库水位升降下多诺水电站右岸倾倒变形体边坡演化过程研究

李天涛，李少波，郝盛蓝，裴向军

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都 610059；2.四川省地质矿产勘查开发局四〇二地质队，成都 644002））

1 引言

水电工程的运营在带来极大效益的同时，也会诱发大量的库区地质灾害，比如库岸边坡失稳破坏。位于雅砻江下游河段的锦屏水电站库区边坡在施工和蓄水阶段都发生了失稳破坏，其中锦屏一级水电站出现了水平深度高达300多米的倾倒变形体。位于澜沧江下游河段的水电站库区边坡也发育有倾倒变形现象，倾倒变形体边坡在蓄水前稳定，蓄水后变形量逐渐增大，最后整体坍塌变形（宁奕冰等，2021）。水电站库岸边坡的失稳和变形破坏对水电站的运营和周边人民的生命财产安全都造成了极大的威胁。

多诺水电站坝址位于黑河上游，距河口约50 km，距九寨沟县城约74km。电站水库正常蓄水位2 370m，死水位2 320.00m。倾倒变形体发育在近坝右岸层状顺层坡体内，具体近坝右岸边坡位置图见图1。

图1 多诺水电站近坝右岸边坡

多诺水电站右岸倾倒变形体边坡的地质原型可以概括为：发育在陡倾顺层软硬岩交互边坡上的倾倒变形体，坡表在卸荷、蓄水和地震作用下发育有裂隙，剖面分带依次为强倾倒松动破碎带、强倾倒弱松动破碎带和倾倒带，倾倒变形边坡地质模型见图2。

图2 倾倒变形体边坡地质模型

多诺水电站右岸倾倒变形体边坡从施工到水库蓄水以来变形一直未收敛，边坡持续处于蠕动变形中，坡体在“8·8”九寨沟地震中又增加几条裂隙（图3，图4），而且监测数据显示震后坡体出现了变形量异常变化和变形速率增加的现象。如果任由其发展，右岸边坡很有可能在极端情况（多次蓄水、地震和降雨等）下失稳破坏，对多诺水电站的安全运行产生威胁。

图3 震后新增C裂隙

图4 震后新增E裂隙

目前对多诺水电站右岸倾倒变形边坡的研究仅停留在蓄水初期右岸一小部分坡体的变形破坏因素分析和稳定性评价中（王雅雯，2016），没有对右岸坡体在多次蓄水和地震后持续变形破坏的机理和倾倒变形体的演化过程进行系统性研究。倾倒变形现象大多发生在反倾层状岩质边坡中（任光明等，2009），多诺水电站右岸坡体的倾倒变形体却发育在层状顺层坡体内，所以，研究多诺水电站右岸倾倒变形顺层边坡的变形破坏机理和演化过程一定程度上可以弥补顺层倾倒变形体边坡领域的空缺。

本文将通过整理分析坡表裂隙宏观变形和监测数据来探究边坡变形的影响因素；然后根据底摩擦实验得到的岸坡倾倒变形体初始形成过程，进而得出多诺水电站倾倒变形体边坡的演化过程。本文将为后续库区顺层边坡内倾倒变形体的变形破坏规律和演化过程的研究提供重要的依据，具有重要的理论和工程实践意义。

2 边坡变形影响因素分析

2.1 坡表裂隙变形影响因素分析

截止目前，多诺水电站右岸倾倒变形体边坡坡表存在的裂隙共有10条，编号为A、B、C、D、E、Y1、Y2、Y3－1、Y3－2和Y3－3，具体位置见图5。坡表裂隙发展过程大致为：Y3－1、Y3－2和Y3－3在蓄水前形成，蓄水期和地震后均再次扩展；A、B、Y1和Y2裂隙在蓄水期形成，地震后又再次扩展；C、D、E裂隙在地震后出现。从倾倒变形体边坡坡表裂隙的发展过程可以看出：裂隙形成的类型可以分为3个，施工期边坡开挖卸荷形成的Y3－1、Y3－2和Y3－3裂隙，蓄水期库水位升降作用下形成A、B、Y1和Y2裂隙，地震时由于震裂作用形成的C、D、E裂隙。其中Y3－1、Y3－2和Y3－3裂隙虽形成于施工期，但是后续的发展也受到蓄水作用和地震作用的影响。同样，形成于蓄水期的A、B、Y1和Y2裂隙也受到了地震作用的影响。综上所述，多诺水电站右岸倾倒变形体边坡坡表裂隙的形成和发展与边坡开挖、蓄水作用和地震作用都有关系。

