锦屏一级水电站坝肩边坡及谷幅变形分析

陈 晓 鹏， 陈 太 乙

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

水电工程蓄水后，在库水作用下引起近坝区域内的水文地质条件发生较大的改变，坝体、坝基在水荷载、温度荷载等因素作用下其应力状态和变形特征将随之发生适应性调整，坝体自身的水荷载效应、温度场效应和徐变效应亦需动态调整。水电工程蓄水后的调整周期一般为3～5 a，但对特高拱坝而言，其适应调整周期更长，可能为8～10 a，并且调整幅度更大[1，2]。岸坡调整的主要表现之一就是两岸坝肩的谷幅变形。类似特高拱坝监测成果显示：蓄水后坝址区谷幅持续收缩，其变化规律已超出工程经验和一般认识，锦屏一级水电站工程即有类似现象存在。

锦屏一级水电站拱坝坝基及抗力体工程地质条件极为复杂[3]，左岸发育f5、f8、f2断层、煌斑岩脉和深卸荷岩体，右岸发育f14、f13断层及斜穿河床坝基的f18断层及煌斑岩脉等。左岸坝肩边坡受特定构造和岩性影响卸荷十分强烈，卸荷深度大。鉴于复杂地质条件会带来边坡的长期时效变形，因此，需要根据边坡表面变形、深部变形、谷幅变形监测成果分析坝肩边坡和谷幅变形的时空特征，进一步掌控坝肩边坡的稳定性及其对工程的影响。阐述了对锦屏一级水电站坝肩边坡及谷幅变形进行的分析。

2 锦屏一级水电站坝肩边坡概况

锦屏一级水电站坝区两岸谷坡陡峻[4]，相对高差达千余米，为典型的深切“V”型谷。左岸为反向坡、右岸为顺向坡。地貌上右岸呈陡缓相间的台阶状，以下坡度为70°～90°，高程1 810 m以上的坡度约为40°；左岸高程1 900 m以下的大理岩出露段地形完整，坡度为55°～70°，高程1 900 m以上砂板岩出露段的坡度为35°～45°，地形完整性较差，呈山梁与浅沟相间的微地貌特征。

左岸边坡地层岩性为杂谷脑组第三段砂板岩，煌斑岩脉(X)自上而下斜向贯穿开挖边坡。左岸边坡的其他软弱结构面主要有f2、f5、f8、f42-9断层及层间错动带等。边坡卸荷作用强烈，高高程砂板岩强卸荷下限水平埋深一般为50～90 m，弱卸荷下限水平埋深一般为100～160 m，深卸荷下限水平埋深一般为200～300 m，1 960 m高程以上的岩层普遍呈倾倒、拉裂变形，浅表部岩体倾倒变形强烈。边坡岩体存在倾倒、拉裂、卸荷、松动等变形现象且发育深度较大，存在倾倒变形体剪切滑移、块体滑移、楔形状破坏等变形破坏模式。

右岸边坡地层的岩性主要为杂谷脑组第二段第6层薄～中厚层深灰色条带状大理岩，层面裂隙发育，沿绿片岩夹层发育有挤压错动带；第5层厚层块状大理岩层面裂隙不发育，主要分布在上游段高程1 885～1 910 m之间。右岸边坡软弱结构面主要有f13、f14、f18断层及层间错动带等。边坡岩体总体以微新岩体为主，弱～强风化岩体较少，风化主要沿断层破碎带及影响带、绿片岩夹层、NWW向导水(溶蚀)裂隙带发育成风化夹层。右岸边坡主要结构面总体倾向坡内，无大的不利组合，开挖坡整体稳定性较好。

左岸坝肩边坡开口线高程为2 110 m，边坡底部高程为1 580 m，开挖坡高为530 m[5]。右岸坝肩边坡开口线高程为2 035 m，底部高程为1 580 m，坡高455 m。边坡采取以预应力锚索加固和边坡防、排水为主的有效控制手段，以保持和提高边坡岩体的强度，保证边坡的整体稳定；对边坡表层松动岩体、潜在不稳定块体采取以喷混凝土、锚杆及预应力锚索为主的支护措施。

