锦屏一级水电站运行期谷幅变形特性与影响因素分析

周 绿，刘明昌，李小顺

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；3.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

1 工程概况

锦屏一级水电站左岸边坡山体雄厚，谷坡陡峭，相对高差千余米，属典型的深切“Ⅴ”形谷，为深部裂缝发育强烈区。岩性为杂谷脑组第3段变质砂岩和板岩，岩层走向与河流流向基本一致，岸坡为反向坡，自然坡度40°～50°，地形完整性较差，呈山梁与浅沟相间的微地貌特征。坡体内的不良地质结构面有深部卸荷裂隙、f5、f8、f42-9断层、煌斑岩脉X等，这些不良地质结构面使得左岸边坡开挖后其稳定性处于不利状态。

由于锦屏坝址区两岸边坡高、陡且地质条件复杂，为了解两岸高边坡相对变形情况，及时掌握边坡的稳定性及两岸坡体变形收敛情况，设计在坝址区布设12条谷幅观测线及84条洞内测距，观测河谷及两岸坡体变形情况。

根据设计要求，在左、右两岸利用观测平洞布置谷幅观测测线。测墩间距为50 m左右(跨江段除外)，测墩位置遇重点观测区域(跨越断层、岩脉等)由现场设代指定并作适当调整。谷幅观测采用一等精度边长往返观测技术要求，将边长改平(经过仪器常数改正、温度和气压改正、倾斜改正、高程投影面改正)后进行比较，得出各期变形量；采用TM50进行观测，运行期观测频次为每月2次。平洞谷幅测线布置如图1所示。

图1 平洞谷幅测线布设示意

2 跨江谷幅历年变形统计分析

本文对跨江段谷幅运行期历年变形量进行统计，以分析运行期谷幅变形的特性、了解运行期左右岸边坡横河向变位情况，掌控谷幅的变化趋势，跨江段谷幅线运行期历年变形统计见表1。

表1 跨江段谷幅线运行期历年变形统计

从表1可知，谷幅跨江段各高程在2015年变形量较大，首次蓄水后，左岸边坡处于应力调整中；从历年来看，变形量有逐年下降的趋势，同时上游侧压缩量大于下游侧，各谷幅测线变形虽未收敛，但其变形速率有所下降，说明左岸边坡变形逐渐在逐渐减缓、逐渐趋于收敛；谷幅线高程从高到低，谷幅年变形量显示逐步减小，符合谷幅的变形的一般规律。

3 跨江谷幅监测数据回归分析

3.1 回归模型设置

由于当前河谷谷幅变化的直接诱因尚不明确，但其根本原因应主要与库水位、温度及其他作用有关[1]。利用回归模型对水库边坡变形进行研究，如杨杰等[2]对李家峡左岸边坡蓄水后变形的回归分析；郑东健等[3]对东津大坝高边坡变形的回归及预测研究，陈晓鹏等[4]对龙滩水电站高边坡变形的回归分析等。参照以上研究成果，本节为分离各因素对谷幅变化的影响大小，建立了考虑库水位、温度及其他作用的多元逐步回归模型，将谷幅变形过程按各分量进行分解，即

δ=δH+δT+δθ+d0

(1)

(2)

δT=b1T+b2T(30)+b3T(60)+b4T(90)

(3)

δθ=c1θ+c2ln(θ)

(4)

回归分析时，先将每个因子进行归一化，其中库水位因子6项，温度因子4项，其他作用因子2项，然后再进行逐步回归分析，最终得到模型的回归标准化残差正态分布，如图2所示。

图2 回归分析标准化残差正态分布

3.2 成果分析

PD21-3～PD42-2谷幅测线的回归分析结果见表2，谷幅实测累计变形值与回归分析计算结果对比见图3。从表2和图3可以看出，本文所取的回归模型能够较好地拟合谷幅测线的实测过程，经计算，实测累计变形值与回归分析结果的标准差为1.25 mm。

表2 PD42谷幅线回归分析结果

图3 PD42谷幅实测累计变形值与回归分析计算结果对比

3.2.1库水位分量分析

谷幅收缩过程逐步回归结果的库水位分量变化过程如图4所示。结果表明：运行期库水位分量对谷幅变化的影响总体偏小，库水位分量量级最大不超过3.18 mm；而且跟谷幅变形为负相关，说明随着水位的抬升，对河谷谷幅的作用表现为扩张。

图4 谷幅收缩过程逐步回归结果的库水位分量与水位的历时分布

3.2.2温度分量分析

谷幅收缩过程逐步回归结果的温度分量变化过程如图5所示。从图5可知，温度分量量级最大不超过3.87 mm；温度下降谷幅扩张，反之则收缩，这也符合温度上升时，左右岸岩体向临空向膨胀而使谷幅线收缩，而温度下降，则岩体收缩的，从而使谷幅呈扩张的规律。总之，由于坝址区气温对边坡温度场的影响范围有限，温度分量比较小。

