BRJ山口水庫右岸變形體穩定性分析與探討

王 旭

（新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 區域地質概況

水庫正常蓄水位646.0m，總庫容2.22×108m3，壩高94m，電站裝機220MW，屬Ⅱ等大（2）型工程，為混凝土雙曲拱壩。

庫區位于準噶爾盆地西北邊緣與阿爾泰山南麓接壤部位，地形受構造作用控制，北東高西南低，海拔高程500～1350m，相對高差200～500m。

庫區出露地層主要為泥盆系中統阿爾泰組（D2a）灰色—灰黑色斜長片麻巖夾黑云母片巖，厚度5725m，變形體位于該巖組內。

庫壩區在區域構造上屬阿爾泰褶皺系的克蘭地槽褶皺帶內，主要發育NWW向斷裂，距離庫區較近的為科沙哈拉斷裂、沖乎爾—塔爾浪斷裂及海琉—沖乎—鹽池斷裂。樞紐場地50 年超越概率10%基巖峰值加速度0.10g，場地的地震基本烈度為Ⅶ度。

2 變形體基本地質條件

經現場地質勘察及航、衛片解譯分析，在庫區共分布二處變形體（HP1～HP2），其中：HP1 變形體位于大壩上游庫區右岸1.8～2.4km；HP2 變形體位于大壩上游右岸2.6～3.2km。變形體后緣高程775～913m，距庫水位相對高差129～267m。變形體自然坡度35°～40°，局部陡立。變形體區大多基巖裸露，巖性為斜長片麻巖夾黑云母片巖，產狀305°～325°NE∠35°～45°，走向與岸坡走向近平行，傾向坡外。

2.1 變形體成因分析

根據2015 年8 月10 日衛片的地形地貌中可看出：HP1、HP2 所在邊坡上、下游側及頂部有凹槽狀地形，形成一連續寬“U”型傾向坡外的古變形體，推測該變形體形成年代久遠，經過漫長的地質建造及風化剝蝕作用，古變形體的輪廓及變形遺跡均已模糊，地表顯示不清，因此在前期勘察過程中未發現該古變形體。

根據2016年5月12日～2019年10月2日衛片地形地貌中可看出：HP1、HP2 所在邊坡上、下游側及頂部有凹槽帶邊緣出現拉裂縫，形成一連續“U”型簸箕狀傾向坡外清晰輪廓，為古變形體產生新的復活。根據水庫2015 年11 月底～2019 年10 月庫水位曲線圖對比分析，2016年4月25～28日庫水位平均驟降速率4m/d是導致HP1、HP2古變形體產生復活的主要原因。

2.2 HP1變形體工程地質條件

該變形體位于大壩上游右岸1.8～2.4km 庫區右岸，該段河谷走向SE，為順向谷，后緣高程775～913m，距庫水位646m高差129～267m。變形體自然坡度35°～40°，局部陡立。變形體前緣長約600m，寬460m 左右。變形體表部分布有6條切深15～25m的沖溝。

巖性為斜長片麻巖夾黑云母片巖，產狀305°～325°NE∠35°～45°，走向與岸坡走向近平行，傾向坡外。巖石揉皺較強烈，片理發育。黑云母片巖中，云母含量占70%～80%，遇水極易軟化，強度低，該層是控制變形體底面的主要巖性。

主要發育NW向、NE向兩組構造：①NW向斷層：斷層延伸長多大于500m，產狀305°～325°NE∠35°～75°，帶寬0.3～1.0m，壓性，帶內主要為碎裂巖。②NE向斷層：斷層延伸長200～600m，產狀45°～80°NW/SE∠50°～70°，帶寬0.1～0.5m，壓性，帶內主要為碎裂巖。

變形體后緣頂部為單薄山脊分水嶺，無匯水面積及補給條件，主要是大氣降水形成的地表面流。變形體分布6條小沖溝，未發現有裂隙水或泉水出露。

2.2.1 變形體形態特征

根據本次地質勘察成果，該變形體位于大壩1.8～2.4km 右岸岸坡，地表自然坡度32°～45°，變形體順河長約600m，最大高差267m。前緣寬約650m、中部寬約600m、后緣順河寬約420m，在平面上呈扁平的簸箕型。