3 左岸边坡变形

3.1 边坡分区

综合考虑岩性介质、结构面分割、变形规律、工程部位等分区边界因素后将左岸边坡划分为5个变形区域，1区为高位倾倒变形区，系指高程1 990 m以上开口线附近及以上的自然边坡；2区为上游山梁 f5和f8残留体变形区，系指1 960 m高程以下、f5断层外侧的上游开挖边界附近区域；3区为拱肩槽上游开挖边坡，位于f5断层和f42-9断层开挖揭示的边界范围内，与“大块体”的地表边界基本一致；4区为拱肩槽边坡，系指1 960 m高程以下f42-9断层下盘拱肩槽边坡；5区为拱坝抗力体边坡，系指拱坝至“坝0+280”桩号(抗力体排水洞洞口附近)范围内的边坡；6区为水垫塘雾化区边坡，系指 “坝0+280”桩号附近的自然冲沟往下游的水垫塘边坡。

分区的空间分布关系具有“1区盖顶、2区贴面、3区主变、4区承载，5区抗力”的地质、受力、变形特点：1区属于高位的自然边坡盖顶；2区类似于边坡外部的岩体挡墙贴面；3区为拱肩槽上游“大块体”主变形区；4区为拱肩槽，系拱坝推力承载的主体，与大坝安全关系最为紧密；5区为拱坝抗力体边坡。

3.2 分区变形特征

3.2.1 表面变形

左岸边坡各分区的表面变形均以指向临空面的水平位移为主，但各分区的变形特征有所不同，左岸边坡各分区向临空面变形过程线见图1。从图1中可以看出：

1区变形量较大，表现为长期持续的变形，受蓄水影响不明显。向临空面的最大累积位移为205 mm，平均累计位移为174 mm，平均位移速率约为0.6 mm/月，变形尚未收敛。

2区受蓄水影响明显，库水位上升引起岩体有效应力降低和岩体软化，边坡岩体处于调整期，位移过程线呈波动状，水位上升期变形速率较大，水位平稳期变形速率较小；水位下降期测点向临空面位移减小。向临空面的最大累积位移为72.3 mm，边坡开挖完成后至蓄水前位移速率为0.4 mm/月，蓄水后位移速率明显增大，为0.97 mm/月，2017年后速率有所减缓，2017～2020 a间的平均位移速率为0.38 mm/月。该区变形尚未收敛，仍处于调整期。

3区受蓄水影响边坡岩体处于调整期，向临空面的最大累积位移为91.2 mm，边坡开挖完成后至蓄水前位移速率为0.52 mm/月，蓄水后的位移速率明显增大，为0.67 mm/月，2017年后速率有所减缓，2017～2020 a间的平均位移速率为0.42 mm/月。该区变形尚未收敛，仍处于调整期。

4区受蓄水影响不明显，主要是边坡开挖变形，向临空面的最大累积位移为35.2 mm，2014年之后变形明显变缓，趋于收敛，边坡处于稳定状态。2017～2020 a间的平均位移速率为0.18 mm/月。

图1 左岸边坡各分区向临空面变形过程线示意图

5区和6区变形量值较小，向临空面的最大累积位移为6.5 mm，蓄水对边坡变形的影响不明显，变形已收敛，边坡处于稳定状态。

3.2.2 深部变形

3区在PD44勘探平洞、PD42勘探平洞和高程1 915 m排水洞内布置了石墨杆收敛计用于监测深部变形，其深度分别为198 m、251 m、97 m。4区在高程1 885 m灌浆洞、高程1 829 m排水洞、高程1 785 m排水洞内布置了石墨杆收敛计用于监测深部变形，深度分别为245 m、 275 m、330 m。左岸边坡深部变形过程线见图2。

PD44石墨杆收敛计测得的总位移量为87 mm，其中72～180 m段位移量为81 mm。该段发育煌斑岩脉、f42-9及深部裂隙，蓄水以来的总位移量为35 mm，其中72～180 m段位移量为31 mm。位移时间过程可以划分为4个阶段：开挖期位移速率较大，约为2 mm/月，开挖完成后、蓄水前位移速率较开挖期明显减小，约为0.3 mm/月，蓄水后，在首蓄期和初蓄期内速率稍有增大，约为0.5 mm/月，在之后的运行期位移速率有所减小，约为0.3 mm/月，目前变形尚未收敛。

