水庫蓄水后巨型大變形邊坡前緣邊界部位高程分析確定方法探討

楊天俊，李治民

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

某大型水電站壩前右岸邊坡相對天然河水位高近700 m，在水庫初期蓄水后發現有大變形，邊坡變形體積估計近1×108m3。隨即在坡頂及邊坡上布置了大量的變形觀測點，由于初期蓄水抬升水位達120 m，布設的變形觀測點無法監測到水下邊坡的變形范圍，前緣邊界部位高程的確定直接關系到該變形邊坡的規模和機制，邊坡穩定性則取決于連接前、后緣間變形巖體與完整巖體的邊界面的形態[1-2]。本文旨在對如何確定該邊坡的前緣邊界部位高程進行探討。

邊坡變形范圍一般可通過如下途徑確定[3-4]：一是現場直接根據地形地貌、巖體特征;二是根據變形觀測;三是根據模擬計算等或其多個方面綜合確定。

根據該邊坡地形地貌、巖體特征可以判斷變形邊坡早期前緣邊界部位高程在庫區初期蓄水位以下。

1 河谷及邊坡特征

根據該邊坡區域內新構造運動特征、河谷演化歷史以及壩址區成組緩傾角結構面的分布特征，確定可能的變形邊坡前緣邊界位置主要有2個高程：其一是前緣河床部位，高程約為2 235.00～2 250.00 m附近；其二，由于壩區河谷在2 400.00 m高程附近呈地貌裂點，其下谷坡陡立，平均坡度60°以上；其上邊坡變緩，平均坡度40°～45°，且在高程約2 370.00 m部位為Ⅳ級階地臺面。因此，2 370.00 m高程附近也可能成為坡體變形的前緣邊界位置。

2 邊坡變形觀測成果分析

該邊坡溝梁相間，主要有2、3、4、5號梁等，各梁上不同高程不同時期均布設了大量的變形觀測點，監測成果分析表明，變形較強烈邊坡區域從邊坡上部前緣位移矢量傾角20°～30°到邊坡下部(約2 400.00 m左右)的5°～9°，反映了矢量傾角總體從邊坡上部到下部變緩的趨勢。各變形觀測點綜合位移速率也從邊坡上部向邊坡下部逐漸變小。

眾所周知，變形到非變形極限位置就是綜合位移速率趨于0的位置，因此可以利用各高程觀測點的綜合位移速率分析邊坡趨于穩定的大致高程。分析時對邊坡觀測點按以下原則處理：

(1) 減少降雨對觀測成果的影響，因此選擇監測點變形成果時間段位于降雨時間極少的10月到第2年的4月份，庫水位基本穩定；

(2) 考慮到不同觀測方法監測成果的差異，采用同一種觀測方法的監測成果；

(3) 為了剔除觀測誤差，考慮分析時段長3個月；

果樹成熟期的變化、舉辦觀光采摘節慶所追求的目的、意義等因素發生改變，觀光采摘節慶的時間、地點、主題和活動內容也會隨之改變，所以統計時以最近一兩年的信息為準。如果官方和網絡都沒有關于首屆舉辦時間的準確數據，就以百度搜索最早出現的年限作為首屆舉辦時間。

(4) 建立的相關關系，按相關系數最高的考慮；

(5) 各山梁分別分析；

(6) 根據已知監測成果，按相關關系確定綜合位移速率為0時的高程。

各山梁不同時間段綜合位移速率與高程相關方程及分析的前緣邊界部位高程如表1，相應的分析如圖1、2。

圖1 2號梁不同時間段邊坡觀測點高程-綜合位移速率曲線圖

圖2 3號梁不同時間段邊坡觀測點高程-綜合位移速率曲線圖

山梁編號分析時間段相關方程相關系數R2前緣邊界部位高程/m庫區水位/m2號2013.01.01-2013.04.01y=0.0063x-15.9740.95912535.0024482014.01.01-2014.04.01y=0.0029x-7.48540.98972581.0024483號2013.01.01-2013.04.01y=16.342ln(x)-127.140.9822392.0024482014.01.01-2014.04.01y=9.4003ln(x)-73.330.95592443.002448

