烏東德水電站水墊塘邊坡施工期變形和受力特性

彭 紹 才，韋 國 書，鄭 棟

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

烏東德水電站位于四川省會東縣和云南省祿勸縣交界的金沙江下游河段，是金沙江下游河段4個梯級中的第一個梯級電站，是我國繼三峽、溪洛渡之后建設的千萬千瓦級的第三座巨型水電站。工程開發任務以發電為主，兼顧防洪、航運和促進地方經濟社會發展。

烏東德水電站泄洪洞出口位于左岸導流洞和電站尾水左側，泄洪洞出口為采用封閉抽排結構型式的水墊塘，水墊塘四周設置了基礎廊道。水墊塘左側即為泄洪洞水墊塘左側邊坡，該邊坡的安全及穩定性對于保證工程的正常運行至關重要。2016年11月泄洪洞水墊塘左側邊坡啟動高程850 m以下開挖施工，2016年12月24日邊坡高程830 m以下開始爆破開挖，監測發現邊坡部分表面變形和錨桿應力突然增大；2017年3月底高程806 m以上開挖完成，2017年3月25日停止爆破；2017年4月1日邊坡下部開挖全面暫停，系統支護繼續實施，隨后邊坡變形速率趨緩。基坑于2017年6月22日充水度汛后，邊坡開挖支護停止，原先變形較大的表觀監測墩變形速率趨于收斂，部分內觀監測儀器監測數據已收斂。

水電工程建設中的邊坡開挖等，不可避免地會對邊坡的狀態產生擾動，引起應力狀態調整、巖體松弛卸荷等[1-5]。泄洪水墊塘左側邊坡施工期也經歷了較大的變形，嚴重威脅鄰近建筑物、下游河道甚至整個工程的安全性。有必要分析左側邊坡的變形和受力特性等，發現其變形規律并揭示變形機理，以指導邊坡施工和支護等。

大量的學者或工程師對我國一批重要的水電工程邊坡施工期的監測資料進行了分析，以評價邊坡的穩定及安全性[6-11]。例如，石安池等[8]基于監測資料分析了三峽船閘高邊坡的巖體變形受開挖卸荷、地質條件、施工爆破、錨固等的影響情況。趙明華等[9]分析了小灣電站高邊坡的表觀變形、測斜儀和多點位移計實測巖體變形、錨索錨固力等，并評價了邊坡的穩定性。朱繼良等[10]研究了某水電站人工進水口大坡比高邊坡施工期在強開挖下的變形特性和規律。黃志鵬等[11]研究了錦屏一級水電站左岸開挖邊坡的外觀變形和深部變形等，結果表明位移滿足安全控制標準，邊坡是穩定的。

相比于上述工程邊坡[8-11]等，烏東德泄洪洞水墊塘左側邊坡具有特殊性：

(1) 高陡特性，邊坡開口線至水墊塘底板高約180 m，人工邊坡單級開挖坡比為1∶0.2。

(2) 地質條件復雜，邊坡高程約925 m以下為褶皺基底地層，高程約925 m以上為沉積蓋層，左岸泄洪洞出口下游側約100 m分布一條規模較大的花山溝斷層(F6)，該斷層走向與河谷走向大角度相交。

(3) 開挖爆破擾動大，邊坡開挖過程中采用爆破等手段，會加劇巖體的卸荷松弛。

鑒于泄洪水墊塘左側邊坡在工程中的重要性，以及邊坡高陡、地質條件復雜、開挖爆破擾動大等特性，本文旨在基于該邊坡開挖期間的各項監測成果，結合地質和物探資料等，分析邊坡表面變形和支護結構受力特性，闡釋監測成果與邊坡開挖過程的相關性，揭示邊坡開挖期間變形的機理。

1 地質條件與開挖后形象

1.1 地形地貌

泄洪洞出口左側邊坡位于花山溝出口下游側，原花山溝堆積體附近(見圖1)。

圖1 泄洪洞出口左側邊坡工程地質示意Fig.1 Engineering geological map of the left slope of spillway exit

邊坡開口線高程約970 m，至水墊塘底板高程790 m的人工邊坡高約180 m，邊坡走向約193°。人工邊坡單級開挖坡比為1∶0.2(79°)，邊坡長度250余m。

