白鹤滩坝肩边坡施工期变形规律与控制因素分析

谭尧升，陈文夫，王克祥，罗贯军，徐李达，荣 冠

（1.中国长江三峡集团有限公司，北京100038；2.中国三峡建工（集团）有限公司，成都610041；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072）

0 引言

水利工程边坡开挖支护施工和蓄水后的稳定历来是工程设计和建设过程中高度重视的问题。在高边坡稳定性分析中，有许多学者进行了深入研究和论述［1-3］。黄润秋等［4］提出了复杂岩体中高陡斜坡稳定性研究的主体技术路线：力学环境条件的研究、变形破坏机制研究、稳定性计算分析评价、失稳破坏的空间预测及时间预报、整治处理的最优化政策。胡高社等［5］在分析影响排土场高边坡稳定性的各主要因素中，认为坡体的几何形态特征起主导作用，水起辅助作用。宋胜武等［6］结合西南地区岩石边坡的工程实践，整理边坡工程科研成果，总结和分析了边坡工程的主要技术特点和关键技术问题，并提出边坡工程研究思路和研究内容。杨金旺等［7］提出降强法与倾斜抬升超载法相结合的地质力学模型综合的试验方法，得出白鹤滩左岸边坡稳定安全的控制性结构面为层间错动带C3-1及其上盘岩体内的软弱结构面，验证了对层内错动带LS337加固措施的有效性。黄达等［8］在现场地质调查的基础上，分析了锦屏一级水电站与坝区右岸高位边坡危岩体的失稳破坏模式，进行了危岩体稳定状态的分类，提出了相应的稳定性计算方法。

白鹤滩水电站坝址区地质构造条件复杂，岩体卸荷作用较强，且发育有断层、错动带、深部裂缝等软弱结构面［9-11］。在施工期，人为活动会破坏两岸高陡边坡的稳定性，影响大坝长期安全稳定运行。本文结合监测资料对白鹤滩水电站施工期边坡的变形机理及其控制因素进行了分析，基于三维有限元模型采用FLAC3D软件对边坡开挖和支护以及筑坝全过程进行数值模拟，在以监测资料验证计算成果合理性的基础上，综合分析了施工期各阶段边坡的变形规律。通过本文的研究，阐明了白鹤滩水电站施工期坝肩边坡变形规律及其控制因素，以期为蓄水后的边坡变形规律分析提供借鉴和参考。

1 工程地质概况

白鹤滩坝区谷坡左岸相对较缓，右岸陡峻，河谷呈不对称的“V”字型。两岸边坡地层以二叠系上统峨眉山组玄武岩（P2β）及三叠系下统飞仙关组（T1f）砂、泥岩为主，地层呈现假整合接触的模式，第四系松散堆积物基本上分布于河床坡地，堆积严密。且地层主要以上更新统（Q3pl）碎石混合土层和全新统（Q4）松散堆积层为主［12］。

坝址区主要断层有F14、F16、F17、F18、F19、F20，左右岸断层分布规律大体一致，其走向约为N50°～70°W。左岸边坡主要包含有层间错动带C3、C3-1，右岸主要分布着C3、C3-1、C4、C5、C6、C7、C8、C9及C10等层间错动带。层内错动带主要包括左岸的LS331、LS3318、LS3319、LS342、LS423以及右岸的RS331、RS336、RS337等。该区域中原生裂隙主要发育在地层二叠系上统峨眉山组玄武岩（P2β）内；卸荷裂隙主要分布在左岸边坡岩体中，右岸发育相对较少；坝址区域主要以构造裂隙为主［13-15］。

左岸岩体风化水平深度普遍大于右岸，左岸弱风化上带下限水平深度和垂直深度分别为9～75 m、10～100 m；而右岸弱风化上带下限水平和垂直深度则分别为6～56 m、9～88 m；左岸弱风化下带下限水平与垂直深度分别为6～56 m、9～88 m；而右岸弱风化下带下限水平和垂直深度则分别为27～115 m、31～129 m。左岸边坡强卸荷带下限水平深度一般0～109 m，弱卸荷带下限水平深度27～150 m；右岸强卸荷带下限水平深度一般0～70 m，弱卸荷带下限水平深度一般20～111 m。两岸的地应力水平主要为低～中等，两岸应力量值基本相当，个别平硐局部存在片帮等弱岩爆现象。

