熊多嬌

(江西省九江市柴桑區(qū)水利局，江西 九江 332100)

1 概 述

我國大部分地區(qū)水電資源豐富，隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的水電站應(yīng)運而生。而水電站、水庫的修建，導(dǎo)致大量巖土邊坡的形成。當(dāng)水庫蓄水后，庫水會對邊坡造成較大的影響，使邊坡發(fā)生變形。，如果不對其進(jìn)行監(jiān)測，就無法掌握邊坡的變形特點，無法防止或避免可能發(fā)生的邊坡災(zāi)害。因此，開展邊坡監(jiān)測工作、實時了解邊坡的變形趨勢、研究坡體變形機制、準(zhǔn)確合理地對邊坡破壞進(jìn)行預(yù)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(jiān)測等手段，對水電站建造形成的人工邊坡進(jìn)行了監(jiān)測，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，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(jìn)行了監(jiān)測，通過對比分析庫水位變化規(guī)律和每天的降雨量，建立了邊坡的失穩(wěn)模型。

本文結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)資料，通過在某大壩深部和表面設(shè)置位移監(jiān)測點的方法，采取表觀與深部兩種手段相結(jié)合，對其持續(xù)變形進(jìn)行監(jiān)測，分析水庫邊坡的變形機制，為水庫后期運行時的邊坡穩(wěn)定性分析和預(yù)測提供借鑒和依據(jù)。

2 水庫邊坡概況以及設(shè)置監(jiān)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(guī)模較大。壩區(qū)處露出的基巖主要為變質(zhì)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(qū)露出的主要地層，出露區(qū)域為左岸邊坡標(biāo)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(qū)域為左岸邊坡標(biāo)高1 800 m以上的部分。從總體來看，左岸巖層表現(xiàn)成反傾巖質(zhì)邊坡。在其上露出的煌斑巖脈從標(biāo)高接近2 100 m處連續(xù)至下游泄洪邊坡處，該巖脈寬度為2～3 m，具有較高的風(fēng)化程度。壩區(qū)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(shè)置監(jiān)測點

從左岸邊坡中巖露的變形特征和地質(zhì)結(jié)構(gòu)可以看出，邊界自然環(huán)境、體積較大的“塊體”附近周圍主控結(jié)構(gòu)面以及高處傾倒變形體都會對其整體變形產(chǎn)生影響。因此，本文通過表觀與深部相結(jié)合的監(jiān)測手段，分別布設(shè)了表觀、深部監(jiān)測點，以便實現(xiàn)自內(nèi)向外的監(jiān)測邊坡變形的目的，保證蓄水階段坡體變形監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可行性。

左岸邊坡設(shè)置表觀監(jiān)測點80個，對各點的3個方位(X、Y、Z)的位移進(jìn)行同步觀測。主要在開挖區(qū)域內(nèi)布設(shè)上述表觀監(jiān)測點，大部分具體設(shè)置在上游拱肩槽開挖位置處。為了在施工完成后繼續(xù)監(jiān)測大高程處傾倒變形體的位移，額外設(shè)置多個監(jiān)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(shè)27個、12個監(jiān)測點，將f42-9、f8、f5斷層、傾倒變形體以及煌斑巖脈露出的監(jiān)測區(qū)完全覆蓋。對于坡體深部的變形，則是把監(jiān)測點設(shè)置在一個揭穿坡體的平洞(PD44)內(nèi)來進(jìn)行的，測點數(shù)有10個。深部測點主要是對坡體內(nèi)X向位移進(jìn)行監(jiān)測記錄。在本文中，以控制性結(jié)構(gòu)面以及穿越坡體關(guān)鍵位置的剖面為研究對象，通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)來對坡體變形進(jìn)行研究。

3 剖面變形監(jiān)測結(jié)果分析

與所選剖面相關(guān)的各表觀監(jiān)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(jié)構(gòu)面煌斑巖脈X以及較多深拉裂縫，將其視為特別監(jiān)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(jiān)測

對各監(jiān)測點的變形數(shù)據(jù)行進(jìn)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(guī)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(jiān)測點的位移傾角一直處于0°以下，呈現(xiàn)出仰傾角的形態(tài)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為當(dāng)水庫開始蓄水后，庫中水會產(chǎn)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(fā)生變形。位于開口線以上自然邊坡監(jiān)測點的總位移大于位于人工開挖支護(hù)邊坡監(jiān)測點的總位移。其它各監(jiān)測點的位移傾角則大部分屬于19°～28°的范圍內(nèi)，這也表明沉降是豎直方向(Z方向)的主要變形形式。從監(jiān)測點的位移方位角變化規(guī)律圖中可以看出，水平位移方位角大多數(shù)為115°～130°之間，能夠發(fā)現(xiàn)邊坡的變形方向是朝著上游方向發(fā)展的，但這種傾向的趨勢不大。處在傾倒變形區(qū)的點TPL84(高程2 220 m)總位移量最大，達(dá)到89.5 mm；其它監(jiān)測點的變形量則在高程下降時，隨之降低。分析剖面各監(jiān)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(xiàn)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(dǎo)了水平位移。