图5 谷幅收缩过程逐步回归结果的温度分量与气温的历时分布

3.2.3其他作用分量分析

谷幅收缩过程测线其他作用的分量如图6所示。从图6可知，回归模型其他作用分量与谷幅实测相关性和过程都很接近，回归分析的结果显示其他作用分量占谷幅收缩过程的主要部分，其他作用分量是对不饱和和岩体材料遇水软化、岩体弱结构面因渗压上升发生屈服等导致的塑性变形以及其他未知因素诱发河谷变形的概化考虑，初步分析主要是施工期的累计变形和蓄水期间的变形所致。

图6 谷幅收缩过程逐步回归结果的其他作用分量历时分布

4 谷幅对比分析

4.1 谷幅点与表面变形点对比

谷幅点跨江段的端点有部分同时是地表变形测点，即该点在进行谷幅测量的同时，也进行了表面变形观测，谷幅点地表变形监测数据成果历年变形统计结果见表3。

表3 谷幅点地表变形监测数据成果历年变形统计 mm

谷幅点跨江段变形值理论上应该等于两端点Y方向变形差值，但由于是2种独立的测量手续，测量精度也不一，加之表面变形点左右岸监测所采用的工作基点是不同的，两岸工作基点相对精度不一定很高，所以2种监测成果可能有差距，但从统计成果看，差距并不大，可相互验证2种监测成果的正确性。

4.2 洞内测距与石墨杆测距对比

谷幅测线洞内段同时布置有石墨杆收敛计，以2种不同测量手段监测平洞断层、岩脉、裂隙等不利构造面的伸缩或拉伸变形，监测成果相互验证，为了验证两种监测成果符合性，将PD44和PD42两平洞2段对应测段(桩号基本一致)进行对比，如表4所示。

表4 谷幅观测与石墨杆收敛计观测历年变形成果对比 mm

从表4可以看出，谷幅洞内测段与对应的石墨杆收敛计相应测段成果变形值和变化量接近，有所差别主要原因是起始时间不一及测量精度不同所致，但二者变形趋势非常接近,说明谷幅测线和石墨杆收敛计成果均真实可靠。

4.3 谷幅跨江段与石墨杆对比

因谷幅跨江段测得为左右岸山体的相对拉伸或压缩量，根据工程特点，谷幅跨江段的变形量可以分成左岸边坡平洞内石墨杆收敛计测得变形量、左岸边坡石墨杆收敛计最深点以里的变形量和右岸边坡的变形量3部分。通过对谷幅跨江段与石墨杆收敛计洞内测距在同一时段的变化量进行对比，从而可得到左岸边坡石墨杆收敛计最深点以里的和右岸边坡的该时段的变化总量。谷幅跨江段与石墨杆收敛计从2014年(1 880 m水位)至2019年年度变形量见表5，变化量见表6。由表5、6可知，2个平洞的谷幅跨江段和石墨杆收敛计测距近5年的年度变化量相当，说明左岸边坡石墨杆收敛计最深点以里的和右岸边坡的该时段的变化总量基本上为零，对谷幅跨江段变形量无贡献，谷幅跨江段变化量来自左岸边坡平洞内石墨杆收敛计测得变化量，从而说明左岸平洞内的最深点为稳定点。

表5 谷幅跨江段与石墨杆收敛计观测变形成果对比(1 880 m水位) mm

表6 谷幅跨江段与石墨杆收敛计观测变化量成果对比(1 880 m水位) mm

为了进一步证明左岸平洞内的最深点为稳定点，对谷幅表面测点水平位移向河床方向变形与石墨杆收敛计变形进行对比，历时对比曲线见图7。从图7可以看出，由于外观测量精度的影响，谷幅表面测点向河床方向变形历时上略有波动，但整体与石墨杆收敛计吻合性较好，测值相当，说明左岸边坡表面测点向河床方向变形主要来自于左岸边坡平洞内石墨杆收敛计测得变形量。

图7 PD44平洞表面测点与石墨杆收敛计变形量对比历时曲线

综上所述，谷幅跨江段和石墨杆收敛计测距年度变化量相当，谷幅表面测点向河床方向与石墨收敛计的变形量历时曲线吻合，3种监测手段对比分析同时说明左岸1 930 m平洞内的最深点为稳定点。

5 结论与展望

本文通过对运行期跨江段谷幅进行统计分析，并将运行期跨江段谷幅变形进行逐步回归分析，主要得出以下结论：

(1)锦屏一级水电站运行期跨江段谷幅变形量有逐年下降的趋势，变形虽未收敛，但谷幅变形速率有所下降，说明左岸边坡变形逐渐减小，并逐渐趋于收敛；谷幅线高程从高到低，谷幅年变形量显示逐步减小，符合谷幅的变形的一般规律。

(2)逐步回归分析的结果显示，锦屏一级水电站运行期其他作用的分量为谷幅收缩过程的主要部分，而库水位和温度分量影响较小，谷幅线持续收缩的直接原因有待更加深入的研究。

(3)运行期谷幅跨江段、谷幅洞内测距和石墨杆收敛计相应测段成果变形值和变化量接近，二者变形趋势非常接近，近乎平行关系，说明谷幅测线和石墨杆收敛计成果均真实可靠。

(4)运行期谷幅持续的收缩变形将对拱坝形成挤压，后续可结合大坝垂线切向变形、温度场的变化进行深入研究，以深入分析谷幅收缩变形对拱坝变形状态的影响。