2 边坡施工期变形机理简析

2.1 左岸坝肩边坡变形机理简析

拱肩槽上游侧边坡为斜逆向坡，岩体卸荷不强，边坡稳定条件较好；下游侧边坡为顺向坡，结构面对边坡稳定影响大，且风化卸荷较深，边坡稳定条件差［16］。左岸坝肩下游边坡主要地质构造及表观测点位移矢量图见图1，典型地质剖面图（Ⅰ-Ⅰ断面）见图2，内观仪器布置图（局部）见图3。由于测点垂直位移相对较小，故不再赘述。各表观测点水平位移时间曲线图见图4。

图1 左岸边坡各表观测点位移矢量分布图Fig.1 Horizontal displacement of each measuring point on the left bank slope

图2 Ⅰ-Ⅰ断面地质剖面图Fig.2 Ⅰ-Ⅰsection geological profile

图3 内观仪器布置图（局部）Fig.3 Interior instruments layout（local）

图4 左岸坝肩下游边坡各表观点水平位移过程曲线图Fig.4 Horizontal displacement process curve of the downstream slope of the left bank abutment

2.1.1 800 m高程以上边坡

该区段内主要发育有层内错动带LS423和NNW 向断层f107、f108，可能的滑动破坏模式是以上述断层为上缘切割面，以层内错动带LS423为底滑面所组成的楔形体滑动。该区域布置有3个外观测点，由图1 可见靠近拱肩槽区域断层分布密集且受层内错动带LS423环切，加之该部位三面临空，致使包含TPZBJ-1 测点在内的局部区域在施工期变形较大，远离拱肩槽端受软弱结构面切割影响逐渐减小，相应的TPZBJ-6 和TPZBJ-11 两测点的位移量也逐渐减小。锚索测力计和锚杆应力计测值较安装初始值变化不大，边坡整体稳定。

2.1.2 800～720 m高程边坡

该区段主要发育有层间错动带C3、C3-1和NWW 向的F14断层。F14断层远离拱肩槽，其与f108断层以及缓倾角的层间错动带构成的块体体量大，抗滑稳定性相对可靠，由图1也可看出该区段内边坡表观测点水平位移值较小。四点式变位计，以MZBJ-1和MZBJ-4为例（仪器分布位置见图3，测值分布图见图5，2020年12月测值）表明浅层尤其在孔口端位移较大，深部位移相对较小。据此可判断该区段边坡变形主要是由于该区域地应力较高，岩土体在开挖后产生的卸荷变形。

图5 左岸坝肩下游边坡四点式变位计测值分布图Fig.5 Four-point displacement meter distribution of the downstream slope of the left bank abutment

2.1.3 720 m以下高程边坡

该区段主要发育有层内错动带LS3323、LS3319、LS3318、LS331，NNE 向的F17以及NWW 向的F14、F16断层。上述错动带可单独或组合形成底滑面，以F17为上缘切割面构成可能的滑动块体。由于该区段地质构造复杂且在高程670 m以下出露P2β33层第一类柱状节理玄武岩，加之施工干扰，对边坡稳定十分不利。由图1也可看出该区段内边坡表观测点水平位移值相对较大。以TPZBJ-5（EL.634 m）为例（见图4），在测点安装后，随着开挖工作的快速进行，测点水平位移值大幅增长，且在开挖支护完成后依然有相当程度的增幅。该区域内锚索测力计均未出现加载。四点式变位计，以MZBJ-2 和MZBJ-3 为例（见图5，2020年12月测值）测点在近孔口端位移较大，深部位移相对较小。总体表明该区段内受F17断层割裂作用并不明显，变形主要源于开挖支护后的卸荷反弹，由于该区域赋存P2β33层第一类柱状节理玄武岩，其卸荷深度较深。

测斜孔CX09用于监测层内错动带LS3319和LS331的变形，其横河向（A 向）深部位移随深度变化曲线见图6，深部位移受LS331层内错动带运动作用明显，在该错动带以上4 m 范围内横向错动近8 mm，以下2 m 范围内横向错动近13 mm，测斜孔口以下37 m 范围内横向累积位移随深度变化均匀无突变，表明下部岩体横向变形稳定。

图6 CX09测斜孔深部位移曲线图Fig.6 Deep displacement curve of CX09 inclination hole

2.2 右岸坝肩边坡变形机理简析

右岸坝肩坝顶以上边坡最大开挖边坡高度约370 m，地层、错动带均缓倾坡内，边坡为缓倾角的逆向坡。边坡断层主要发育有F16、F18、F19、F20，都为NW 向，基本为陡倾角。右岸坝肩边坡外观测点水平合位移如图7所示。典型断面（Ⅱ-Ⅱ断面）地质剖面图见图8。