1.2 地層巖性

泄洪洞出口左側邊坡高程約925 m以下為褶皺基底地層；地層巖性為Pt2l灰色薄層白云巖、灰巖。地層走向近EW向為260°～280°，傾向S，傾角75°～85°(局部為73°)，即近橫河向展布，陡傾下游偏右岸。層面多平直粗糙，充填泥鈣質，沿層面多見溶蝕色變現象。

邊坡高程約925 m以上為沉積蓋層，地層巖性主要為Z2d厚-巨厚層白云巖、Z2g薄層白云巖夾薄-極薄層粉砂質泥巖頁巖、P2y厚層灰巖、P3em玄武巖等；地層走向290°～320°、傾向NE、傾角16°～30°，即緩傾左岸偏上游。層面多平直粗糙，附泥鈣質，沿層面多見溶蝕色變現象。

如圖2所示，邊坡頂部為反向坡，下部為橫向坡，邊坡中部設斜馬道，后期布置花山泥石流溝排導槽。

圖2 泄洪洞出口左側邊坡地層Fig.2 Stratum on left slope of spillway exit

泄洪水墊塘左側邊坡上部為土質邊坡，穩定性差。上下游側基巖邊坡均為順向坡，內外側基巖邊坡均為斜橫向坡。

1.3 地質構造

左岸泄洪洞出口下游側約100 m分布一條規模較大的花山溝斷層(F6)。該斷層走向與河谷走向大角度相交，出露于花山溝附近，屬正斷層，蓋層被錯開，垂直錯距約420 m。該斷層走向NEE、傾向150°～170°即傾S、傾角60°～80°(一般約70°)。該斷層寬度約3～15 m，從上至下寬度總體上逐漸變大。

邊坡左側高程在865 m以上，F6斷層寬度約2～5 m，局部更寬，總體上上部較窄，下部較寬。主斷面多見于上盤附近，斷面平直稍粗，一般充填1～3 cm寬斷層泥，由泥夾碎屑組成，斷層泥多呈可塑狀，手易剝落，黑色。其他構造巖為碎裂巖，多由薄層-極薄層巖體組成，呈弱風化狀，多呈灰色，部分呈灰黃色。高程865.0～786.5 m斷層帶寬約3～5 m，構造巖特征與865.0 m高程以上基本一致。泄洪洞水墊塘左側底板至導墻建基面附近，該斷層逐漸變寬，由約5 m逐漸變為約15 m。

1.4 開挖后的形象

開挖前，高程1 070.0 m以下為花山溝堆積體形成的緩斜坡，坡度為10°～35°；高程1 070 m以上為自然裸露的巖質邊坡，高程1 070.0 m至坡頂(1 760 m)為陡峻坡，平均坡度約55°。

開挖后，原花山溝堆積體已全部挖除，形成的水墊塘左側邊坡往下游走向193°。高程1 070.0 ～970.0 m段為第四系覆蓋層剝離坡，高程970.0 ～940.0 m為基巖開挖開口線，緊鄰開口線以上剝離坡約有10～40 m寬的緩坡(在緩坡上方靠近花山溝部位發育一脊狀地形，分布高程約970.0～1 050.0 m，其順江長約40 m、面積約3 200 m2、平均坡度約43°)。開口線以下至高程850 m開挖坡比為1∶0.2(79°)，850.0 m以下至底板792 m(底板基礎廊道高程為786.5 m)開挖坡比1∶0.3(73°)，開挖后的綜合坡度約64°。

2 監測設施布置

泄洪洞出口左側邊坡已布置6個變形監測斷面(見圖3)，共布置并實施了17套多點位移計，14個表觀監測墩，21臺錨索測力計，26支錨桿應力計。監測設施布置如圖3所示。

圖3 泄洪洞出口左側邊坡監測設備布置Fig.3 Arrangement of monitoring equipments on the left side slope of the spillway exit

3 監測成果分析

泄洪洞出口左側邊坡巖體質量較差-差，在開挖過程中，變形穩定問題是密切關注的重點。左側邊坡發生持續變形后，現場開展了多次查勘，并對地表裂縫進行了全面廣泛調查，同時對邊坡安全監測成果、變化特性和機理等進行了深入分析。

