BRJ山口水库右岸变形体稳定性分析与探讨

王 旭

（新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 区域地质概况

水库正常蓄水位646.0m，总库容2.22×108m3，坝高94m，电站装机220MW，属Ⅱ等大（2）型工程，为混凝土双曲拱坝。

库区位于准噶尔盆地西北边缘与阿尔泰山南麓接壤部位，地形受构造作用控制，北东高西南低，海拔高程500～1350m，相对高差200～500m。

库区出露地层主要为泥盆系中统阿尔泰组（D2a）灰色—灰黑色斜长片麻岩夹黑云母片岩，厚度5725m，变形体位于该岩组内。

库坝区在区域构造上属阿尔泰褶皱系的克兰地槽褶皱带内，主要发育NWW向断裂，距离库区较近的为科沙哈拉断裂、冲乎尔—塔尔浪断裂及海琉—冲乎—盐池断裂。枢纽场地50 年超越概率10%基岩峰值加速度0.10g，场地的地震基本烈度为Ⅶ度。

2 变形体基本地质条件

经现场地质勘察及航、卫片解译分析，在库区共分布二处变形体（HP1～HP2），其中：HP1 变形体位于大坝上游库区右岸1.8～2.4km；HP2 变形体位于大坝上游右岸2.6～3.2km。变形体后缘高程775～913m，距库水位相对高差129～267m。变形体自然坡度35°～40°，局部陡立。变形体区大多基岩裸露，岩性为斜长片麻岩夹黑云母片岩，产状305°～325°NE∠35°～45°，走向与岸坡走向近平行，倾向坡外。

2.1 变形体成因分析

根据2015 年8 月10 日卫片的地形地貌中可看出：HP1、HP2 所在边坡上、下游侧及顶部有凹槽状地形，形成一连续宽“U”型倾向坡外的古变形体，推测该变形体形成年代久远，经过漫长的地质建造及风化剥蚀作用，古变形体的轮廓及变形遗迹均已模糊，地表显示不清，因此在前期勘察过程中未发现该古变形体。

根据2016年5月12日～2019年10月2日卫片地形地貌中可看出：HP1、HP2 所在边坡上、下游侧及顶部有凹槽带边缘出现拉裂缝，形成一连续“U”型簸箕状倾向坡外清晰轮廓，为古变形体产生新的复活。根据水库2015 年11 月底～2019 年10 月库水位曲线图对比分析，2016年4月25～28日库水位平均骤降速率4m/d是导致HP1、HP2古变形体产生复活的主要原因。

2.2 HP1变形体工程地质条件

该变形体位于大坝上游右岸1.8～2.4km 库区右岸，该段河谷走向SE，为顺向谷，后缘高程775～913m，距库水位646m高差129～267m。变形体自然坡度35°～40°，局部陡立。变形体前缘长约600m，宽460m 左右。变形体表部分布有6条切深15～25m的冲沟。

岩性为斜长片麻岩夹黑云母片岩，产状305°～325°NE∠35°～45°，走向与岸坡走向近平行，倾向坡外。岩石揉皱较强烈，片理发育。黑云母片岩中，云母含量占70%～80%，遇水极易软化，强度低，该层是控制变形体底面的主要岩性。

主要发育NW向、NE向两组构造：①NW向断层：断层延伸长多大于500m，产状305°～325°NE∠35°～75°，带宽0.3～1.0m，压性，带内主要为碎裂岩。②NE向断层：断层延伸长200～600m，产状45°～80°NW/SE∠50°～70°，带宽0.1～0.5m，压性，带内主要为碎裂岩。

变形体后缘顶部为单薄山脊分水岭，无汇水面积及补给条件，主要是大气降水形成的地表面流。变形体分布6条小冲沟，未发现有裂隙水或泉水出露。

2.2.1 变形体形态特征

根据本次地质勘察成果，该变形体位于大坝1.8～2.4km 右岸岸坡，地表自然坡度32°～45°，变形体顺河长约600m，最大高差267m。前缘宽约650m、中部宽约600m、后缘顺河宽约420m，在平面上呈扁平的簸箕型。

