某水庫邊坡位移監測及穩定分析研究

熊多嬌

(江西省九江市柴桑區水利局，江西 九江 332100)

1 概 述

我國大部分地區水電資源豐富，隨著國家經濟的發展，大量的水電站應運而生。而水電站、水庫的修建，導致大量巖土邊坡的形成。當水庫蓄水后，庫水會對邊坡造成較大的影響，使邊坡發生變形。，如果不對其進行監測，就無法掌握邊坡的變形特點，無法防止或避免可能發生的邊坡災害。因此，開展邊坡監測工作、實時了解邊坡的變形趨勢、研究坡體變形機制、準確合理地對邊坡破壞進行預測，對水庫、水電站等工程有著十分重要的意義，也對工程項目周邊居民的安全起著保障作用[1-3]。

趙明華[4]等借助多點位移計、滲壓計、測斜孔、表面位移監測等手段，對水電站建造形成的人工邊坡進行了監測，對所得數據進行分析后發現，邊坡變形的主要因素是開挖爆破，同時判斷出坡體變形趨勢基本停止，邊坡整體較為安全。韓鞠等[5]對某處滑坡的地下水位、大地變形以及深部變形進行了監測，通過對比分析庫水位變化規律和每天的降雨量，建立了邊坡的失穩模型。

本文結合地質結構資料，通過在某大壩深部和表面設置位移監測點的方法，采取表觀與深部兩種手段相結合，對其持續變形進行監測，分析水庫邊坡的變形機制，為水庫后期運行時的邊坡穩定性分析和預測提供借鑒和依據。

2 水庫邊坡概況以及設置監測點

2.1 水庫邊坡概況

本文所研究水庫為大型水庫，水庫壩高約300 m，拱壩是較為典型的雙曲拱。水庫左岸邊坡從高程點1 571 m挖至2 090 m，總高519 m，挖掘高度和規模較大。壩區處露出的基巖主要為變質巖，大致分成3部分：第一部分為綠片巖，位置處于地表之下，沒有露出；第二部分為灰白色的大理巖，夾雜部分綠片巖，厚約440 m，是壩區露出的主要地層，出露區域為左岸邊坡標高1 800 m以下的部分；第三部分厚度約為400 m，是砂巖與板巖的互層，出露區域為左岸邊坡標高1 800 m以上的部分。從總體來看，左岸巖層表現成反傾巖質邊坡。在其上露出的煌斑巖脈從標高接近2 100 m處連續至下游泄洪邊坡處，該巖脈寬度為2～3 m，具有較高的風化程度。壩區主要有3組斷層，分別為NW-NWW、EW-NEE、NNE-NE向，主要控制性斷層分為f42-9、f2、f8以及f5。

2.2 設置監測點

從左岸邊坡中巖露的變形特征和地質結構可以看出，邊界自然環境、體積較大的“塊體”附近周圍主控結構面以及高處傾倒變形體都會對其整體變形產生影響。因此，本文通過表觀與深部相結合的監測手段，分別布設了表觀、深部監測點，以便實現自內向外的監測邊坡變形的目的，保證蓄水階段坡體變形監測的準確性和可行性。

左岸邊坡設置表觀監測點80個，對各點的3個方位(X、Y、Z)的位移進行同步觀測。主要在開挖區域內布設上述表觀監測點，大部分具體設置在上游拱肩槽開挖位置處。為了在施工完成后繼續監測大高程處傾倒變形體的位移，額外設置多個監測點，置于開口線之上的邊坡處，即在高程1 885 m之上的坡體和開口線之上的坡體，分別布設27個、12個監測點，將f42-9、f8、f5斷層、傾倒變形體以及煌斑巖脈露出的監測區完全覆蓋。對于坡體深部的變形，則是把監測點設置在一個揭穿坡體的平洞(PD44)內來進行的，測點數有10個。深部測點主要是對坡體內X向位移進行監測記錄。在本文中，以控制性結構面以及穿越坡體關鍵位置的剖面為研究對象，通過分析監測數據來對坡體變形進行研究。

3 剖面變形監測結果分析

與所選剖面相關的各表觀監測點的高程從低到高依次是：TPL29點高1 886 m、TPL9點高1 990 m、TPL3點高2 021 m，TP11點高2 050 m、TPL83點高2 152 m、TPL84點高2 220 m。該剖面坡體的深部平洞分別為PD50、PD48、PD44、PD40，因為PD44揭穿左岸邊坡的斷層f42-9、結構面煌斑巖脈X以及較多深拉裂縫，將其視為特別監測點，所以分析深部位移變化時以PD44為研究對象。

3.1 表觀變形監測

對各監測點的變形數據行進處理和匯總，分別得到其位移傾角、位移方位角、總位移以及水平位移的變化規律圖，見圖1-圖4。在2013年10月8日之后，水庫蓄水完成。觀察分析圖1能夠看出，TPL29監測點的位移傾角一直處于0°以下，呈現出仰傾角的形態。出現這種現象是因為當水庫開始蓄水后，庫中水會產生向上的浮力，作用在坡體上形成一種托力，迫使其被向上抬起發生變形。位于開口線以上自然邊坡監測點的總位移大于位于人工開挖支護邊坡監測點的總位移。其它各監測點的位移傾角則大部分屬于19°～28°的范圍內，這也表明沉降是豎直方向(Z方向)的主要變形形式。從監測點的位移方位角變化規律圖中可以看出，水平位移方位角大多數為115°～130°之間，能夠發現邊坡的變形方向是朝著上游方向發展的，但這種傾向的趨勢不大。處在傾倒變形區的點TPL84(高程2 220 m)總位移量最大，達到89.5 mm；其它監測點的變形量則在高程下降時，隨之降低。分析剖面各監測點的變形情況得出，水平位移的變化范圍是19.7～84.5 mm，同時表現出隨著高程點降低而逐漸減小的趨勢，且Y方向的分量主導了水平位移。