泄洪洞出口左側邊坡監測設施主要有表面變形監測點、多點位移計、錨桿測力計、錨索應力計。下面利用不同監測設施監測的成果分析邊坡安全穩定性狀態。

3.1 巖體變形

泄洪洞出口左側邊坡布置的17套多點位移計均布置于F6斷層下游；其中，F6斷層至高程850 m混凝土系統后緣邊坡之間共布置有11套，850混凝土系統后緣邊坡布置有6套。

各套多點位移計安裝后的首測時間不一，其中一期首測的最早時間為2013年5月5日，監測深度一般為30 m，部分40 m。受現場施工等因素影響，多套多點位移計監測數據在2015年5月至2017年3月出現缺失，只有M13、M14和M16捕捉到了相對較完整的變形過程(見圖4)。

圖4 多點位移計孔口變形量與開挖過程關系曲線Fig.4 Relation between deformation of multi-point displacement gauge and excavation process

部分測值較大的多點位移計實測的孔口累計變形在空間上的分布如圖5所示。

分析多點位移計監測統計成果可看出：

(1) 截至2018年7月，17套多點位移計中，13套的孔口累計變形量小，在25 mm以下，占76.5%；有3套的變形量較大，在70 mm以上，最大92.2 mm，為M11號點。

(2) 多點位移計監測的局部變形量較大的部位(M10～M12)主要位于F6斷層下游側一期4-4斷面，即開口線剝離坡脊狀地形附近(見圖5)。該區域的較大變形與F6斷層有關，主要由該區域的開挖所引起的巖體卸荷松弛產生的。

圖5 泄洪洞出口左側邊坡變形較大區域Fig.5 Large deformation area on the left side slope of the spillway exit

(3) 17套多點位移計中，只有M11和M03顯示水平向埋深30 m處仍有較大變形(但30 m處的變形量比20 m處的大，數據異常)，其他15套的監測數據表明距坡面30 m處邊坡巖體無變形或變形量很小，故泄洪洞出口左側邊坡巖體變形深度基本在20～30 m。

(4) 對于不同巖質邊坡，巖體變形階段劃分可能不同。依據該邊坡的巖體變形速率和速率變化過程，基于人為判定，該邊坡的巖體變形速率總體上可分為3個階段，即變形加劇階段、變形趨緩階段、變形收斂或趨于收斂階段。對于該邊坡，變形加劇階段變形速率隨時間逐漸增大；變形趨緩階段變形速率逐漸減小。變形加劇階段和趨緩階段的分割點，一般也是巖體變形曲線出現拐點的地方；由于不同多點位移計實測巖體變形出現拐點的地方不盡相同，所以進一步結合施工過程等，綜合確定整體上拐點出現的位置。變形收斂或趨于收斂階段，變形速率接近于零，或進一步明顯較小。

第一階段為變形加劇階段。M13、M14和M16的曲線變形過程顯示，變形加劇發生在2016年12月24日至2017年3月25日，前后時間點分別對應高程830.0 m以下開挖和停止爆破開挖。該階段有監測數據的設備共有8套，分別為M01～M03、M07、M10、M13、M14和M16。其中有3套孔口變形速率在0.1 mm/d以下，有5套孔口變形速率在0.1 mm/d以上，最大為0.37 mm/d(M10)。

第二階段為變形趨緩階段，即發生在2017年3月25日現場停止爆破開挖后。在停止爆破開挖后一周內，該階段前述8套監測儀器中的7套孔口變形速率在0.1 mm/d以下，僅有1套的孔口變形速率在0.1 mm/d以上，最大即M13亦只有0.1 mm/d。M11、M12、M15雖然在2017年3月25日現場停止爆破后一周內變形速率在0.1 mm/d以上，但由于它們在第一階段被損壞，無法比較說明停止爆破前后的變形速率變化情況，故不計入相關統計。