（1）后缘、侧缘形态：变形体具有明显的后缘拉裂面，呈“圈椅状”，上游高下游低，后缘高程775～913m，后缘最大河拔333m，后缘长度约1300m。

（2）底面形态：为查明该变形体底面的分布位置，本次在变形体上Ⅰ-Ⅰ′剖面布置ZK3、ZK4 钻孔，Ⅱ-Ⅱ′剖面布置ZK5、ZK6 钻孔，各钻孔揭露底面深度在15.8～16.55m 之间，变形体内岩性为斜长片麻岩夹黑云母片岩，而变形体底面岩性为黑云母片岩，厚度2.0m。

2.2.2 变形体结构特征

根据ZK3、ZK4、ZK5、ZK6 钻孔岩芯资料及Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′、Ⅳ-Ⅳ′、Ⅴ-Ⅴ′等工程地质剖面图综合分析，该变形体在垂直方向上可分为三层：

（1）变形体上盘：该变形体上盘垂直边坡厚度11.0～20.6m，平均厚度15.8m，岩性主要为灰黑色斜长片麻岩夹黑云母片岩，其中斜长片麻岩厚度15～45m，黑云母片岩厚度2～5m，岩层产状305°～335°NE∠30°～45°。强、弱风层厚度14～16m，物探横波波速Vs=210～450m/s。

（2）变形体底面：根据该变形体后缘拉裂面和钻孔岩芯揭露，变形体底面岩性为黑云母片岩，一般厚度1～3m，平均2.0m，产状305°～325°NE∠30°～45°，片状—鳞片状结构，云母富集，岩质软弱，遇水易软化，物探横波速度Vs=100～200m/s。

（3）变形体下盘：根据ZK3～ZK6钻孔岩芯揭露，变形体下盘岩性为灰黑色斜长片麻岩为主，局部夹黑云母片岩，产状305°～335°NE∠35°～45°，岩体较完整—完整，物探横波速度Vs=700～900m/s。

2.2.3 变形体体积

（1）断面法计算：根据1∶2000 实测地形图，结合现场地面地质调查、钻孔及物探测试资料、典型地质剖面图综合分析，HP1 变形体总面积20.3×104m2，平均厚度16.2m，总体积约为329×104m3。其中：HP1-1变形体体积为206×104m3；HP1-2变形体体积为123×104m3。

（2）CIVIL3D 三维方法计算：将6 条剖面、变形体侧缘及后缘三维空间点导入CIVIL3D 软件，根据提供的三维变形体底面确定变形体方量。计算变形体总方量为296×104m3，其中HP1-1 方量为185.1×104m3，HP1-2方量约110.9×104m3。

2.2.4 变形体物理力学性质及参数

（1）变形体岩性与结构组成。变形体上盘：岩性以斜长片麻岩为主，局部夹薄层黑云母片岩，产状305°～325°NE∠35°～45°，局部∠50°～60°；走向与岸坡走向近平行，倾向坡外，边坡坡高129～267m，自然坡度35°～40°。变形体底面：岩性主要为黑云母片岩，片理走向与岸坡走向近平行，倾向坡外，底面倾角35°～38°。变形体下盘：岩性主要为斜长片麻岩，产状305°～325°NE∠35°～45°，走向与岸坡走向近平行，倾向坡外。

（2）变形体物理力学性质及参数。

①根据前期BRJ 山口水库坝基岩块、岩体原位试验结果：岩块天然密度2.69～2.70g/cm3，饱和密度2.72～2.80g/cm3；自然吸水率0.18%～0.24%，饱和吸水率0.21%～0.27%；单轴饱和抗压强度55～64MPa；饱和抗剪强度C值0.8～0.9MPa，ψ值0.9～0.95。

②根据本次变形体ZK2、ZK4 及ZK6 钻孔揭露底面黑云母片岩岩芯取样颗分成果分析，粒径大于80mm含量占17.3%；5～80mm 含量占69.9%；5～0.075mm 含量占11.2%；粒径小于0.075mm含量占1.6%。结合《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录E综合判定，该变形体底面结构面属岩屑夹泥型。综合分析建议：变形体HP1、HP2 底面抗剪强度，水上c′=0.05～0.08MPa，f′ =0.45～0.50；水 下c′ =0.01～0.02MPa，f′=0.35～0.40（见表1）。

