水电站蓄水期库岸变形的不同维度特征及预测★

石继忠

(浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 310014)

1 概述

水利工程的安全运行关乎国计民生。水库蓄水后,涉水条件下的库岸周边岩体的渗流场、应力场等在水动力条件作用下发生改变，可能导致坝踵、坝身开裂破坏，也可能诱发库岸坍塌、崩塌、岩体蠕变、滑坡等。在水库蓄水期发生库岸变形的工程案例在国内外均有。如法国1954年建成的Malpasset拱坝(坝高66 m)在1959年由于坝基岩体非均匀大变形而溃坝，导致300亿法郎的财产损失；意大利1959年建成的Vajont拱坝(最大坝高263 m)在1963年由于近坝库区2亿多立方米滑坡引起的库水越坝失事，摧毁了Longarone市等地[1-2]。在国内，1961年开始蓄水的柘溪水库和1977年开始蓄水的凤滩水库在蓄水初期分别有30和20余处库岸变形[3]；三峡库区的树坪滑坡在水位下降时变形加剧，三门洞滑坡受库水位升降影响呈现阶跃状蠕变变形状态[4-5]；拉西瓦水电站的果卜岸坡的变形与蓄水过程相关，近120 Mm3～150 Mm3的滑坡体存在潜在高风险，发展趋势尚在研究中[6]。

可见，水电站库岸变形的合理预测和有效防护是非常关键的。因此，本文在开展库岸变形的监测与防护分析的基础上，研究了水平方向的谷幅变形、垂直方向的库盘变形以及典型的离散滑坡体三个方面的库岸变形的预测方法，重点分析了离散滑坡体的涌浪问题的预测方法，旨在为拟建、在建水电站的安全监测与防护管理提供参考借鉴。

2 水电站蓄水期的库岸变形问题特征

库岸变形研究的主要手段监测，采用多方位、多种类的监测仪器及计算方法进行库岸变形危害防控和预警。在变形监测时，全站仪、应力应变计和GPS定位应用广泛[7-8]，同时三维激光扫描、分布式光纤感测[9-10]等非接触式新型测试技术也被应用于实践。

2.1 不同蓄水期的水电站库岸变形特征

库岸变形在水电站蓄水初期和蓄水运行期均有研究。在蓄水初期，库岸变形主要在分级增蓄库水位的条件下观测。尹云坤等[11]分析了2008年—2011年间，小湾水电站以1 037.69 m，1 160.00 m，1 181.91 m，1 240.00 m分段蓄水特征库水位的条件下，库岸变形以坍塌型为主，指出牵引式逐级失稳型的近坝库岸变形体尚不影响坝体安全。杨弘等[12]分析了2012年—2014年间，锦屏一级水电站以1 700 m，1 800 m，1 840 m，1 880 m分段蓄水特征库水位的条件下，左岸边坡变形与蓄水过程无明显相关性，而近坝库岸三滩右岸变形体受蓄水过程影响明显且存在整体失稳风险。在蓄水运行期，库水位的往复涨落是诱发库岸变形的主要因素之一。杨静熙等[13]对比了锦屏一级水电站正常蓄水期与蓄水初期的库岸变形规律，指出蓄水初期和运行期的新增变形数量相当，蓄水初期是库岸变形的主要发育期。综上可见，近坝区变形体和枢纽区边坡是库岸变形监测的关键部位。

2.2 典型工程的库岸变形问题特征分析

典型工程的库岸变形问题分析，有助于为本体和同类型水电站的库岸防护提供决策参考依据。下面就蓄水期库岸离散滑坡体涌浪、高拱坝的库盘和谷幅变形问题进行特征分析。

针对近库岸变形体滑坡及其次生涌浪的研究，有助于对存在或者潜在的危害开展针对性防控和预警。近库岸滑坡涌浪以滑坡体入水处为中心，向周界快速传播，受滑坡体、河型等的综合影响。已建的工程中，柘溪水电站的唐家溪滑坡体[14]，长江三峡水电站的龚家方、红岩子滑坡体[15]，黄河龙羊峡水电站的近坝库岸南岸[16]，澜沧江小湾水电站的西密滑坡[17]等，均存在或者潜在引发次生涌浪危害。近期，黄河已建工程的拉西瓦水电站的果卜岸坡滑坡体，雅砻江在建工程卡拉水电站的田三滑坡[18]均针对性地开展了涌浪危害预测。

