锦屏水电站变形拉裂体施工期安全监测及分析

，，

(1.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014；

2.锦屏建设管理局 雅砻江水电建设开发有限公司，成都 610021)

1 研究背景

锦屏一级水电站左岸坝肩边坡总体开挖高度约530 m，是目前水电工程开挖高度最高、开挖规模最大、稳定条件最差的边坡工程之一[1-2]。影响左岸边坡稳定的特殊不良地质现象主要有：断层及节理裂隙、岩体卸荷拉裂、岩体倾倒变形及深部裂缝等。其中边坡的整体稳定性是由以SL44-1松弛拉裂带为上游边界，以f42-9断层为下游边界及底滑面，以煌斑岩脉为后缘切割面的变形拉裂体(以下简称“大块体”)控制[3]。

边界控制面地质条件：f42-9断层产状以N80°E～近EW/SE(S)∠40～60°为主，总体上以宽度大、性状差的泥夹碎石、糜棱岩为主。煌斑岩脉(X)总体产状为N60°～80°E，SE∠70°～90°，宽约15～30 m，抗风化能力差。SL44-1按SN向～N20°W走向推测，以空缝为主，局部充填岩块岩屑。“大块体”内部岩体大部分均为Ⅳ2级岩体，但局部仍有部分Ⅲ2级岩体，这部位岩体多松弛破碎，小断层发育，性状差。剖面情况见示意图1。

图1 “大块体”剖面示意图[1]

2 监测仪器布置及实施

边坡开挖为2005年9月至2009年8月底，浇筑为2009年10月至2012年底。在施工期采用多种监测手段和设备，对工程全过程进行监测，实时反映了“大块体”在施工阶段的变形过程。项目整体上由表及里监控边坡运行状态，可划分为表面、浅部和深部3个部分。表面监测采用全站仪大地测量，观测频率为1次/月，以监控边坡宏观变形。浅部变形监测采用多点位移计，监测深度为0～90 m，主要监测边坡浅表岩体及锚固体系工作性态，以局部稳定问题为主。深部监测采用平洞测距、石墨杆收敛计等监测方法，仪器布置于勘探平洞内，覆盖深部裂缝、煌斑岩脉及断层等软弱结构面发育区段，最大监测达到330 m，主要监测深部岩体变形以研究边坡整体稳定性问题[2-4]。浅深部观测频率为1次/周。

边坡表面监测布置11个断面，其中穿过“大块体”有4个断面。测点全面控制了煌斑岩脉、f42-9和SL44-1在地表出露边界两侧的变形。浅部监测多点位移计有：1 960 m以上处有M45—M47；1 960—1 885 m高程处有M45—M411；1 885 m高程以下有M46C3L和M47C3L。部分测点穿过构造结构面能有效监测断层变位。深部监测在1 930 mPD44平洞先后平行布置2套、PD42平洞分别在上游支洞和主洞布置2套，1 915m高程排水洞布置1套。这5套石墨杆收敛计正处在“大块体”的重要部位，能较好反映“大块体”滑动变形趋势。监测布置平面见图2。

图2 “大块体”监测布置平面图[1]

3 监测成果分析

3.1 表面变形监测

3.1.1 表面变形特征

以下基于表面位移量、方位角和倾伏角3个方面对“大块体”内外的变形特征进行对比。

(1)位移量大小：开挖期边坡表面变形空间上呈现中部变形略大于高高程处，这是由于开挖水平深度不同所致。进入浇筑施工期，“大块体”内外的变形量值基本接近，期间变化量在18.9～26.3 mm范围，表明“大块体”内外变形量无明显差异。

(2)变形方位角：开挖期各区域测点变形方位角呈发散状，处于变形调整期，故未形成明显优势变形方向。随着支护完成后，“大块体”附近区域变形方向逐渐表现为一致，矢量方位角大致在110°～140°范围，近似指向临空面方向[1]。位移矢量见图2。

(3)倾伏角：倾伏角为位移矢量与水平面的夹角。开挖期倾伏角如变形方位角一样，无一致规律性。开挖结束经过一段时间变形调整后，倾伏角逐渐收敛，大致在-10°～10°范围内。由于煌斑岩脉产状为N60～80°E，SE∠70～80°，f42-9断层产状为近EW，S∠40～60°，测点位移矢量倾伏角与不利结构面倾角有较大差异且垂直位移量值较小，说明“大块体”未出现沿着不利结构面整体错动。