（1）后緣、側緣形態：變形體具有明顯的后緣拉裂面，呈“圈椅狀”，上游高下游低，后緣高程775～913m，后緣最大河拔333m，后緣長度約1300m。

（2）底面形態：為查明該變形體底面的分布位置，本次在變形體上Ⅰ-Ⅰ′剖面布置ZK3、ZK4 鉆孔，Ⅱ-Ⅱ′剖面布置ZK5、ZK6 鉆孔，各鉆孔揭露底面深度在15.8～16.55m 之間，變形體內巖性為斜長片麻巖夾黑云母片巖，而變形體底面巖性為黑云母片巖，厚度2.0m。

2.2.2 變形體結構特征

根據ZK3、ZK4、ZK5、ZK6 鉆孔巖芯資料及Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′、Ⅳ-Ⅳ′、Ⅴ-Ⅴ′等工程地質剖面圖綜合分析，該變形體在垂直方向上可分為三層：

（1）變形體上盤：該變形體上盤垂直邊坡厚度11.0～20.6m，平均厚度15.8m，巖性主要為灰黑色斜長片麻巖夾黑云母片巖，其中斜長片麻巖厚度15～45m，黑云母片巖厚度2～5m，巖層產狀305°～335°NE∠30°～45°。強、弱風層厚度14～16m，物探橫波波速Vs=210～450m/s。

（2）變形體底面：根據該變形體后緣拉裂面和鉆孔巖芯揭露，變形體底面巖性為黑云母片巖，一般厚度1～3m，平均2.0m，產狀305°～325°NE∠30°～45°，片狀—鱗片狀結構，云母富集，巖質軟弱，遇水易軟化，物探橫波速度Vs=100～200m/s。

（3）變形體下盤：根據ZK3～ZK6鉆孔巖芯揭露，變形體下盤巖性為灰黑色斜長片麻巖為主，局部夾黑云母片巖，產狀305°～335°NE∠35°～45°，巖體較完整—完整，物探橫波速度Vs=700～900m/s。

2.2.3 變形體體積

（1）斷面法計算：根據1∶2000 實測地形圖，結合現場地面地質調查、鉆孔及物探測試資料、典型地質剖面圖綜合分析，HP1 變形體總面積20.3×104m2，平均厚度16.2m，總體積約為329×104m3。其中：HP1-1變形體體積為206×104m3；HP1-2變形體體積為123×104m3。

（2）CIVIL3D 三維方法計算：將6 條剖面、變形體側緣及后緣三維空間點導入CIVIL3D 軟件，根據提供的三維變形體底面確定變形體方量。計算變形體總方量為296×104m3，其中HP1-1 方量為185.1×104m3，HP1-2方量約110.9×104m3。

2.2.4 變形體物理力學性質及參數

（1）變形體巖性與結構組成。變形體上盤：巖性以斜長片麻巖為主，局部夾薄層黑云母片巖，產狀305°～325°NE∠35°～45°，局部∠50°～60°；走向與岸坡走向近平行，傾向坡外，邊坡坡高129～267m，自然坡度35°～40°。變形體底面：巖性主要為黑云母片巖，片理走向與岸坡走向近平行，傾向坡外，底面傾角35°～38°。變形體下盤：巖性主要為斜長片麻巖，產狀305°～325°NE∠35°～45°，走向與岸坡走向近平行，傾向坡外。

（2）變形體物理力學性質及參數。

①根據前期BRJ 山口水庫壩基巖塊、巖體原位試驗結果：巖塊天然密度2.69～2.70g/cm3，飽和密度2.72～2.80g/cm3；自然吸水率0.18%～0.24%，飽和吸水率0.21%～0.27%；單軸飽和抗壓強度55～64MPa；飽和抗剪強度C值0.8～0.9MPa，ψ值0.9～0.95。

②根據本次變形體ZK2、ZK4 及ZK6 鉆孔揭露底面黑云母片巖巖芯取樣顆分成果分析，粒徑大于80mm含量占17.3%；5～80mm 含量占69.9%；5～0.075mm 含量占11.2%；粒徑小于0.075mm含量占1.6%。結合《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008）附錄E綜合判定，該變形體底面結構面屬巖屑夾泥型。綜合分析建議：變形體HP1、HP2 底面抗剪強度，水上c′=0.05～0.08MPa，f′ =0.45～0.50；水 下c′ =0.01～0.02MPa，f′=0.35～0.40（見表1）。