图7 右岸边坡各表观测点水平合位移矢量分布图Fig.7 Horizontal displacement of all table observation points on the right bank slope

图8 Ⅱ-Ⅱ断面地质剖面图Fig.8 Ⅱ-Ⅱsection geological profile

2.2.1 980 m高程以上边坡分析

980 m 高程以上边坡分布有C8、C9、C10等层间错动带，加之F19、F20断层近乎垂向切割，在边坡临空面区域形成了大小不一的潜在楔形滑移体。该区域外观测点水平位移较大值位于1 070 m 高程马道上，最值出现在TPbj3-2测点，水平位移值达64.4 mm。

2.2.2 980～834 m高程边坡分析

980～834 m 高程边坡区域主要分布有C6、C7层间错动带和RS621、RS612等层内错动带，834 m 高程平台下部发育有C4、RS611等层间和层内错动带，地质构造较为复杂。该区域边坡实景图见图9。

图9 980～834 m高程边坡实景图Fig.9 Real view of slope at 980～834 m elevation

外观测点水平位移观测数据显示，该区域边坡整体表现为随高程的降低水平合位移值越大。水平合位移较大值集中在834 m 平台处，最大水平合位移为54.3 mm。该区域边坡从布设监测设备以来垂直位移方向为铅垂向上且有继续增加的趋势，垂直位移最大值为14.7 mm。表观位移的变化规律表明原始边坡开挖后的卸荷松弛较为明显。该区域上部锚索测力计多表现为卸荷，而底部近834 m高程的锚索多表现为加载，结合该区域地层、错动带均缓倾坡内的特点可以判断卸荷机理为缓倾角的层间错动带发生剪切错动，坡内陡倾角的断层或原生裂隙被拉开，从而地应力释放。该区域内多点变位计的测值也验证了这种卸荷变形机理。以Ⅱ-Ⅱ断面865 m 高程的Mrbj4-2和Ⅲ-Ⅲ断面864 m 高程的Mrbj1-2为例，多点变位计各测点位移量分别见图10 和图11。多点变位计均表明在靠近坡内断层附近的测点横河向位移值较大，而断层两侧的位移值随离断层距离增大而减小，所以断层处具有拉开的趋势。

图10 多点变位计Mrbj4-2测点位移图Fig.10 Displacement diagram of Mrbj4-2 measuring point of multipoint displacement meter

图11 多点变位计Mrbj1-2测点位移图Fig.11 Displacement diagram of Mrbj1-2 measuring point of multipoint displacement meter

2.2.3 834 m高程以下边坡

右岸坝肩834 m高程以下边坡因拱间槽的开挖使得近槽区域呈稳定性较差的顺向坡，潜在破坏机理与左岸坝肩下游侧边坡类似，该区域实景见图12。外观测点监测数据表明水平合位移较大的部位集中在拱间槽下游附近TPrbjp-1和TPrbjp3-1。锚索测力计显示加载的部位主要集中在771.2～830.6 m高程区域，水平位移较大处附近的锚索测力计多为加载状态。

图12 右岸坝肩834 m高程以下边坡实景图Fig.12 The view of slope below 834 m elevation of right bank abutment

3 有限差分数值计算

3.1 三维数值模型

采用ANSYS建立坝区有限元数值模型，并导入有限差分程序Flac3D 中。模型X方向为横河向，范围为2 500 m；Y方向为顺河流方向，范围为2 300 m；Z方向以沿着高程竖直向上，底部高程为-100 m。模型里地层包括Ⅱ类、Ⅲ1类、Ⅲ2类、Ⅳ类岩体；断层主要有F14、F16、F17、F18、F19、F20等，错动带包括层间错动带（C2、C3、C3-1、C4、C5、C6，C7、C8、C9、C10）及层内错动带（LS331、LS337、LS3318、LS3319、RS331、RS336）。模型包含195 992 个节点，1 073 444个单元，模型示意图见图13。

图13 计算模型示意图Fig.13 Geometric model schematic diagram

3.2 边界条件与地应力场

在Flac3D 程序设置边界约束条件时，由于所选范围四周均位于山体中横河向（X向）、顺河向（Y向）施加法向约束。模型的上边界为自由无约束边界，在底部Z=-100 m 处采用全约束。采用弹性本构模型，忽略材料本身的塑性变形，将体积模量和剪切模量设置为最大值，然后在仅考虑自重的条件下进行求解生成初始地应力。