表1 HP1、HP2变形体上盘、变形体底面及变形体下盘物理力学参数建议值表

2.3 HP2变形体工程地质条件

该变形体位于大坝上游右岸2.6～3.2km右岸肘状凸岸斜坡，河流走向由近EW 转SN 向，坡顶高程945m，河拔350m，岸坡自然坡度32°～45°，基岩多裸露。变形体平面上呈“圈椅状”，后缘高程800m，最大河拔220m。

岩性为灰色—灰黑色斜长片麻岩夹黑云母片岩，产状305°～335°NE∠30°～45°，岩石揉皱较强烈，岩石内片理构造发育，强、弱风化层厚度14～18m。

主要发育NW向、NE向两组构造：①NW向断层：断层延伸长多大于500m，产状305°～325°NE∠35°～75°，带宽0.3～1.0m，压性，带内主要为碎裂岩及角砾岩。②NE 向断层：断层延伸长200～600m，产状45°～80°NW/SE∠50°～70°，带宽0.1～0.5m，压性，面略弯曲，带内主要为碎裂岩。

变形体所在岸坡为凸岸，岸坡后缘整体平直，汇水面积小，受层面影响变形体两侧分布有小洪沟，降雨大部分沿洪沟排出至河道。

2.3.1 变形体形态特征

根据本次地质勘查成果，变形体位于大坝上游河谷2.6～3.2km 段右岸，距离HP1 变形体上游侧沿河距离200～800m，平面上呈扁平的簸箕型。

（1）后缘界线形态：“圈椅状”，后缘高程650～798m，后缘最大河拔160m，后缘长度约640m。

（2）底面形态：为查明该变形体底面的分布位置，本次在变形体上Ⅰ-Ⅰ′剖面布置ZK1、ZK2 钻孔，钻孔揭露底面深度在28.3～34.8m之间，变形体内岩性为斜长片麻岩夹黑云母片岩，而变形体底面岩性为黑云母片岩，厚度3.0m。

2.3.2 变形体结构特征

根据ZK3、ZK1、ZK2 钻孔岩芯资料及Ⅰ-Ⅰ′工程地质剖面图综合分析，该变形体在垂直方向上可分为三层：

（1）变形体上盘：该变形体上盘垂直边坡厚度28.3～34.8m，平均厚度31.6m，岩性主要为灰黑色斜长片麻岩夹黑云母片岩，其中斜长片麻岩厚度一般26～32m，黑云母片岩厚度一般2～4m，岩层产状305°～335°NE∠30°～45°。强、弱风层厚度14～16m，物探横波波速Vs=250～380m/s。

（2）变形体底面：根据该变形体后缘拉裂面和钻孔岩芯揭露，变形体底面岩性为黑云母片岩，一般厚度1～3m，平均2.0～3.0m，产状305°～325°NE∠30°～45°，片状—鳞片状结构，云母富集，岩质软弱，遇水易软化，物探横波速度Vs=100～200m/s。

（3）变形体下盘：根据ZK1～ZK2钻孔岩芯揭露，变形体下盘岩性为灰黑色斜长片麻岩为主，局部夹黑云母片岩，产状305°～335°NE∠35°～45°，岩体较完整—完整，物探横波速度Vs=700～900m/s。

2.3.3 变形体体积

（1）断面法计算：根据1∶2000 实测地形图，结合现场地面地质调查、钻孔及物探测试资料、典型地质剖面图综合分析，HP2 变形体总面积6.8×104m2，平均厚度31.6m，总体积约为215×104m3。

（2）CIVIL3D 三维方法计算：将3 条剖面、变形体侧缘及后缘三维空间点导入CIVIL3D 软件，根据提供的三维变形体底面确定变形体方量。计算变形体总方量为280×104m3。

