拉西瓦水电站果卜边坡变形机制浅析

黄战库

拉西瓦水电站果卜边坡变形机制浅析

黄战库

（陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局水电总站，陕西杨凌712100）

本文结合拉西瓦水电站果卜地段边坡地质概况，在分析变形过程与蓄水相关性的基础上，对边坡变形的机理进行分析，确定其变形的根源，探讨果卜边坡变形机制，以期为类似研究提供借鉴。

果卜边坡；变形失效；变形机制

现代水库在蓄水及运行的过程中，滑坡、塌岸等地质灾害往往受到库岸斜坡水文地质、环境地质条件的变化，特是由库水位下降所引起的动水压力及波浪对岸坡的淘刷磨蚀等作用的影响，相应的灾害也往往伴随着相应发生[1]。如1963年意大利瓦伊昂水库滑坡失事就是一个较为惨重的水库滑坡失事事件，直接造成造成2000余人死亡，甚至毁灭了一个村庄[2]。2003我国湖北省秭归县沙镇溪镇也发生库岸滑坡事故，左岸的千将坪滑坡高速滑入青干河中，激起近30 m浪石，同时造成巨大的经济损失。因此，库岸稳定以及一系列的相关问题是水电工程建设和运行过程中一个重点关注的工程地质问题[3-5]。

1 工程概况

拉西瓦水电站果卜地段边坡位于右岸坝前，距大坝1 km左右，由于特殊的地质构造，是目前工程上公认的难题之一。果卜岸坡地段均为印支期花岗岩，有4组结构面在岸坡形成过程及后期对边坡变形破坏起主要控制作用：①走向NE30°、倾NW（岸外）、倾角60°～80°；②走向NNW～SN、倾NE～E（岸内），倾角60°～70°；③走向NE30°～60°，倾NW（岸外），倾角40°左右；④走向NE30°～NW340°，倾SE～SW（岸内），倾角20°～35°。

果卜岸坡运行监测资料表明，岸坡在水库蓄水和运行过程中产生巨大变形，直接威胁到水库的安全运行。果卜岸坡稳定成为一个重要的工程问题。开展对果卜岸坡变形触发因素与破坏机制的分析为工程处理方案的确定以及施工期与运行期的安全评价，提供可靠的科研依据，保障拉西瓦水电站的正常施工和运行具有重大意义。

2 边坡变形监测资料分析

水库蓄水后，浸水部分岩体弱化效应（包含水渗透荷载作用），导致浸水岩体在自重及上部岩体的压重作用下变形增大；引起库岸边坡位移变化，水位及各测点位移变化如图1所示和水位及各测点变形速率变化图2所示。

图1 水位及各测点位移变化

图2 水位及各测点变形速率变化

从图中可以看出，边坡变形速率和蓄水过程相关性非常显著。蓄水初期，水位上升快，边坡变形速率也大。水位下降，变形速率也迅速下降。蓄水后期，水位抬升缓慢，边坡变形速率也逐渐减小并趋于稳定。边坡中部的测点，由于布置时间较晚，所以测得的变形量值较小。TP3-3布置于2011年3月18日，TP4-7布置于2011年5月29日。如果仅考虑蓄水至2011年5月29日以后边坡的变形，TP3-3、TP4-7的变形比顶部LS04、LS05测点的测值还大，约为其1.6倍。中部变形约为顶部测点的60%。因此，根据变形趋势分析，边坡中部的变形应该比顶部的LS04、LS05测点的监测值要大，量值约为25 m左右。

3 边坡变形机制探讨

3.1 水库蓄水对库岸边坡影响

水库蓄水后，会引起库岸边坡的如下3种效应：（1）浸水部分岩体表观变形模量的弱化效应（包含水渗透荷载作用），导致浸水岩体在自重及上部岩体的压重作用下变形增大；（2）渗透水的作用：水很快会渗透到库岸岩体中，体现到库岸岩体上，就是渗透荷载；另外，由于空隙压力的影响，屈服准则将变为由有效应力控制。（3）库岸岩体的强度参数会降低：浸水岩体由于浸水造成强度参数降低，上部岩体由于底部浸水岩体的变形而造成岩体强度参数降低。

由上面分析可以看到，库岸边坡岩体大致可分为3个区（如图3所示）：I坡面和顶部大变形倾倒区：为由底部浸水岩体变形引起的破坏区，以强度参数降低到达破坏、大变形为主要模拟重点。该区域为散体结构区；II中部临界破坏区：该区域可假定为临界或者接近临界破坏区，以强度参数变化引起的不平衡力为主要外部增量荷载。该区域表层为散体结构，内部则为碎裂结构或者块裂结构；III底部（坡脚）浸水稳定变形区：变形参数变化、荷载变化（浸水）为主因。该区域主要为紧致的块体结构和连续的岩体结构。

图3 边坡变形模式及大致分区

基于上述分区，根据监测资料，可以总结出如下3个特征：（1）三个区无明显的界限，和岩体性质相关。（2）对I区，由于岩体由表及里逐渐变好、渗透压力由表及里逐渐降低，所以其变形模量由表及里是逐渐增大的。（3）在安全储备方面，自上而下，岩体安全性是逐渐增加的。

