某水库边坡位移监测及稳定分析研究

熊多娇

(江西省九江市柴桑区水利局，江西 九江 332100)

1 概 述

我国大部分地区水电资源丰富，随着国家经济的发展，大量的水电站应运而生。而水电站、水库的修建，导致大量岩土边坡的形成。当水库蓄水后，库水会对边坡造成较大的影响，使边坡发生变形。，如果不对其进行监测，就无法掌握边坡的变形特点，无法防止或避免可能发生的边坡灾害。因此，开展边坡监测工作、实时了解边坡的变形趋势、研究坡体变形机制、准确合理地对边坡破坏进行预测，对水库、水电站等工程有着十分重要的意义，也对工程项目周边居民的安全起着保障作用[1-3]。

赵明华[4]等借助多点位移计、渗压计、测斜孔、表面位移监测等手段，对水电站建造形成的人工边坡进行了监测，对所得数据进行分析后发现，边坡变形的主要因素是开挖爆破，同时判断出坡体变形趋势基本停止，边坡整体较为安全。韩鞠等[5]对某处滑坡的地下水位、大地变形以及深部变形进行了监测，通过对比分析库水位变化规律和每天的降雨量，建立了边坡的失稳模型。

本文结合地质结构资料，通过在某大坝深部和表面设置位移监测点的方法，采取表观与深部两种手段相结合，对其持续变形进行监测，分析水库边坡的变形机制，为水库后期运行时的边坡稳定性分析和预测提供借鉴和依据。

2 水库边坡概况以及设置监测点

2.1 水库边坡概况

本文所研究水库为大型水库，水库坝高约300 m，拱坝是较为典型的双曲拱。水库左岸边坡从高程点1 571 m挖至2 090 m，总高519 m，挖掘高度和规模较大。坝区处露出的基岩主要为变质岩，大致分成3部分：第一部分为绿片岩，位置处于地表之下，没有露出；第二部分为灰白色的大理岩，夹杂部分绿片岩，厚约440 m，是坝区露出的主要地层，出露区域为左岸边坡标高1 800 m以下的部分；第三部分厚度约为400 m，是砂岩与板岩的互层，出露区域为左岸边坡标高1 800 m以上的部分。从总体来看，左岸岩层表现成反倾岩质边坡。在其上露出的煌斑岩脉从标高接近2 100 m处连续至下游泄洪边坡处，该岩脉宽度为2～3 m，具有较高的风化程度。坝区主要有3组断层，分别为NW-NWW、EW-NEE、NNE-NE向，主要控制性断层分为f42-9、f2、f8以及f5。

2.2 设置监测点

从左岸边坡中岩露的变形特征和地质结构可以看出，边界自然环境、体积较大的“块体”附近周围主控结构面以及高处倾倒变形体都会对其整体变形产生影响。因此，本文通过表观与深部相结合的监测手段，分别布设了表观、深部监测点，以便实现自内向外的监测边坡变形的目的，保证蓄水阶段坡体变形监测的准确性和可行性。

左岸边坡设置表观监测点80个，对各点的3个方位(X、Y、Z)的位移进行同步观测。主要在开挖区域内布设上述表观监测点，大部分具体设置在上游拱肩槽开挖位置处。为了在施工完成后继续监测大高程处倾倒变形体的位移，额外设置多个监测点，置于开口线之上的边坡处，即在高程1 885 m之上的坡体和开口线之上的坡体，分别布设27个、12个监测点，将f42-9、f8、f5断层、倾倒变形体以及煌斑岩脉露出的监测区完全覆盖。对于坡体深部的变形，则是把监测点设置在一个揭穿坡体的平洞(PD44)内来进行的，测点数有10个。深部测点主要是对坡体内X向位移进行监测记录。在本文中，以控制性结构面以及穿越坡体关键位置的剖面为研究对象，通过分析监测数据来对坡体变形进行研究。

3 剖面变形监测结果分析

与所选剖面相关的各表观监测点的高程从低到高依次是：TPL29点高1 886 m、TPL9点高1 990 m、TPL3点高2 021 m，TP11点高2 050 m、TPL83点高2 152 m、TPL84点高2 220 m。该剖面坡体的深部平洞分别为PD50、PD48、PD44、PD40，因为PD44揭穿左岸边坡的断层f42-9、结构面煌斑岩脉X以及较多深拉裂缝，将其视为特别监测点，所以分析深部位移变化时以PD44为研究对象。

3.1 表观变形监测

对各监测点的变形数据行进处理和汇总，分别得到其位移倾角、位移方位角、总位移以及水平位移的变化规律图，见图1-图4。在2013年10月8日之后，水库蓄水完成。观察分析图1能够看出，TPL29监测点的位移倾角一直处于0°以下，呈现出仰倾角的形态。出现这种现象是因为当水库开始蓄水后，库中水会产生向上的浮力，作用在坡体上形成一种托力，迫使其被向上抬起发生变形。位于开口线以上自然边坡监测点的总位移大于位于人工开挖支护边坡监测点的总位移。其它各监测点的位移倾角则大部分属于19°～28°的范围内，这也表明沉降是竖直方向(Z方向)的主要变形形式。从监测点的位移方位角变化规律图中可以看出，水平位移方位角大多数为115°～130°之间，能够发现边坡的变形方向是朝着上游方向发展的，但这种倾向的趋势不大。处在倾倒变形区的点TPL84(高程2 220 m)总位移量最大，达到89.5 mm；其它监测点的变形量则在高程下降时，随之降低。分析剖面各监测点的变形情况得出，水平位移的变化范围是19.7～84.5 mm，同时表现出随着高程点降低而逐渐减小的趋势，且Y方向的分量主导了水平位移。