图5 多诺水电站右岸倾倒变形体坡表裂隙分布图

2.2 基于坡体监测数据的变形影响因素分析

根据多诺水电站右岸倾倒变形体边坡内布设的地表变形观测墩数据来分析坡体变形的影响因素。

（1）坡体变形与库水位变化的相关性较好

从各监测点水平位移变形速率来看：水平合位移变形速率库水位有较好的相关性，变化趋势大致相同，但速率峰值略滞后于库水位峰值。变形速率整体呈减小趋势。一期蓄水期间（2013年3月～2014年初）水位骤升骤降了3次，水平合位移变形速率也对应出现了峰值；2014年9月1日开始二期蓄水，水位在2014年12月26日达到最大值2 370 m，相对应的水平位移变形速率峰值出现在2015年1月～3月，相对于库水位的峰值出现了明显的滞后。二期蓄水后的多次水位升降过程也出现了速率峰值随同库水位峰值出现并且滞后于库水位峰值的现象。水平合位移变形速率峰值从二次蓄水开始总体呈现减小趋势，二期蓄水期间出现的变形速率峰值最大为3.5mm／d，在之后的几次蓄水期间逐渐降至1.5 mm／d、1 mm／d、0.7 mm／d……具体见图6。

图6 倾倒变形体边坡水平位移变形速率图

从各监测点沉降变形速率来看：沉降变形速率库水位有较好的相关性，变化趋势大致相同，但速率峰值略滞后于库水位峰值，沉降变形速率总体比水平合位移变形速率要小，变形速率整体呈减小趋势。一期蓄水期间（2013年3月～2014年初）水位骤升骤降了3次，沉降变形速率也对应出现了峰值，最后一次变形速率峰值出现在2014年4月，此时库水位已稳定在2 320m，可以明显看出速率峰值略滞后于库水位峰值；二期蓄水期间水位在2014年12月26日达到最大值2 370m，相对应的水平位移变形速率峰值出现在2015年2月～5月，相对于库水位的峰值出现了明显的滞后。二期蓄水之后的多次水位升降过程也出现了速率峰值随同库水位峰值出现并且滞后于库水位峰值的现象。沉降变形速率峰值从二次蓄水开始总体呈现减小趋势，二期蓄水期间出现的变形速率峰值为1.6mm／d，在之后的几次蓄水期间逐渐降至1.0mm／d、0.6mm／d、0.8mm／d……具体见图7。

图7 倾倒变形体边坡垂直沉降变形速率

（2）地震作用对边坡变形的影响

2017年8月8日21时19分，九寨沟县发生7.0级地震，边坡各测点变形量均有明显增大，受其影响震后一个月变形速率较震前有明显增加。

图8和图9为倾倒变形区部分监测点地震前后水平合位移及沉降变形量监测成果图。从图中可以看出，地震前7月中旬水库库水位开始下降，到地震前，倾倒变形区内各个监测点的变形量均基本维持不变，2017年8月8日九寨沟县发生7.0级地震后，区内监测点的变形量出现增加的趋势，2018年1月19日，监测点的变形量出现突变。

图8 地震前部分监测点水平合位移增量监测成果图

以图4～16的4个监测点为例，其中在九寨沟震后4个监测点的水平合位移增量和沉降量都呈现增加趋势，一直持续到2017年9月份增势才逐渐放缓；2018年1月9日，监测点KTP1－1和KTP1－2－A的水平合位移增量和沉降量都出现了突变。仅1d的时间，KTP1－1和KTP1－2－A水平合位移量从40 mm以下突增到了50mm左右（图8），KTP1－1的沉降量从25mm突变到了30mm，KTP1－2－A的沉降量从7mm突变到了15mm（图9）。变形量突变之后的一段时间，KTP1－1和KTP1－2－A的水平合位移增量和沉降量也都呈现增加趋势。