3 变形体稳定性计算

根据前述表1物理力学参数建议值，本次采用中国水科院分析软件EMU 计算：计算拟采用三组参数，按五种工况下进行变形体稳定计算（见表2）。

表2 不同工况下变形体稳定性计算成果表

根据中国水科院分析软件EMU计算成果：正常蓄水位工况下，HP1变形体安全系数K=1.4～1.5，处于基本稳定状态；HP2 变形体安全系数K=1.07，处于基本稳定—变形状态。

4 变形体的变形监测

4.1 变形体INSAR干涉雷达成果分析

本次InSAR 数据覆盖时间段为2014 年11 月～2020 年10 月。从地表形变速率图和沉降量曲线可以看出，各监测点沉降量变化分为三个时段：

HP1变形体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 月以来，HP1 变形体平均沉降速度1.08mm/d，变形体处于缓慢蠕动状态。

HP2 变形体自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 月以来，HP2 变形体平均沉降速度0.2mm/d，变形体处于缓慢蠕动状态。

4.2 变形体现场监测成果分析

自2019年10月4日首次监测至2020年10月15日共监测8 次。依据监测成果进行分析，HP1、HP2 变形体各监测点水平位移量及垂直沉降量曲线可以看出：

（1）HP1 变形体:累计水平位移变形量为8.3～21.4mm；累计垂直沉降量为31.2～34.8mm；水平位移变形速度为0.02～0.06mm/d；垂直沉降变形速度为0.08～0.09mm/d。

（2）HP2 变形体:累计水平位移变形量为125.1～138.3mm；累计垂直沉降量为181.8～200.8mm；水平位移变形速度为0.33～0.37mm/d；垂直沉降变形速度为0.48～0.53mm/d。

2019年10月4 日以来，HP1变形体水平位移变形速度为0.02～0.06mm/d，垂直沉降变形速度为0.08～0.09mm/d。表明HP1变形体处于缓慢蠕动状态。

2019年10月4 日以来，HP2变形体水平位移变形速度为0.33～0.37mm/d，垂直沉降变形速度为0.48～0.53mm/d。表明HP2变形体处于缓慢蠕动状态。

5 结论与建议

（1）经现场勘察及航片、卫片资料解译，初步查明了变形体地质背景、分布范围、物质组成、变形特征，变形体均为一中倾顺向坡结构库岸发育的变形—弯曲型古变形体，在水库蓄水运行水位骤降工况下，发生了复活调整变形。HP1变形体总方量约329×104m3，HP2变形体总方量约215×104m3。

（2）变形监测资料表明，2019年10月4日～16日以来，HP1 变形体水平位移上部、中部、下部变形速度0.02mm/d→0.04mm/d→0.06mm/d，说明为牵引式变形；各期监测水平位移速率0.038mm/d→0.033mm/d→0.03mm/d→0.020mm/d。可见HP1 古变形体变形趋缓、变形速率变小，处于缓慢蠕动状态。HP2古变形体2019年10月4日～2020年10月16日以来，变形体水平位移上部、中下部变形速度由0.48mm/d→0.53mm/d，说明为牵引式变形；各期监测水平位移速率0.408mm/d→0.396mm/d→0.39mm/d→0.36mm/d。可见HP2 古变形体变形趋缓、变形速率变小，处于缓慢蠕动状态。

（3）根据中国水科院分析软件EMU 计算成果分析：正常蓄水位工况下，HP1 变形体安全系数K=1.4～1.5，处于基本稳定状态；HP2变形体安全系数K=1.0～1.07，处于基本稳定—变形状态。

（4）根据2019 年10 月～2020 年10 月INSAR 干涉雷达对变形体位移成果分析，HP1 和HP2 变形体目前处于基本稳定—变形状态。

（5）经初步分析，水库水位骤降是变形体变形的主要诱因，后期水库不宜水位骤降运行。

（6）持续对HP1、HP2 变形体的现场变形监测，完善变形监测体系，升级监测系统为自动化监测，及时了解掌握变形体变形情况。

（7）针对可能的重大自然灾害、库水位骤降引起的变形体发生突发变形情况时，做好相应的工程安全防护应急预案。