第三階段為收斂或明顯趨于收斂階段。8月的變形增量和速率表明，17套多點位移計中，8套變形己收斂，另外9個皆明顯趨于收斂(其中M12、M15兩個點分別于8月1日和8月3日才明顯趨于收斂)。各點收斂或明顯趨于收斂的時間點相差較大，絕大部分大約在停止爆破開挖半個月即2017年4月中旬后才逐漸收斂或明顯趨于收斂，其中開口線附近脊狀地形高程987.7 m附近M12以及高程830.3 m F6斷層附近M15兩個點的趨于收斂的時間最晚，而高程850.0 m混凝土系統后緣M04～M09收斂的時間則最早。

(5) 2017年6月24日，出口水墊塘充水后，變形速率基本無變化。

綜上所述，該坡段自停止爆破開挖至今，所有多點位移計變形監測數據均已收斂或明顯趨于收斂。

3.2 表面變形

泄洪洞出口左側邊坡共布置表觀監測墩14個，均布置于F6斷層下游，F6斷層與至高程850.0 m混凝土系統后緣邊坡之間共布置有11個，850混凝土系統后緣邊坡布置有3個，布置位置示于圖3。

各表觀監測點安裝后的首測時間最早為2013年9月16日，受現場施工等因素影響，多組表觀監測數據在2015年4月至2017年4月出現較長時間缺失，只有TP01、TP04、TP13～TP16和TN13W捕捉到了較完整的變形過程(見圖6)。

圖6 表觀監測總變形量與開挖過程對比曲線Fig.6 Relation between total surface deformation and excavation process

部分測值較大的表面位移測點實測的邊坡表面位移在空間上的分布如圖5所示。圖5同時展示了邊坡出現較大表面位移和較大巖體變形的區域。

(1) 截至2017年8月10日，各累計變形量分量中，向臨空面方向累計變形量最大，一般達50.00～140.00 mm，最大223.75 mm(TP11)；沉降量稍小，一般為14.00～80.00 mm，最大214.50 mm(TP11)；向下游方向累計變形量最小，一般為8～23 mm，最大54.63 mm(TP03)。根據表面變形分量特征，邊坡主要發現為向坡外的變形和鉛直向的沉降，以向坡外變形為主。

邊坡表面變形較大區域與巖體較大變形區域具有一致性，表面變形較大區域主要位于F6斷面下游側高程925.0～985.0 m范圍，該區域緊鄰F6斷層，位于開口線剝離坡脊狀地形附近，較大的表面變形與該斷層和巖性較差有關，由施工期開挖施工引起。

(2) 截至2017年8月10日，14組表面位移數據中，累計總變形量大于200.00 mm有3組(TP11、TP12、TP16)，其中TP11最大(312.50 mm)；累計總變形量為200.00～150.00 mm的有2組(TP10和TP15)；累計總變形量為150.00～100.00 mm的有4組(TP03和TP13～TP14、TN13W)；累計總變形量為100.00～50.00 mm的有2組(TP01～TP02)；累計總變形量為小于50.00 mm的有3組(TP04～TP05和TP07)，其中TP05最小，僅為2.35 mm。

(3) 2016年12月24日高程830.0 m以下邊坡爆破開挖后，各組表觀監測變形分量和變形總量出現陡增，變形速率加快；2017年3月25日后，停止爆破開挖，變形速率明顯降低，截至2017年8月10日，14個表觀監測點中，有5個點已收斂，大部分測點變形速率已明顯降低，趨于收斂。

(4) 由于邊坡表面變形和巖體變形具有一致性，表面變形也可分為3個階段：變形加劇階段、變形趨緩階段、收斂或明顯趨于收斂階段。

3.3 錨索錨固力

泄洪洞出口左側邊坡共布置錨索測力計21臺，其中F6斷層上游布置4臺，F6斷層下游與850系統后緣邊坡之間布置17臺，布置位置見圖3。錨索的測點位置、錨固力及損失率列于表1。

各錨索測力計安裝后首測時間不一，其中一期首測的最早時間為2013年10月4日，監測成果如圖7和表1所示。分析錨索測力計監測成果統計可知：

表1 錨索錨固力及鎖定后損失率Tab.1 Anchorage forces of anchor cables and loss rates after locking