图1 各点位移倾角变化规律

图3 各点总位移变化规律

图4 各点水平位移变化规律

也可以看出，TPL84和TPL83的变形量要比其余监测点的变形量大，且各监测点的总位移量与水平位移量没有较大差别，这也表明边坡中倾倒变形体的Y向位移要高于边坡人工开挖后形成的松弛变形和荷载回弹。

3.2 深部变形的监测

平洞PD44在左岸边坡上游位置处，高程为1 929 m，在平洞内设置石墨杆位移计测段10个、监测点11个。监测过程中，把洞内最深处的监测点PD11视作监测基准点，其它各点为正常测点。正常测点共有12个，从里向外对测点进行编号，分别为12～1。图5为平洞PD44内各监测点水平位移随时间的变化规律。平洞PD44穿过边坡的断层f42-9、结构面煌斑岩脉X以及较多深拉裂缝。从蓄水开始到现在，PD44平洞的水平位移累计量为25 mm。对于平洞内各测点，PD443、PD444两测点从部分断层中穿过，蓄水期之后，其累计变形量达到3 mm；测点PD445-测点PD447则将煌斑岩脉X包含在内，在蓄水期之后，其累计变形量达到6 mm；而深拉裂缝和断层f42-9则包含在测点PD447-PD4410之间，同时这个测段的水平位移量也最大，变形量从蓄水后累计达到10 mm。平洞各测点的位移变化规律反映出其水平位移增加趋势较为平稳，变形速率在水库中后期有所增加。

图5 PD44平洞各点位移变化规律

3.3 变形机理分析

通过对左岸边坡监测坡面深部变形和表观变形进行分析，并与左岸边坡本身的岩性组成和结构相结合能够看出，左岸边坡在工程结构和蓄水荷载作用下，坡体发生了持续变形，并且这种变形受到坡体“外倾主控结构面分割+深部裂缝+反倾层状结构”的地质结构控制，属于一种常态化的变形调整。与监测剖面的变形特征相结合，可以将变形调整总结为“上部倾倒持续-深部张拉开裂-坝体与下部相协调”的变形机理。从整体来看，反倾层状结构为左岸边坡级次最高的坡体结构。处于开口线以上边坡的测量点与开挖再支护边坡的测量点相比，前者Z方向位移和总位移都大于后者。同时，随着高程的提高，测量点的位移也不断变大，这种特征与倾倒变形体的特点相一致。

从平洞中各测量点的数据能够看出，坡体深部位移大部分发生在煌斑岩脉、深拉裂缝以及f42-9断层等区域，并且竖直方向Z上位移相差不大，主要以水平向变形为主，这也说明深拉裂缝和主控结构面控制了边坡的整体变形。蓄水对坡体深部变形的影响较为明显，当持续蓄水时，水分渗透进坡体，使其饱和区不断增大，提高了孔隙水压，降低了软弱结构面的力学性质，加剧了结构的松弛程度，提高了深部变形速率。尤其是在水库初始蓄水期间，水库水位下降，软弱结构面位置处的水平位移继续提高，这是由于边坡内部渗透系数比较低，无法及时将水分排出，这就产生了一种渗透压力，且方向向外。当水库蓄水完成，运行时间较长后，坡体适应了水库水位变化，内部变形速率也逐渐降低。

在开口线之下，开挖再支护边坡表面监测点的位移主要在水平向，而且位移产生的范围大致相同，说明岩体开挖卸荷对其的影响一直在持续。水库蓄水接近标准水位1 880m高程处，水库水位升高和降低的变化对边坡的影响比较明显。当水库中水位持续升高，坡体受库水产生的浮力也就越大，坡体受浮力影响被迫抬起，这就造成该位置的位移不再是沉降，而转变为抬升。

4 结 论

通过设置表观监测点和深部监测点，对某大坝的变形规律和变形机制进行了研究，结论如下：

1) 水库边坡开口线之上的天然边坡有较为普遍的倾倒现象，并在蓄水荷载作用下，坡体发生了持续变形，并且没有减弱趋势。该位置处的持续变形受边坡表部开挖卸荷、岩体结构、板岩软硬互层、自身砂岩共同控制，属于一种常态化的变形调整。与监测剖面的变形特征相结合，可以将变形调整总结为“上部倾倒持续-深部张拉开裂-坝体与下部相协调”的变形机理。

2) 坡体深部位移大部分发生在煌斑岩脉、深拉裂缝以及f42-9断层等区域，并且竖直方向上位移相差不大，主要以水平向变形为主，这也说明深拉裂缝和主控结构面控制了边坡的整体变形。

3) 在开口线之下，开挖再支护边坡的表面监测点位移主要在水平向。水库蓄水接近标准水位1 880 m高程处，水库水位升高和降低的变化对边坡的影响比较明显。当水库中水位持续升高，坡体受库水产生的浮力也就越大，坡体受浮力影响被迫抬起，这就造成该位置的位移不再是沉降，而转变为抬升。