圖1 各點位移傾角變化規(guī)律

圖3 各點總位移變化規(guī)律

圖4 各點水平位移變化規(guī)律

也可以看出，TPL84和TPL83的變形量要比其余監(jiān)測點的變形量大，且各監(jiān)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(jiān)測

平洞PD44在左岸邊坡上游位置處，高程為1 929 m，在平洞內(nèi)設(shè)置石墨桿位移計測段10個、監(jiān)測點11個。監(jiān)測過程中，把洞內(nèi)最深處的監(jiān)測點PD11視作監(jiān)測基準(zhǔn)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(jìn)行編號，分別為12～1。圖5為平洞PD44內(nèi)各監(jiān)測點水平位移隨時間的變化規(guī)律。平洞PD44穿過邊坡的斷層f42-9、結(jié)構(gòu)面煌斑巖脈X以及較多深拉裂縫。從蓄水開始到現(xiàn)在，PD44平洞的水平位移累計量為25 mm。對于平洞內(nèi)各測點，PD443、PD444兩測點從部分?jǐn)鄬又写┻^，蓄水期之后，其累計變形量達(dá)到3 mm；測點PD445-測點PD447則將煌斑巖脈X包含在內(nèi)，在蓄水期之后，其累計變形量達(dá)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(dá)到10 mm。平洞各測點的位移變化規(guī)律反映出其水平位移增加趨勢較為平穩(wěn)，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(guī)律

3.3 變形機理分析

通過對左岸邊坡監(jiān)測坡面深部變形和表觀變形進(jìn)行分析，并與左岸邊坡本身的巖性組成和結(jié)構(gòu)相結(jié)合能夠看出，左岸邊坡在工程結(jié)構(gòu)和蓄水荷載作用下，坡體發(fā)生了持續(xù)變形，并且這種變形受到坡體“外傾主控結(jié)構(gòu)面分割+深部裂縫+反傾層狀結(jié)構(gòu)”的地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制，屬于一種常態(tài)化的變形調(diào)整。與監(jiān)測剖面的變形特征相結(jié)合，可以將變形調(diào)整總結(jié)為“上部傾倒持續(xù)-深部張拉開裂-壩體與下部相協(xié)調(diào)”的變形機理。從整體來看，反傾層狀結(jié)構(gòu)為左岸邊坡級次最高的坡體結(jié)構(gòu)。處于開口線以上邊坡的測量點與開挖再支護(hù)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(shù)據(jù)能夠看出，坡體深部位移大部分發(fā)生在煌斑巖脈、深拉裂縫以及f42-9斷層等區(qū)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(jié)構(gòu)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(dāng)持續(xù)蓄水時，水分滲透進(jìn)坡體，使其飽和區(qū)不斷增大，提高了孔隙水壓，降低了軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)，加劇了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面位置處的水平位移繼續(xù)提高，這是由于邊坡內(nèi)部滲透系數(shù)比較低，無法及時將水分排出，這就產(chǎn)生了一種滲透壓力，且方向向外。當(dāng)水庫蓄水完成，運行時間較長后，坡體適應(yīng)了水庫水位變化，內(nèi)部變形速率也逐漸降低。

在開口線之下，開挖再支護(hù)邊坡表面監(jiān)測點的位移主要在水平向，而且位移產(chǎn)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(xù)。水庫蓄水接近標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)水庫中水位持續(xù)升高，坡體受庫水產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)樘?/p>

4 結(jié) 論

通過設(shè)置表觀監(jiān)測點和深部監(jiān)測點，對某大壩的變形規(guī)律和變形機制進(jìn)行了研究，結(jié)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(xiàn)象，并在蓄水荷載作用下，坡體發(fā)生了持續(xù)變形，并且沒有減弱趨勢。該位置處的持續(xù)變形受邊坡表部開挖卸荷、巖體結(jié)構(gòu)、板巖軟硬互層、自身砂巖共同控制，屬于一種常態(tài)化的變形調(diào)整。與監(jiān)測剖面的變形特征相結(jié)合，可以將變形調(diào)整總結(jié)為“上部傾倒持續(xù)-深部張拉開裂-壩體與下部相協(xié)調(diào)”的變形機理。

2) 坡體深部位移大部分發(fā)生在煌斑巖脈、深拉裂縫以及f42-9斷層等區(qū)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(jié)構(gòu)面控制了邊坡的整體變形。

3) 在開口線之下，開挖再支護(hù)邊坡的表面監(jiān)測點位移主要在水平向。水庫蓄水接近標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)水庫中水位持續(xù)升高，坡體受庫水產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)樘?/p>