從各山梁圖表可以看出，2號梁、3號梁總體相關性較好，有以下總體規律：

(1) 各山梁變形從早期的較低高程逐漸向高高程抬升；

(2) 2號梁、3號梁近期(2015年以后)前緣邊界部位高程已位于目前庫水位(2 452.00 m)以上；

(3) 高程與變形速率相關程度最好的為對數型，次為直線型；

(4) 各高程變形速率從高高程向低高程均呈下降趨勢，局部受邊坡地表塊體影響，變形速率有差異。

3 水庫蓄水過程不同邊界面穩定性的變化及其合理性分析

伴隨蓄水過程中滲流場的變化，不同水位條件下邊坡的穩定性也隨之發生變化。因此，進行穩定分析時將各剖面、各時步滲流計算的孔隙水壓力分別代入SLOPE程序進行穩定性計算，建立的各剖面在不同邊界條件下的計算模型如圖3、4。

利用上述模型，選取適合的參數，各剖面可能的不同變形邊界部位在時段2009年3月至2010年9月、間隔時間與滲流計算中的水位變化時間一致時的穩定性系數，如表2；各剖面代表性測點當日位移速率如表3。

圖3 2號梁剖面穩定性計算模型圖

圖4 3號梁剖面穩定性計算模型

圖5 2號梁下部觀測點水平位移路徑圖

圖6 3號梁下部觀測點水平位移路徑圖

根據坡體變形監測與庫水位的關系分析表明，坡體的變形速率與庫水位升降呈顯著的正相關。因此，在庫水位變化過程，給定邊界面的強度參數，若假設各變形坡體的邊界條件是合理的，則計算的變形體穩定性與監測的位移速率間應呈現負相關性。

選取各監測點監測時間段為2009年8月至2010年9月。上述計算中可以看出，2號梁剖面和3號梁剖面在不同變形邊界條件下獲得的穩定性系數與位移速率間都存在一定的負相關性。2號梁剖面前緣邊界為河床部位、3號梁剖面前緣高程為2 355.00 m附近以及河床位置時，二者僅在局部點處具有負相關性，整體相關性較差。而2號梁剖面中前緣邊界高程為2 370.00 m的變形體獲得的計算結果對應性較好。

表2 2號梁剖面、3號梁剖面不同變形界面部位潛在控制面穩定性系數與庫水位關系對比表

雖然3號梁剖面前緣高程為河床以及2 355.00 m附近的組合變形體獲得的對應性結果相關性較差，但前緣高程為2 355.00 m時又總體好于前緣邊界為河床部位。因此推斷該變形體邊坡前緣沿2 370.00 m高程作為變形邊界的可能性較大。

4 前述成果的分析驗證

為了證實2、3號梁近期邊坡前緣邊界部位高程，可以分析相應高程附近的觀測點成果。

W2-12觀測點位于2號梁2 523.00 m高程，W2-16位于2號梁2 559.00 m高程，這2點自2013年10月以來水平位移路徑如圖5。從圖5中可以看出：W2-12屬于未變形狀態，W2-16屬于極微變形狀態或趨于穩定狀態，與前述分析基本一致。

表3 2、3號梁剖面代表性監測點平均位移速率表

W3-16觀測點位于3號梁2 464.00 m高程，W3-15位于3號梁2 491.00 m高程，這2點自2013年10月以來水平位移路徑如圖6。從圖6中可以看出：W3-16屬于極微變形狀態，自2012年11月建點以來到2016年6月10日，累計綜合位移量只有近22 cm；W3-15屬于變形狀態，自2012年11月建點以來到2016年6月10日，累計綜合位移量只有50 cm，前節分析的邊坡近期變形底部高程在2 443.00 m，從W3-16觀測成果看，該高程應是趨于合理的。

5 結 語

該邊坡變形前緣邊界部位高程自蓄水初期的2 350.00～2 370.00 m左右，隨著時間的推移有向邊坡上部發展的趨勢，早期位于初期蓄水位以下，2、3號梁在2015年以后變形前緣邊界部位高程已基本轉移到庫水位2 452.00 m以上。

利用邊坡上不同高程變形觀測點變形規律，經過綜合分析，在無直觀條件滿足的情況下可以大致確定變形前緣邊界部位高程。

由于4、5號梁觀測點不滿足前述分析條件，尚無法確定該山梁變形邊坡部位的前緣邊界部位高程。

參考文獻:

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