关于库盘变形和谷幅变形，在超静定结构的高拱坝中的变形近年来备受关注。

库盘变形主要由库水荷载作用下的坝前、后沉降差异引起，以坝基向上游转动，坝体向上游倾倒变形表现特征。库盘变形有沉降和抬升两种类型。在我国的小湾和溪洛渡等水电站中表现为沉降。其中，小湾水电站2008年—2012年的实测资料分析表明其沉降变形和平面变形最大值分别达35 mm和11.37 mm，翘曲角度与库水位和高程的变化分别呈正相关和负相关关系[19]；溪洛渡水电站在蓄水初期的右岸沉降大于左岸[20]。谷幅变形指沿横河向，采用水库两岸山体等高程对称点相对距离变化表征的变形，可通过布置谷幅测线监测计量。

谷幅变形包括扩张和收缩两种模式，在我国的锦屏一级和溪洛渡水电站中表现为收缩变形，且其对溪洛渡水电站的影响被重点关注。其中，锦屏一级水电站的大坝下游侧谷幅测线以2014年9月27日为参照，从第一蓄水阶段到第四蓄水阶段变化量由-12.92 mm减小至-1.70 mm，变化渐小但尚未收敛；溪洛渡水电站的上下游谷幅测线从2012年12月～2018年4月间的累计收缩量为66.36 m～87.31 mm且尚未完全收敛[21]。

3 库岸变形问题的特征预测

库岸变形的预测是在监测的基础上，采用理论计算方法或者数值模拟技术进行库岸变形预测分析。库岸变形计算理论涉及有限元强度折减法，通常采用的分析软件包括Geo-studio[22],FLAC3D,Modflow-3D软件等。在蓄水期库岸滑坡涌浪问题的特征预测时，需要与水动力软件耦合计算；在开展高拱坝的库盘、谷幅变形问题特征预测时，需要深层次的地勘监测成果和大比尺的模拟计算分析。与此同时，通过开展物理模型试验研究对库岸变形的运动特征及变化走向，也是行之有效的方法，库岸变形的预测为库岸变形危害防控和预警提供了有力支撑。

3.1 典型离散滑坡体稳定性预测

田野等[23]以三峡库区的八字门滑坡体为研究对象，通过数值模拟研究指出该滑坡体的滑坡稳定性系数在岩土体渗透系数一定时，与库水位上升和下降速率分别成负相关和正相关关系的特征。刘佳宾等[24]以小浪底库区大柿树滑坡为例，分析了大柿树滑坡体为水泉头古滑坡的复活体,其破坏形式以牵引式蠕滑为主,根据刚体极限平衡法采用Geo-studio程序预测分析其在天然工况、暴雨及库水位骤降情况下仍能保持稳定状态，但库水位涨落、降雨渗水和地下水及地下岩体活动的影响都会促使滑坡进一步发展，同时其发展呈“阶跃式”变形，在雨季库水位变化频繁时变形更为明显。

近库岸滑坡涌浪的分析与计算是近库岸变形体滑坡预测的主要内容，涉及滑坡体的生成传播过程，包括下落速度、涌浪高度等关键指标。陈小婷等[25]基于上述参数，采用PIV技术对滑坡涌浪进行了两相运动分析，该技术突破了传统的有限点监测技术的限制，从能量关系方面推断了水体的动态变化趋势；牟萍等[26]通过建立滑坡涌浪三维物理模型，测定了在滑坡涌浪下三峡库区船舶航行的安全阀值，指出了相对安全的航行区域；田野等[27]研究了涌浪对库区内桥墩的冲击压力，分析了滑坡方量及涌浪高度对桥墩的冲击波效应，指出冲击波效应不是单独的孤立波叠加，而是基于多元线性回归分析法得出的最大冲击波计算公式。