圖1 各點位移傾角變化規律

圖3 各點總位移變化規律

圖4 各點水平位移變化規律

也可以看出，TPL84和TPL83的變形量要比其余監測點的變形量大，且各監測點的總位移量與水平位移量沒有較大差別，這也表明邊坡中傾倒變形體的Y向位移要高于邊坡人工開挖后形成的松弛變形和荷載回彈。

3.2 深部變形的監測

平洞PD44在左岸邊坡上游位置處，高程為1 929 m，在平洞內設置石墨桿位移計測段10個、監測點11個。監測過程中，把洞內最深處的監測點PD11視作監測基準點，其它各點為正常測點。正常測點共有12個，從里向外對測點進行編號，分別為12～1。圖5為平洞PD44內各監測點水平位移隨時間的變化規律。平洞PD44穿過邊坡的斷層f42-9、結構面煌斑巖脈X以及較多深拉裂縫。從蓄水開始到現在，PD44平洞的水平位移累計量為25 mm。對于平洞內各測點，PD443、PD444兩測點從部分斷層中穿過，蓄水期之后，其累計變形量達到3 mm；測點PD445-測點PD447則將煌斑巖脈X包含在內，在蓄水期之后，其累計變形量達到6 mm；而深拉裂縫和斷層f42-9則包含在測點PD447-PD4410之間，同時這個測段的水平位移量也最大，變形量從蓄水后累計達到10 mm。平洞各測點的位移變化規律反映出其水平位移增加趨勢較為平穩，變形速率在水庫中后期有所增加。

圖5 PD44平洞各點位移變化規律

3.3 變形機理分析

通過對左岸邊坡監測坡面深部變形和表觀變形進行分析，并與左岸邊坡本身的巖性組成和結構相結合能夠看出，左岸邊坡在工程結構和蓄水荷載作用下，坡體發生了持續變形，并且這種變形受到坡體“外傾主控結構面分割+深部裂縫+反傾層狀結構”的地質結構控制，屬于一種常態化的變形調整。與監測剖面的變形特征相結合，可以將變形調整總結為“上部傾倒持續-深部張拉開裂-壩體與下部相協調”的變形機理。從整體來看，反傾層狀結構為左岸邊坡級次最高的坡體結構。處于開口線以上邊坡的測量點與開挖再支護邊坡的測量點相比，前者Z方向位移和總位移都大于后者。同時，隨著高程的提高，測量點的位移也不斷變大，這種特征與傾倒變形體的特點相一致。

從平洞中各測量點的數據能夠看出，坡體深部位移大部分發生在煌斑巖脈、深拉裂縫以及f42-9斷層等區域，并且豎直方向Z上位移相差不大，主要以水平向變形為主，這也說明深拉裂縫和主控結構面控制了邊坡的整體變形。蓄水對坡體深部變形的影響較為明顯，當持續蓄水時，水分滲透進坡體，使其飽和區不斷增大，提高了孔隙水壓，降低了軟弱結構面的力學性質，加劇了結構的松弛程度，提高了深部變形速率。尤其是在水庫初始蓄水期間，水庫水位下降，軟弱結構面位置處的水平位移繼續提高，這是由于邊坡內部滲透系數比較低，無法及時將水分排出，這就產生了一種滲透壓力，且方向向外。當水庫蓄水完成，運行時間較長后，坡體適應了水庫水位變化，內部變形速率也逐漸降低。

在開口線之下，開挖再支護邊坡表面監測點的位移主要在水平向，而且位移產生的范圍大致相同，說明巖體開挖卸荷對其的影響一直在持續。水庫蓄水接近標準水位1 880m高程處，水庫水位升高和降低的變化對邊坡的影響比較明顯。當水庫中水位持續升高，坡體受庫水產生的浮力也就越大，坡體受浮力影響被迫抬起，這就造成該位置的位移不再是沉降，而轉變為抬升。

4 結 論

通過設置表觀監測點和深部監測點，對某大壩的變形規律和變形機制進行了研究，結論如下：

1) 水庫邊坡開口線之上的天然邊坡有較為普遍的傾倒現象，并在蓄水荷載作用下，坡體發生了持續變形，并且沒有減弱趨勢。該位置處的持續變形受邊坡表部開挖卸荷、巖體結構、板巖軟硬互層、自身砂巖共同控制，屬于一種常態化的變形調整。與監測剖面的變形特征相結合，可以將變形調整總結為“上部傾倒持續-深部張拉開裂-壩體與下部相協調”的變形機理。

2) 坡體深部位移大部分發生在煌斑巖脈、深拉裂縫以及f42-9斷層等區域，并且豎直方向上位移相差不大，主要以水平向變形為主，這也說明深拉裂縫和主控結構面控制了邊坡的整體變形。

3) 在開口線之下，開挖再支護邊坡的表面監測點位移主要在水平向。水庫蓄水接近標準水位1 880 m高程處，水庫水位升高和降低的變化對邊坡的影響比較明顯。當水庫中水位持續升高，坡體受庫水產生的浮力也就越大，坡體受浮力影響被迫抬起，這就造成該位置的位移不再是沉降，而轉變為抬升。