3.3 本构模型与计算参数

本构模型为各向同性弹塑性模型，采用Mohr-Coulomb 准则。岩体及结构面相关参数取值如表1所示。

表1 白鹤滩水电站各材料参数取值一览表Tab.1 List of material parameters of Baihetan Hydropower Station

3.4 数值模拟过程

右岸共分为12 个开挖步，左岸分为9 个开挖步。本次支护模拟主要进行了坝轴线上游约200 m、下游约400 m范围内的支护，在所选范围内总计采用了93 603 根锚杆，6 448 根锚索，模拟时按照“开挖一步，支护上一步”的原则进行支护布置。由于开挖支护步相对较多，故分别选取右岸开挖至920 m、左岸开挖至914 m 高程（阶段1）；右岸开挖至834 m 高程、左岸开挖至774 m 高程（阶段2）；左右岸全部开挖完成（阶段3）这3 个施工关键阶段步骤进行分析。

4 数值模拟成果分析

4.1 数值计算结果验证

左岸边坡表观测点表明左岸边坡累计水平合位移为0.83～81.76 mm，累计垂直位移为-1.81～21.14 mm。数值模拟位移云图显示左岸水平位移在5～20 mm，竖向位移在5～30 mm。右侧边坡表观测点表明累计水平合位移为8.70～77.90 mm，累计垂直位移为-14.00～66.60 mm。数值模拟位移云图显示右岸边坡水平位移值在0～30 mm，竖向位移在-20～20 mm。各阶段数值模拟云图整体位移分布和典型剖面的位移变化规律与实测数据反映的规律是吻合的。

为进一步验证数值模拟计算结果的可靠性，取特征监测点TPzbj-1、TPzbj-5、TPzbj-6、TPzbj-8 等4 个测点进行数值模拟计算复核分析，并且对模拟开挖支护过程的计算值和实测位移进行对比。分析比对情况见图14。模拟开挖支护过程的计算值和实测位移相比，绝大部分测点的差值均小于5 mm，数值模拟结果与监测数据所反映的位移时序过程线相似度较高，表明数值模拟结果是可靠的。

图14 数值模拟与监测资料横向位移对比分析图Fig.14 Comparison analysis diagram of lateral displacement between numerical simulation and monitoring data

误差来源主要有3个方面，其一是在进行支护加固时，简化了锚固方式，忽略了坡面喷锚支护及挂网喷C25混凝土的效能，其二是测点和内观仪器的布设是在开挖支护后才完成的，监测存在一定的滞后性，不能完整记录开始开挖卸荷和支护过程中的边坡变形，所以监测数据不能完全反映位移及应力应变的变化规律，表现为计算值普遍大于监测值。最后，在三维模型的构建和地质结构材料参数取定等方面所作的简化。

4.2 施工期开挖支护过程边坡变形分析

4.2.1 阶段1位移分析

该阶段左岸开挖程度较低，故仅分析右岸位移变化规律，右岸边坡总位移云图见图15。云图显示位移较大的区域位于920 m 马道附近，总位移约为27 mm，位移变化与层内错动带C6、C7的出露关系密切，在软弱地质结构出露部位，位移变化明显。在右岸开挖至920 m高程时，随着C6层内错动带的出露，该马道转角处上部的卸重最大，卸荷反弹程度也最大。

图15 阶段1右岸边坡总位移云图Fig.15 Total displacement cloud map of right bank slope

4.2.2 阶段2位移分析

为直观了解表观、浅部和深部位移的分布规律，给出了该阶段的总位移云图和典型断面Ⅰ-Ⅰ的垂直位移云图，分别见图16 和图17。总位移较大区域主要出现在左岸，最大值约为44 mm。左岸为顺层边坡，层间和层内错动带等软弱地质构造对变形的影响较大，云图显示在层间错动带分布区域位移变化明显，尤其在坡面出露的部位附近，对边坡的位移影响更为显著。右岸的垂向（向上）反弹位移明显大于左岸，最大垂向位移约为41 mm。右岸边坡相对陡峭，垂向反弹位移在水平方向渐变趋势明显。

图16 阶段2总位移云图Fig.16 Total displacement cloud map of stage 2

图17 Ⅰ-Ⅰ断面垂向位移云图Fig.17 Ⅰ-Ⅰsection vertical displacement cloud map

4.2.3 阶段3位移分析

完全开挖后的横河向位移云图见图18，仿真结果表明开挖后的拱肩槽底部附近的位移值较大，左岸最大位移大约为40 mm，右岸最大位移大约为26 mm，方向均指向河内。左岸横河向位移分布规律与上文提到的左岸F17断层，LS331、LS3319等层内错动带等出露有关，右岸横河向位移变化与拱间槽区域开挖成顺层边坡相印证。Ⅰ-Ⅰ断面横河向云图见图19，左岸边坡在F17断层下部的位移较大，这与其以F17断层为后缘切割面沿层间、层内错动带滑移的变形机理相契合。上部位移与错动带分布的位置关系密切，与监测资料反映的规律吻合。