表1 HP1、HP2變形體上盤、變形體底面及變形體下盤物理力學參數建議值表

2.3 HP2變形體工程地質條件

該變形體位于大壩上游右岸2.6～3.2km右岸肘狀凸岸斜坡，河流走向由近EW 轉SN 向，坡頂高程945m，河拔350m，岸坡自然坡度32°～45°，基巖多裸露。變形體平面上呈“圈椅狀”，后緣高程800m，最大河拔220m。

巖性為灰色—灰黑色斜長片麻巖夾黑云母片巖，產狀305°～335°NE∠30°～45°，巖石揉皺較強烈，巖石內片理構造發育，強、弱風化層厚度14～18m。

主要發育NW向、NE向兩組構造：①NW向斷層：斷層延伸長多大于500m，產狀305°～325°NE∠35°～75°，帶寬0.3～1.0m，壓性，帶內主要為碎裂巖及角礫巖。②NE 向斷層：斷層延伸長200～600m，產狀45°～80°NW/SE∠50°～70°，帶寬0.1～0.5m，壓性，面略彎曲，帶內主要為碎裂巖。

變形體所在岸坡為凸岸，岸坡后緣整體平直，匯水面積小，受層面影響變形體兩側分布有小洪溝，降雨大部分沿洪溝排出至河道。

2.3.1 變形體形態特征

根據本次地質勘查成果，變形體位于大壩上游河谷2.6～3.2km 段右岸，距離HP1 變形體上游側沿河距離200～800m，平面上呈扁平的簸箕型。

（1）后緣界線形態：“圈椅狀”，后緣高程650～798m，后緣最大河拔160m，后緣長度約640m。

（2）底面形態：為查明該變形體底面的分布位置，本次在變形體上Ⅰ-Ⅰ′剖面布置ZK1、ZK2 鉆孔，鉆孔揭露底面深度在28.3～34.8m之間，變形體內巖性為斜長片麻巖夾黑云母片巖，而變形體底面巖性為黑云母片巖，厚度3.0m。

2.3.2 變形體結構特征

根據ZK3、ZK1、ZK2 鉆孔巖芯資料及Ⅰ-Ⅰ′工程地質剖面圖綜合分析，該變形體在垂直方向上可分為三層：

（1）變形體上盤：該變形體上盤垂直邊坡厚度28.3～34.8m，平均厚度31.6m，巖性主要為灰黑色斜長片麻巖夾黑云母片巖，其中斜長片麻巖厚度一般26～32m，黑云母片巖厚度一般2～4m，巖層產狀305°～335°NE∠30°～45°。強、弱風層厚度14～16m，物探橫波波速Vs=250～380m/s。

（2）變形體底面：根據該變形體后緣拉裂面和鉆孔巖芯揭露，變形體底面巖性為黑云母片巖，一般厚度1～3m，平均2.0～3.0m，產狀305°～325°NE∠30°～45°，片狀—鱗片狀結構，云母富集，巖質軟弱，遇水易軟化，物探橫波速度Vs=100～200m/s。

（3）變形體下盤：根據ZK1～ZK2鉆孔巖芯揭露，變形體下盤巖性為灰黑色斜長片麻巖為主，局部夾黑云母片巖，產狀305°～335°NE∠35°～45°，巖體較完整—完整，物探橫波速度Vs=700～900m/s。

2.3.3 變形體體積

（1）斷面法計算：根據1∶2000 實測地形圖，結合現場地面地質調查、鉆孔及物探測試資料、典型地質剖面圖綜合分析，HP2 變形體總面積6.8×104m2，平均厚度31.6m，總體積約為215×104m3。

（2）CIVIL3D 三維方法計算：將3 條剖面、變形體側緣及后緣三維空間點導入CIVIL3D 軟件，根據提供的三維變形體底面確定變形體方量。計算變形體總方量為280×104m3。

3 變形體穩定性計算

根據前述表1物理力學參數建議值，本次采用中國水科院分析軟件EMU 計算：計算擬采用三組參數，按五種工況下進行變形體穩定計算（見表2）。

表2 不同工況下變形體穩定性計算成果表

根據中國水科院分析軟件EMU計算成果：正常蓄水位工況下，HP1變形體安全系數K=1.4～1.5，處于基本穩定狀態；HP2 變形體安全系數K=1.07，處于基本穩定—變形狀態。