图2 左岸边坡深部变形过程线示意图

PD42石墨杆收敛计测得的总位移量为52 mm，其中5～49 m段位移量为34 mm，该段发育煌斑岩脉、f42-9，蓄水以来的总位移量为28 mm，其中5～49 m段的位移量为23 mm。位移时间过程同样可以划分为4个阶段：开挖期位移速率较大，约为1 mm/月，开挖完成后、蓄水前位移速率较开挖期明显减小，约为0.3 mm/月，蓄水后，在首蓄期和初蓄期内速率稍有增大，约为0.5 mm/月，在之后的运行期位移速率又有所减小，约为0.3 mm/月，目前变形尚未收敛。

高程1 915 m排水洞石墨杆收敛计测得的总位移量为29 mm，其中9～39 m段位移量为28 mm，该段发育煌斑岩脉、f42-9，蓄水以来的总位移量为22 mm，其中9～39 m段位移量为21 mm。高程1 915 m排水洞石墨杆收敛计安装时间相对较晚，未捕捉到开挖期变形，位移时间过程可以划分为3个阶段，开挖完成后、蓄水前的位移速率约为0.1 mm/月，蓄水后，在首蓄期和初蓄期内速率稍有增大，约为0.4 mm/月，在之后的运行期位移速率又有所减小，约为0.2 mm/月，目前变形尚未收敛。

4区的3套石墨杆收敛计测得的最大变形为0.91 mm。2013年10月前，温度过程线和位移过程线呈现相似的年周期变化规律，但变化相位并不一致。推测原因是是受温度的影响(温度对岩体变形的影响具有滞后性)。2013年10月后，由于高程1 885 m拱向荷载较小，变形已经稳定；高程1 829 m、1 785 m处的变形受水位影响基本呈弹性变形，水位降低、拱向荷载减小，呈现微小的拉伸趋势；水位升高、拱向荷载增大，呈现微小的压缩趋势。

4 右岸边坡变形

根据上述分区原则，右岸坝肩边坡可分为4个区：1区为进水口边坡，布置测点TP5、TP6和TP7；2区为拱肩槽上游开挖边坡，布置测点TP9；3区为拱肩槽边坡，布置测点TP2、TP11和TP12；4区为拱肩槽下游开挖边坡，布置测点TP1、TP14、TP15、TP16、TP17和TP18。

右岸边坡各分区向临空面的变形过程线见图3。表面变形以指向临空面的水平位移为主。右岸坝肩边坡各分区变形规律类似，变形主要发生在开挖施工期，开挖结束和支护措施实施后变形已收敛，边坡处于稳定状态。右岸坝肩边坡的总体变形量值较小，进水口边坡(1区)的最大累计位移为78 mm，拱肩槽边坡(3区)的最大累计位移为27.8 mm。

图3 右岸边坡各分区向临空面变形过程线

5 谷幅变形

5.1 测线布置

谷幅变形反映拱坝两岸边坡的相对变形，可以利用坝区边坡的勘探平洞、排水洞等布置观测墩进行谷幅和平洞内测距监测。在平洞洞口布置了1个观测墩用于跨江谷幅监测，在平洞内布置了若干个观测墩进行洞内测距监测。两者结合布置可以了解谷幅的变形总量及边坡变形沿深度的分布情况。

坝区共布置了11条谷幅测线，谷幅测线布置情况见图4。其中PDJ1～TPL19测线位于边坡2区上游山梁 f5和f8残留体变形区，TP11～PD44测线和PD21～PD42测线位于边坡3区拱肩槽上游开挖边坡，其他测线位于5区拱坝抗力体边坡。

5.2 分区变形特征

在拱坝上游开挖区布置了3条谷幅线，PDJ1～TPL19谷幅线高程为1 915 m，位于边坡2区，右岸PDJ1洞内布置了一个测段，监测深度约为60 m，左岸无延伸测段；TP11～PD44谷幅线高程为1 930 m，位于边坡3区，左岸PD44洞内布置了四个测段，监测深度约为200 m，右岸无延伸测段；PD21～PD42谷幅线高程为1 930 m，位于边坡2区，右岸PD21洞内布置了两个测段，监测深度为180 m；左岸PD42洞内布置了一个测段，监测深度约为93 m。