圖7 錨索測力計鎖定后損失率與開挖過程對比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，錨索錨固力增長率超過50%的有1臺(MS18)，增加了52.4%，錨固力變化量為414.94 kN；錨固力增加15%～50%的有7臺(MS04、MS06、MS11、MS13～MS15和MS22)；錨固力增加15%～5%的有4臺(MS05、MS09～MS10、MS12)；錨索應力增加-10%～5%的有9臺(MS01～MS03、MS07、MS16～MS17、MS19、MS21和MS24)，其中MS17錨固力損失最大，為7.4%。

在錨固力增長率超過15%的測點中，MS04、MS13～MS15主要集中在圖5所示的邊坡變形較大區域，錨固力的增大和邊坡的變形基本一致；MS18、MS06、MS11和MS22主要分布在F6斷層上下游附近高程840.0～890.0 m范圍內，較大的錨固力增長率主要受F6斷層及邊坡開挖等因素影響。

(2) 2016年12月24日高程830.0 m以下邊坡爆破開挖后，各錨索測力計錨固力增加率及變化速率陡增，2017年3月25日停止爆破開挖后，變化速率明顯降低。截至2017年12月，共21臺錨索測力計中，絕大部分即已收斂，MS05、MS10和MS11應力增速已明顯降低，趨于收斂。

3.4 錨桿應力

泄洪洞出口左側邊坡共布置錨桿應力計26套，均布置于F6斷層下游，其中F6斷層至高程850.0 m混凝土系統后緣邊坡之間共布置有18支，850系統后緣邊坡布置有8支(見圖2)。

各錨桿應力計安裝后首測時間不一，其中一期首測的最早時間為2013年5月5日。監測成果如圖8所示。由錨桿應力計監測成果可知：

圖8 錨桿應力計應力變化與開挖過程對比Fig.8 Relation between stress of anchor bolt gauge and excavation process

(1) 截至2017年8月10日，錨桿應力計應力超過150 MPa的有3支，為R19、R24和R29，其中R29最大，達283.6 MPa；錨桿應力為150～30 MPa的有5支，為R06、R21～R23和R27；其余錨桿應力均小于30 MPa，有17支，其中R05最小，僅為-27.3 MPa。

(2) 2016年12月24日高程830 m以下邊坡爆破開挖后，各錨桿應力計應力變化速率陡增，2017年3月25日后，停止爆破開挖，除R24應力增速仍較大外，其它錨桿應力計應力增速明顯降低。截至2017年12月30日，26支錨桿應力計中，絕大部分已收斂，應力增速已明顯降低且趨于收斂。

3.5 變形特征綜述

雖然部分變形監測儀器2015年3月至2017年3月的監測數據缺失，但通過地表裂縫專項調查和少數幾個完整的監測數據成果，以及2017年3月后陸續修復的監測儀器監測的數據仍可揭示泄洪洞出口左側邊坡變形特征。

目前泄洪洞出口左側邊坡變形處于收斂或明顯趨于收斂階段；變形量最大部位處于4-4’變形監測斷面，即凸出脊狀地形特別是該處開口線頂部附近，邊坡中部區域次之，850混凝土系統后方邊坡及邊坡其他區域累計變形量小；2016年12月24日至2017年3月25日期間，即泄洪洞出口左側邊坡進行高程830.0 m以下的高強度爆破開挖期，邊坡的變形量和變形速率較大，其后邊坡變形逐漸收斂。

4 邊坡變形機理分析

在長期的地質演化過程中，邊坡巖體內部積聚了一定的應變能，在工程活動作用之前，坡體處于相對穩定狀態[1-5]。工程開挖和爆破等擾動了邊坡的初始狀態，改變邊坡邊界條件，巖體遂發揮其自組織功能而進行相應的調整，先前積累的應變能一部分被釋放，一部分轉移至巖體深部，產生應力重分布并伴隨著坡體的變形[3-5]。

由開挖導致的應變能釋放意味著卸荷松弛，由卸荷產生的瞬時變形即為回彈，對邊坡產生靜、動力擾動及巖體損傷，引起巖體內原有結構面的張開、錯動，以及原生節理裂隙的擴展或新生裂隙。特別是在F6斷層等地質弱面附近或破碎的強卸荷松弛區，邊坡巖體質量、力學參數及承載能力和穩定性可能會降低。

