓、逐渐趋于收敛。

（2）左岸开口线以上自然边坡的倾倒变形现象十分普遍，蓄水后变形保持稳定增长趋势尚未收敛。该区的持续变形主要受自身砂岩、板岩软硬互层的岩性组成与岩体结构以及浅表部卸荷改造作用共同控制，受库水位上升引起岩体有效应力降低和岩体软化的影响，各测点继续向山外变形，变形尚未收敛但变形速率有减小趋势，仍处于调整期[6]。

（3）左岸边坡的整体变形还受主控结构面以及深拉裂缝控制。分析监测数据得知，左岸边坡深部变形主要集中在f42-9断层、深拉裂缝以及煌斑岩脉X所在的区域，变形以水平方向为主，蓄水变形响应也较为明显。深部变形的原因主要是坡体深部裂缝区的持续拉张变形，以及断层f42-9和煌斑岩脉X所体现的非滑移式拉裂松弛变形，受深部裂缝和断层影响较为明显。

（4）为更好地进行实时监测，左岸边坡共计布设了5套GNSS监测系统，分别布设在开口线以上高位倾倒变形区2套和拱肩槽上游开挖边坡3套，对变形大、关注度高的测区进行及时有效地预警。□