3.2 库岸边坡变形机制的探讨

由库岸边坡变形的监测资料趋势，基于蓄水后边坡变形速率先加速、后逐渐降低变形趋于稳定的这一客观事实，提出了上述库岸边坡的3个分区、蓄水对边坡的3种效应，以及蓄水对III浸水变形稳定区的4个效应，对果卜边坡变形机理的初步认识和理解为：

（1）III底部（坡脚）浸水区岩体在高应力的作用下，发展为含弱面和破裂面紧密堆积体；

（2）前述的水库蓄水过程将会引起III底部（坡脚）浸水区岩体有4种效应，其中前3种效应的综合效果是使III区岩体表观变形模量降低，触发边坡开始变形；

（3）由于变形协调，III区岩体变形会在II临界破坏区引起不平衡力，不平衡力作为外部增量荷载促使该区变形，由于判断II区为临界或者接近临界破坏区，II区变形量值较大；

（4）同样由于变形协调，III区和II区变形带动I区坡面和顶部发生倾倒大变形；同时蓄水也引起库岸硬岩产生倾倒效应，使I区形成一个大变形倾倒区；

（5）蓄水过程引起III底部（坡脚）浸水区岩体的第4种效应是边坡变形趋于稳定的原因。随着III区岩体剪应变增大，其剪胀增强效应使岩体表观模量/强度又有所提高，边坡变形逐步趋稳，所以将III区称为稳定变形区；

（6）由于拉西瓦逐次、缓慢蓄水，III区岩体范围在一次蓄水时增加一些，在蓄水作用和浸水软化效应下触发变形，连带II区、III区变形；又由于III区岩体的剪胀效应增强了表观模量/强度，变形又逐渐趋稳。这个过程在逐次蓄水中反复出现，使得边坡变形不断累积，岸坡顶部前缘甚至能产生接近40 m的大变形位移；又由于缓慢多次蓄水，使得每次岩体变形增加引起的不平衡力不那么大，不致边坡失稳，同时III区稳定变形区岩体体量在多次蓄水后越来越大，其剪胀增强效应能够阻止整体边坡继续变形，从而果卜边坡还能稳定。

4 结语

可以粗略地将岩土结构工程典型问题分为两类：（1）突变性的非均匀大变形和结构失稳：受强烈工程扰动后，坝址区岩体损伤加剧，损伤积累到一定程度时结构发生突变性非均匀大变形和失稳；（2）长期蠕变造成非均匀大变形：岩体损伤缓慢发展，结构蠕变始终不能收敛，长期积累形成非均匀大变形，威胁结构长期稳定性或阻碍结构发挥正常功效。

果卜岸坡的倾倒变形可以归结为非平衡演化中岩土体突变性非均匀大变形和结构失稳的问题。天然边坡在没有人工扰动的情况下，处于稳定或者临界稳定的状态，边坡可能存在长期的蠕变变形，但是变形量值小，并不显著。在受到蓄水的强烈人工扰动后，由于荷载、渗流场的变化，淹没区岩体材料的弱化和有效应力的变化，导致岩土体结构偏离原先的平衡状态，必然要向新的平衡态演化。而果卜岸坡在演化过程中，岩体损伤急剧发展，导致了边坡发生突变性非均匀大变形和局部失稳。

同时，这种演化是在外在扰动的驱动下完成，因此，必然与外界扰动有显著的相关性，故果卜边坡的变形与蓄水过程有着显著的相关性。这个阶段中，边坡的变形主要是岩土体在外界扰动下产生的变形。

因此，果卜岸坡的非均匀大变形，是天然岸坡，特别是处于临界稳定的边坡，在强烈人工扰动下，损伤急剧发展的岩土体非平衡演化的必然结果。在水位趋于稳定，即外界扰动趋于稳定的情况下，果卜岸坡将由非平衡演化的第一种情况，逐渐发展为第二种情况。由于在第一阶段中，岩土体急剧损伤破坏，材料弱化，无论是强度参数、变形参数，还是长期变形参数，都有极大弱化，这将导致边坡在外荷载稳定的情况下，发生长期的、缓慢的蠕变变形。这也与目前观测到的2 mm/d左右的边坡变形相吻合。这种变形，可能趋于收敛，边坡趋于稳定，达到新的平衡态；也可能始终不能收敛，长期积累加剧岩体损伤，在原有基础上形成更大的非均匀变形，导致岩土体失稳。

[1]黄润秋.论中国西南地区水电开发工程地质问题及其研究对策[J].地质灾害与环境保护,2002,13(1)1-4.

[2]王兰生.意大利瓦伊昂水库滑坡考察[J].中国地质灾害与防治学报, 2007,18(3)145-149.

[3]温立峰,柴军瑞,王晓.深覆盖层上面板堆石坝应力变形特性研究[J].岩土力学,2015,36(8):2386-2394.

[4]黄润秋,20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制[J].岩石力学与工程学报,2008,2(63):433-454.

[5]黄吕乾,丁恩保.边坡工程常用稳定性分析方法[J].水电站设计.1999, 3.53-5.

TV223

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1673-9000（2017）02-0120-02

2016-09-28

黄战库(1975-),男，陕西杨凌人，工程师，主要从事水利水电工程管理工作。