泄洪洞水墊塘左側邊坡F6斷層下游側巖體主要為Ⅳ2類，巖體質量較差，該類巖體占整個邊坡的32.6%(見圖9)。在緊鄰F6斷層的下游側高程891.6 m處，利用錨索孔進行物探檢測(編號為7號)，發現松弛深度約為16.4 m，松弛帶聲波波速在2 600～3 200 m/s，非松弛帶聲波波速在3 100～5 000 m/s。

圖9 泄洪洞水墊塘左側邊坡巖體質量圖9 Rock mass quality of the left side slope of the spillway exit

為了驗證開挖引起巖體卸荷松弛的松弛深度，圖10給出了7號物探孔附近位置多點位移計M10的實測的巖體變形。可以看出，巖體的拉伸變形主要發生深度在0～20 m之間，完成開挖后的相對變形量在73.00 mm左右。基于7號物探孔確定的松弛卸荷深度16.4 m在巖體變形深度范圍0～20 m之內，證實了巖體卸荷松弛存在于該區域及卸荷松弛的深度。由于開挖等引起卸荷松弛，且該區域位于F6斷層下游側巖體質量較差，故導致F6斷層下游側一期4-4＇斷面附近發生較大的巖體拉伸變形和表面變形。

圖10 高程925 m處多點位移計M10實測的巖體變形Fig.10 Deformation of rock mass measured by multi-point displacement meter M10 on 925 m

邊坡變形演化是巖體微觀損傷破裂發展、宏觀力學強度不斷降低和滑面孕育、發展和貫通形成的過程[5-7]。對于具有時效變形特征的漸變型巖質邊坡，其滑動面是經長時間的孕育才逐漸形成。由開挖卸荷引起的漸進演化變形邊坡，如果沒有顯著的失穩破壞控制性結構面，則保持穩定的關鍵在于控制變形發展，變形控制到位的話深層滑動面的發展就會在孕育或發展階段結束，而不會進入最終大變形累計破壞階段；若任由變形充分發展，滑動面演化則進入不可逆狀態。截至2017年8月10日，泄洪洞出口左側邊坡尚處于變形階段，未形成統一的潛在滑動面。烏東德泄洪洞出口左側邊坡特點包括：斷層F6反傾切割、開挖形成的邊坡高陡卸荷松弛深度大。

5 結 論

本文分析了烏東德水電站泄洪洞水墊塘左側邊坡開挖期間的表面變形、巖體變形、錨桿應力和錨索錨固力變化特性，闡釋了該變化與邊坡開挖過程的相關性，揭示了邊坡開挖期間變形的機理，主要結論如下。

5.1 邊坡變形和受力特性

邊坡的巖體變形和表面變形與地層巖性和地質構造等緊密相關。巖體變形和表面變形具有一致性，主要發生在F6斷層下游側且巖體質量較差的高程925.0～985.0 m范圍，該區域開挖過程中出現了較大的變形，其余部位的變形量相對較小。

邊坡的變形與施工過程緊密相關，可總結為3個階段：變形加劇階段、變形趨緩階段、收斂或明顯趨于收斂階段。施工中出現了變形陡增和變形速率加快的情況，但停止爆破開挖后，變形速率明顯降低，變形逐漸收斂。

邊坡支護結構受力主要受施工開挖影響；邊坡爆破開挖，巖體松弛卸荷，錨桿應力和錨索錨固力大部分呈增大趨勢；停止開挖后，結構受力逐漸趨于穩定。

5.2 影響邊坡變形的主要原因

該高陡邊坡總體巖體質量較差及大規模開挖卸荷，是引起局部坡體出現較大變形的主要原因。較大表面變形和巖體變形的區域主要位于F6斷面下游側高程925.0～985.0 m范圍，該區域緊鄰F6斷層，較大的表面變形與該斷層和較差巖體質量有關，由施工期開挖施工卸荷引起。

5.3 施工期穩定性評價

結合地質條件、監測數據分析和判斷、物探檢測成果等，邊坡變形總體上已收斂，且坡體內不存在傾向坡外的規模較大的斷層等結構面，邊坡不存在整體穩定問題。