3.1.2 表面变形与开挖、浇筑及降雨关系

测点河床方向位移-时间曲线来看(见图3)，前期受到边坡开挖卸荷影响，变形与开挖相关性较好。开挖结束后1 a内，“大块体”表面变形仍持续发展，趋势无明显减缓，这点与深部岩体开挖后仍持续缓慢变形吻合。至2010年末，变形速率才有所降低。截止2012年底，水平位移在4.5～90.8 mm，垂直位移在-4.0～52.0 mm；水平位移速率小于0.1 mm/d，已趋于收敛[1-2]。

图3 表面Y向与开挖、浇筑相关曲线图

拉裂变形体的变形方式是块错动，其稳定性主要是由内摩擦角决定的，而降雨对内摩擦角的影响较小，所以拉裂体的变形对降雨不敏感[5]。且“大块体”内存在松弛张开的卸荷裂隙和深部裂缝，渗透系数很大[6]，排泄条件良好，降雨对“大块体”变形影响较小。1-1剖面位移速率与降雨相关性历时曲线(图4)也表明这两者相关性不显著，现场巡视表明1 915 m排水沟平时无积水现象。

图4 1-1剖面表面测点位移速率与降雨量历时曲线

综合表面变形特征分析，“大块体”内外变形量无明显差异；倾伏角方向与不利结构面倾角有较大差异。前期受开挖卸荷影响，处于变形调整期。随着支护完成后，“大块体”和边坡整体变形方向和趋势均一致，处于整体时效变形阶段，变化量随时间逐步衰减趋于收敛。

3.2 浅部变形监测

3.2.1 浅部岩体变形特征

“大块体”附近测点孔口见图2，孔口位移柱状图见图5。累计最大位移发生在1-1剖面高程1886.2 m部位(M47)，累计孔口位移为17.6 mm。根据穿过结构面位移量与孔口位移量比较，浅部变形测值较大的测点主要由于部分测段穿过煌斑岩脉(X)等软弱结构面，如M47,M47C3L等，且变形量主要集中在各结构面上。开挖后近3年来，位移增量在-0.05～3.55 mm范围内，说明位移主要发生在早期开挖过程中，开挖后浅部变形已收敛。

图5 “大块体”多点位移计孔口位移柱状图

3.2.2 工程地质条件及工程措施对浅部变形影响

浅部监测主要针对浅表岩体及锚固体系工作性态，以局部稳定问题为主，其变形主要受局部岩性及岩体结构控制[7]。以1-1剖面测点M47为例(位移-时间关系及孔口位移变形速率见图6)，从测段位移来看，0～52.0 m测段变形量较大；位移量为13.4 mm，占总位移的76.2 %。地质勘探也表明M47监测部位处在煌斑岩脉(X)、f42-9断层组成顺坡向小规模块体，深度约30 m，各测段变形差异性显著，主要变形集中在煌斑岩脉(X)外侧的52 m之内，地质剖面及分段示意见图7。

从时间上来看，孔口位移在安装后变形速率逐渐增大，最大变形速率发生2007年10月中旬，为0.26 mm/d；支护完成后变形逐渐收敛，至2012年年底变形速率降至0.005 mm/d左右，表明锚固支护遏制边坡浅部岩体变形发挥明显作用。

图6 1 886 m高程处M47位移-时间关系曲线

图7 多点位移计M47 沿着孔深位移分布图

3.3 深部变形监测

3.3.1 深部岩体变形特征

平洞PD44(前期)和PD42主洞布置石墨杆收敛计和平行水平测距，以测量岩体深部变形。PD44(前期)的石墨杆收敛计监测成果见表1。

表1 PD44(前期)石墨杆收敛计监测成果

从变形空间分布特征来看，PD44平洞前后平行布置了2套石墨杆收敛计，均体现位移较为明显的部位为K0+076.5 m至K0+122.5 m和K0+122.5 m至K0+151.0 m两个测段。这2个测段的位移为43.43 mm，占合计位移的81 %，累计位移较大正是处在煌斑岩脉、深部裂缝和f42-9断层影响区域。平洞最大沉降量也是位于该区域。水平和沉降位移都说明深部岩体变形主要受这些结构面控制。其他监测平洞PD42和1 915 m高程排水洞的石墨杆收敛计变形特性也印证了这点。