综上可见，典型滑坡体一般能够建立较为完善的预测模型，其分析手段一般采用数值模拟和工程地质分析法相结合的手段进行分析，同时能够运用模型试验进行模拟分析，手段较为成熟、多元化，预测准确率高，能够较好的判定滑坡体的稳定程度，同时也突破了单独的针对滑坡体自身的研究分析，也逐步拓展到了其影响区域水体中构筑物的研究，为水电站库区内交通运行、桥墩稳定分析提供了有力参考，滑坡体的防控预测更加全面。

3.2 垂直方向库盘变形的预测

库盘变形的影响主要表现为以坝体为轴库盘上倾下翘，是河道区域内垂直方向的一种大范围变形，主要发生在蓄水过程阶段，受水体重力和水位变化影响较大，其发展将影响坝体的整体安全稳定。吴邦彬、张奎等[28-29]针对不同类型河道概化库盘模型，进行了直线型河道、分叉型河道、突扩型河道、拐弯型河道与大坝安全稳定的敏感性分析，指出来流流量变化至坝体的距离，水位变化是影响库盘变形和坝体变形的显著因素；张礼兵等以小湾水电站为例，采用有限元分析计算出库盘最大翘曲角度位于河床中部，库盘翘曲角度与库水位呈正相关关系，而与库盘高程呈负相关关系，同时指出库盘变形受水体分布影响，蓄水后库盘变形在平面上呈坝上游朝右岸下游、下游朝左岸上游的“右旋”状态。张礼兵等[30]就高拱坝库盘变形的监测技术进行了研究拓展，同时也指出了现阶段库盘变形监测的不足。

综上可见，库盘变形是通过水体变化使坝体或库盘产生变形的一种时效变形，大范围影响坝体的稳定安全，现阶段主要的预测防控在于库盘变形对坝体安全稳定的影响和作用机理。但就目前的监测预测技术来讲，仍有一定的局限，受库区淹没状态影响，监测仪器在河床位置布置较少或者未布置，导致监测的范围和深度都有一定的不足，库盘变形的预测防控有待进一步的加深和拓展新的思路。

3.3 水平方向谷幅变形的预测

谷幅变形是库区岸坡在水平方向的一种时效变形，包括弹性变形和塑性变形，谷幅变形主要是由蓄水后渗流场改变，库岸边坡的水位线变化，岩体应力重新稳定的过程导致的变形，程恒等[31]分析认为库盘水压面载引起的变形分量、库水位滞后效应分量以及气温分量对谷幅变形影响较小，多数为时变效应；谷幅变形表现形式有河谷收缩、岸坡扩张，何柱等[32]以溪洛渡水电站为例，就溪洛渡电站持续的谷幅收缩变形进行反演分析，预测蓄水后长期的谷幅变形趋势和对坝体的影响，得出蓄水10年后趋于稳定；任青文等[33]考虑岩体在非饱和状态下渗流和应力耦合作用，建立非饱和岩体模型，预测了岩体从非饱和状态至饱和渗流的演变过程，得出饱和度与谷幅变形程度相关性的发展规律。

综上可见，谷幅变形的形成机制及其与坝体性态的相关性分析是目前预测的重要内容。通过现有的监测资料进行反演谷幅变形发展规律，并判断其能否收敛，但谷幅变形是一个长期耦合作用的产物，目前的监测手段和关注程度仍有待提高，对高拱坝的谷幅变形监测需尽快开展。

4 结语

目前，随着高坝库岸变形监测技术的发展，防护方法也在不断健全，对近库岸变形体滑坡及其次生涌浪危害机制，以及高拱坝库盘和谷幅变形特征认识的不断深入，相应的预测方法被不断发展，但仍有很大的空间深入研究岸坡变形的机理和防控预测。

1)离散滑坡体的危害预测分析手段成熟，但离散滑坡体的影响范围仍局限于滑坡体本身，应加强对滑坡体影响范围内构筑物的影响分析，特别在大型水库区域规划安全区域，拓展研究范围有利于进一步进行水利工程安全预控。

2)库盘变形和谷幅变形成因多为固液两相耦合作用，对其预测多基于监测成果的反演分析，但仍缺少规范化的监测手段和预测方法，监测手段仍有待提高和创新，特别是高拱坝的库盘变形和谷幅变形预测是现阶段高拱坝安全防控亟待解决的课题。