拱坝上游开挖区谷幅变形过程线见图5。谷幅呈收缩变形，PD21～PD42谷幅线从2007年5月开始观测，累计收缩量为127 mm；其余两条谷幅线从2008年10月开始观测，已损失了大部分开挖期变形，累计收缩量为94 mm和68 mm。谷幅变形与库水位升级循环相关性不明显。位于3区的两条谷幅线规律类似，可以分为4个阶段：开挖期位移速率较大，约为2 mm/月，开挖完成后、蓄水前位移速率较开挖期明显减小，约为0.6 mm/月，蓄水后，在首蓄期和初蓄期内速率与前一阶段相当，在之后的运行期位移速率又有所减小，约为0.3 mm/月。位于2区的PDJ1～TPL19谷幅线在首蓄期和初蓄期内位移速率较前后两个阶段大，反映出蓄水对f5、f8断层外侧开挖残留岩体变形影响较大。

PDJ1～TPL19谷幅线位移分解情况见图6。图6给出了PDJ1～TPL19谷幅线谷幅跨江收缩量、左岸观测墩TPL19采用大地测量方法观测的边坡表面变形、右岸PDJ1洞内采用测距观测墩的位移过程线。PDJ1～TPL19谷幅线跨江收缩量约等于左岸TPL19的位移，右岸位移量较小。TP11～PD44谷幅线和PD21～PD42谷幅线同样具有类似的规律，TP11～PD44谷幅线的跨江收缩量约等于左岸PD44洞内测距墩观测的位移量，PD21～PD42谷幅线的跨江收缩量亦约等于左岸PD42洞内测距墩观测的位移量。由以上分析可知：右岸边坡的变形量值较小，谷幅变形量约等于左岸边坡变形，坝前谷幅变形是由左岸边坡的变形引起的。

图5 拱坝上游开挖区谷幅变形过程线示意图

图6 PDJ1～TPL19谷幅线位移分解示意图

图7 抗力体区谷幅变形过程线示意图

抗力体区分4层，布置了8条谷幅线，分别为高程1 829 m、高程1 785 m、高程1 730 m、高程1 670 m，每个高程布置了2条谷幅线。抗力体区谷幅变形过程线见图7。谷幅总体呈收缩位移，高程1 829 m的谷幅起测时间相对较早，累计位移量约为60 mm，蓄水以来位移量约为14 mm。抗力体区谷幅变形过程线呈收敛状，变形已趋于收敛，表明抗力体边坡处于稳定状态。

6 结 语

以地质边界、变形及力学响应、与工程结构安全的相关性等为分区原则，左岸边坡可以分为6个分区，右岸边坡可以分为4个分区。监测数据表明：左岸边坡高位倾倒变形区(1区)变形量较大，表现为长期持续的变形，受蓄水影响不明显，变形尚未收敛；上游山梁 f5和f8残留体变形区(2区)受蓄水影响明显，蓄水后位移速率较蓄水前明显增大，2017年后速率有所减缓，变形尚未收敛，仍处于调整期；拱肩槽上游开挖边坡(3区)受蓄水影响，边坡岩体处于调整期，蓄水后位移速率较蓄水前有所增大， 2017年后速率减缓，变形尚未收敛；拱肩槽边坡(4区)受蓄水影响不明显，主要为边坡开挖后的变形，2014年之后变形明显趋缓，趋于收敛，边坡处于稳定状态；抗力体边坡(5区)、水垫塘雾化区边坡(6区)变形量值较小，蓄水对边坡变形的影响不明显，变形已收敛，边坡处于稳定状态。右岸边坡的变形主要发生在开挖施工期，开挖结束、支护措施实施后变形已收敛，总体变形量值较小，边坡处于稳定状态。

谷幅变形呈收缩状态，主要表现为左岸边坡的变形。左岸拱肩槽上游开挖边坡(3区)的3条谷幅测线表现为持续收缩，各条谷幅测线在开挖期变形速率较大，之后变形速率有所降低，呈收敛趋势；拱坝抗力体边坡(5区)的8条谷幅测线变形量值较小，变形已收敛。

综上所述，左、右岸边坡变形主要发生在施工期，蓄水对边坡变形有一定影响。对拱坝运行有影响的区域变形已收敛，边坡处于稳定状态。高部倾倒变形区、拱坝上游边坡变形尚未收敛，需持续关注。