图18 完全开挖后横河向位移云图Fig.18 Horizontal displacement after complete excavation

图19 完全开挖后Ⅰ-Ⅰ断面横河向位移云图Fig.19 Ⅰ-Ⅰhorizontal displacement after complete excavation

右岸边坡云图显示断层和错动带的分布对于位移变化影响较大，F19和F20断层分布区域位移变化幅度大，表明断层部位被拉开，C8、C6、C5层间错动带出露区域，横河向位移变化显著，均与多点变位计、表观测点等仪器的监测数据反映的规律一致。

在完全开挖并支护后，两岸临空面区域大多在应力调整中出现过受拉态，断层、错动带等软弱结构多表现为受剪，这也表明软弱结构面在开挖和支护过程中对边坡变形起到了一定的控制作用。完全开挖后边坡塑性区分布图见图20。

图20 完全开挖后边坡塑性区分布图Fig.20 Plastic distribution of slope after excavation

4.3 施工期筑坝过程边坡变形分析

筑坝过程数值模拟将拱坝的浇筑过程概化为8 个施工步：大坝浇筑至580、610、640、680、720、760、800、834 m。下面介绍筑坝至610、720 m 和筑坝完成3 个阶段的位移变化规律，几个阶段的位移云图见图21。

图21 筑坝各阶段大坝及周围边坡总位移云图Fig.21 The total displacement of the dam and its surrounding slope at each stage of damming

大坝浇筑至610 m高程时，在坝基、大坝上游河谷及下游水垫塘二道坝附近的位移值较大，最大位移不超过18 mm；大坝浇筑至720 m 高程时，位移变化依然在河床中心区域最大而向周边辐射，位移最大值出现在坝基处，大约为21 mm；在大坝浇筑完成后，位移较大区域集中在坝基河床段，最大值约为25 mm，大部分区域位移值均在10 mm以内。

5 结论

本文通过数值模拟和现场监测资料对比分析，对白鹤滩水电站坝区施工期边坡变形规律进行了研究，主要结论如下。

（1）左岸拱肩槽下游侧720 m 高程以上区域边坡变形主要受C3、C3-1等层间错动带控制，横河向位移主要来源于岩土体的卸荷变形，且多表现为浅表层位移量大深部位移小。720 m 高程以下区域的边坡变形主要受F17断层和LS331、LS3323、LS3318、LS3319等层内错动带联合控制，尤其在670 m 高程以下赋存P2β33层第一类柱状节理玄武岩，受施工影响大，卸荷深度较深，上文分析表明施工和支护过程并未出现明显的以F17断层为后缘切割面和以层内错动带为底滑面的滑动破坏，边坡位移主要来源于卸荷变形。

（2）右岸980 m 高程以上边坡变形较大的部位位于1 070 m高程马道附近，潜在滑移体易沿着C8、C9等错动带发生失稳破坏。980～834 m 高程边坡变形较大的部位位于834 m 高程马道附近，变形机理为下部缓倾角的C4、RS612等错动带发生剪切错动，坡内陡倾角的断层或原生裂隙被拉开。834 m 高程以下边坡变形较大的部位集中在被开挖成顺向坡的拱肩槽附近，潜在破坏机理与左岸坝肩下游侧边坡类似。

（3）数值模拟结果显示，边坡初始开挖，边坡坡面以卸荷回弹为主，呈现以开挖坡面位移最大值为中心，向周边岩体以辐射状扩散，距离中心越远，回弹位移越小。筑坝过程中，变形较大区域主要集中在坝基河床段，随着筑坝高程的增加河床附近区域位移逐渐增大并且呈现向外辐射的分布规律，左右两岸边坡变形基本表现为对称分布。

（4）边坡开挖卸荷以后，断层和裂隙切割以及层间和层内错动带的发育对于边坡稳定性有较大影响，在局部区域错动带的出露为变形的主要控制因素。就测值和数值模拟成果而言，施工期及开挖完成后边坡整体稳定，其开挖和支护设计是合理的。

本文仅就施工期边坡稳定性给出了监测资料分析、模拟计算的成果和稳定性评价，对于蓄水后的边坡长期稳定性有待后期作进一步的跟进研究。□