从变形时间过程来看，深部监测表明开挖后各结构面测段仍持续缓慢增加，说明边坡开挖后岩体沿结构面有一定疏张松弛变形[4]，至2010年年末，整个监测洞段向坡外的位移变化速率逐渐减缓，变形趋于收敛 (1-1剖面PD42平洞石墨杆收敛计合计位移历时见图8)。

图8 PD42平洞石墨杆收敛历时曲线图

3.3.2 平洞测距和石墨杆收敛成果对比

截止2012年底，PD44平洞测距观测墩测得累计位移30.83 mm，PD42平洞测距观测墩测得29.07 mm。图9分别是平洞测距和石墨杆收敛观测各测段位移分布示意图，对比可以看出PD44勘探平洞石墨杆收敛计和测距墩位移发生区段对应，岩体发生变形的区段主要在0+76 m至0+152 m之间，该区段正是深部拉裂缝发育密集并有煌斑岩脉(X)穿过；其他测段位移量均较小。

图9 平洞测距与石墨杆收敛观测位移分布对比图

同一时间段同一测段变化量观测成果对比见表2，表中可以看出位移量差值较小，趋势一致。空间分布以及变化量差值均说明这2种仪器的监测成果是可信的[1]。

表2 平洞测距与石墨杆收敛观测监测成果对比

3.4 表面、浅部和深部对比分析

前3节分别从表面、浅部及深部对“大块体”岩体变形影响因素及变形特征进行分析，下面结合1-1剖面对表面、浅部和深部监测在不同阶段的变形过程做对比(位移-时间历时曲线见图10)，进一步分析“大块体”的变形机制。

图10 1-1剖面表面、浅部及深部监测位移-时间对比曲线

开挖期应力释放及卸荷回弹作用强烈，岩体变形为陡增阶段[8]。经过对边坡采取“边坡防渗及排水系统+f42-9抗剪洞置换加固+坡面浅表层加固+坡面预应力锚索深层加固”支护措施后[6]，浅部监测表明在支护完成后浅部岩体变形立即收敛，且孔口大部分位移量值在10 mm之内；而表面监测和深部监测在支护结束后仍持续缓慢变形。支护完成进入浇筑期(变形量见表3，变形时间段同选择2012年年底减去2010年底)，三者向临空面变形量为表面变形基本与深部监测相当，远大于浅部监测，表明支护完成后，“大块体”整体仍处于蠕变阶段，且变形量大部分集中于深部监测220 m范围之内。各部位变形时间演化均经历开挖后陡增阶段、支护后蠕变阶段及最后稳定阶段。表面、浅部及深部监测差异在于蠕变阶段时间长短的不同，这反映了 “大块体”变形影响范围之深和内部应力调整的长期性。

表3 表面、浅部及深部变形量对比表

4 结 论

(1)整个边坡监测采用了多种手段，由表及里进行监控。表面变形监测可获得边坡宏观表面变形方向以及变形趋势，但受观测频率和观测精度影响，且缺少岩体内部变形特征；浅部监测可获得90 m以内岩体变形特征，但受测点深度限制难以捕捉深部岩体变形；深部监测可获得深部结构面变形特征，但监测平洞数目有限且成本较高。在整个施工过程中，三者间优势互补，实时掌握了边坡整体的变形状况。

(2)“大块体”整体变形的内因主要受f42-9断层、煌斑岩脉、SL44-1拉裂带组成的结构面控制，浅深部监测表明穿过结构面的测段变形量远大于其他测段的变形量都印证这点；外因主要是开挖卸荷和边坡支护作用，在开挖期表面、浅部、深部各部位变形都较为明显，开挖结束支护完成后则体现浅部变形立即收敛，而表面变形和深部变形仍持续了一段时间，才逐渐趋缓并趋于收敛。表面、浅部和深部变形的差异性反映了整个边坡开挖深度之大、变形影响深度之深以及其地质条件的复杂性。

(3)开挖结束支护完成后，表面变形监测表明“大块体”内外无明显差异性且未沿着优势结构面滑移，浅部和深部监测体现变形沿控制结构面有一定疏张松弛变形而无明显变位。表面、浅部及深部监测三者有机结合，共同分析表明了“大块体”和边坡整体变形特征一致，其变形机制为岩体整体向临空面的蠕滑变形，“大块体”本身无明显滑移迹象。

(4)监测表明经过支护后，“大块体”整体趋于稳定状态。但随着后续库水的升降对边坡变形的影响，以及边坡变形对大坝的影响，是整个工程安全性的重大挑战，应适当控制水位的抬升速度，并加强边坡安全监测，及时分析监测资料。

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