4 變形體的變形監測

4.1 變形體INSAR干涉雷達成果分析

本次InSAR 數據覆蓋時間段為2014 年11 月～2020 年10 月。從地表形變速率圖和沉降量曲線可以看出，各監測點沉降量變化分為三個時段：

HP1變形體2015年12月1日～2016年5月平均沉降量2.85mm/d；2016 年6 月～2018 年2 月平均沉降量0.29mm/d；2018 年2 月～2020 年10 月 平均 沉 降量0.09mm/d。表明2015 年12 月以來，HP1 變形體平均沉降速度1.08mm/d，變形體處于緩慢蠕動狀態。

HP2 變形體自2015 年12 月1 日～2017 年10 月平均沉降量0.14mm/d；2017 年10 月8 日～2018 年4 月平均沉降量0.40mm/d；2018年4月～2020年10月平均沉降量0.07mm/d。表明2015 年12 月以來，HP2 變形體平均沉降速度0.2mm/d，變形體處于緩慢蠕動狀態。

4.2 變形體現場監測成果分析

自2019年10月4日首次監測至2020年10月15日共監測8 次。依據監測成果進行分析，HP1、HP2 變形體各監測點水平位移量及垂直沉降量曲線可以看出：

（1）HP1 變形體:累計水平位移變形量為8.3～21.4mm；累計垂直沉降量為31.2～34.8mm；水平位移變形速度為0.02～0.06mm/d；垂直沉降變形速度為0.08～0.09mm/d。

（2）HP2 變形體:累計水平位移變形量為125.1～138.3mm；累計垂直沉降量為181.8～200.8mm；水平位移變形速度為0.33～0.37mm/d；垂直沉降變形速度為0.48～0.53mm/d。

2019年10月4 日以來，HP1變形體水平位移變形速度為0.02～0.06mm/d，垂直沉降變形速度為0.08～0.09mm/d。表明HP1變形體處于緩慢蠕動狀態。

2019年10月4 日以來，HP2變形體水平位移變形速度為0.33～0.37mm/d，垂直沉降變形速度為0.48～0.53mm/d。表明HP2變形體處于緩慢蠕動狀態。

5 結論與建議

（1）經現場勘察及航片、衛片資料解譯，初步查明了變形體地質背景、分布范圍、物質組成、變形特征，變形體均為一中傾順向坡結構庫岸發育的變形—彎曲型古變形體，在水庫蓄水運行水位驟降工況下，發生了復活調整變形。HP1變形體總方量約329×104m3，HP2變形體總方量約215×104m3。

（2）變形監測資料表明，2019年10月4日～16日以來，HP1 變形體水平位移上部、中部、下部變形速度0.02mm/d→0.04mm/d→0.06mm/d，說明為牽引式變形；各期監測水平位移速率0.038mm/d→0.033mm/d→0.03mm/d→0.020mm/d。可見HP1 古變形體變形趨緩、變形速率變小，處于緩慢蠕動狀態。HP2古變形體2019年10月4日～2020年10月16日以來，變形體水平位移上部、中下部變形速度由0.48mm/d→0.53mm/d，說明為牽引式變形；各期監測水平位移速率0.408mm/d→0.396mm/d→0.39mm/d→0.36mm/d。可見HP2 古變形體變形趨緩、變形速率變小，處于緩慢蠕動狀態。

（3）根據中國水科院分析軟件EMU 計算成果分析：正常蓄水位工況下，HP1 變形體安全系數K=1.4～1.5，處于基本穩定狀態；HP2變形體安全系數K=1.0～1.07，處于基本穩定—變形狀態。

（4）根據2019 年10 月～2020 年10 月INSAR 干涉雷達對變形體位移成果分析，HP1 和HP2 變形體目前處于基本穩定—變形狀態。

（5）經初步分析，水庫水位驟降是變形體變形的主要誘因，后期水庫不宜水位驟降運行。

（6）持續對HP1、HP2 變形體的現場變形監測，完善變形監測體系，升級監測系統為自動化監測，及時了解掌握變形體變形情況。

（7）針對可能的重大自然災害、庫水位驟降引起的變形體發生突發變形情況時，做好相應的工程安全防護應急預案。