图9 地震前后部分监测点沉降量监测成果图

2017年“8·8”九寨沟地震后监测点变形量增加时正值库水位下降期，此时库水位刚从峰值水位2 370m开始下降约一个月左右；2018年1月19日，3个区内各个监测点的变形量出现突变，也正值库水位开始下降1个月。震后两次变形量异常变化情况均位于库水位下降期，变形量变化会受库水位的影响。为了进一步分析震后变形量突增情况与地震作用的相关性，本文将对比地震前后类似库水位下降期工况下倾倒变形体边坡的部分水平合位移速率情况（图10）。地震前后水库水位下降时期与去年同期水位相比，去年各区变形速率随库水位下降变形速率逐渐降低，“8·8”地震发生后，随库水位的下降变形速率呈增加状态，由此推断“8·8”九寨沟地震对坝前右岸边坡表面变形影响明显，一定程度上加剧了该边坡的变形发展。

图10 倾倒变形区部分监测点类似库水位下降期工况水平合位移平均速率对比图

3 边坡初始倾倒变形体初始形成过程

倾倒破坏是指斜坡内互相作用的岩柱（块）在重力的作用下向临空面一侧产生弯曲与转动，从而引起斜坡倾覆失稳的现象。为了研究多诺水电站右岸倾倒变形体的变形机制，本文采用底摩擦模型试验对倾倒变形体初始形成过程进行模拟，模拟其在河谷演化进程及水库蓄水作用下的变形失稳全过程。

本次顺层陡倾岩质斜坡底面摩擦模型实验对象选取是典型的实际倾倒变形斜坡——多诺水电站坝肩边坡进行模型模拟。物理模拟试验模型采用矩形，长800mm，高600mm，厚8mm，岩层倾角80°，边坡模拟开挖坡角为60°，开挖点距离左边界350 mm。一级开挖线（河流下切）深度为200mm，二级开挖线200mm，三级开挖线深度为100mm，具体如图11、图12所示。

图11 底摩擦实验模型

图12 底摩擦实验装置图

启动仪器，设置转速为5r／min，在开启仪器10 min时，预固结基本完成，模型层面在此过程中逐渐挤密；预固结完成之后进行一级开挖，并继续试验，仪器运行15min内模型无明显变形或破坏，如图13。停止仪器，完成二级开挖并运行仪器20min后，模型摩擦力作用下开始发生变形，如图14，坡面后缘出现拉裂缝，表明坡内岩层之间出现拉应力区。待裂缝等变形现象稳定之后完成三级开挖，随着机器继续运作，模型后缘的的拉裂缝逐步扩展到坡体中部，斜坡前缘部位层面上条块产生弯曲变形，且弯曲程度随时间不断增加，如图15、图16。

图13 一级开挖模型（10min）

图14 模型变形特征（30min）

图15 模型变形特征（70min）

图16 模型变形特征（2h）

在河谷演化下切斜坡形成过程，伴随岸坡卸荷作用，斜坡岩体应力状态发生明显的分异：坡缘附近为拉应力分布区，坡脚地带为剪应力集中区；不论是重力场还是以水平应力为主的构造应力场，坡体主应力迹线愈靠近临空面，最大主应力愈接近平行于临空面。在这种应力作用下，坡脚地带呈板状的陡倾顺层岩体将向临空面发生初始的倾倒变形。

机器运行3.5h之后，在模拟重力场的作用下，坡脚附近岩体向临空面倾倒变形加剧，中后部岩体在初始扰动产生的弯矩作用下，层状拉裂缝继续增大，伴随拉裂缝发展，层状岩体因下部受阻而发生弯曲，岩层弯曲到一定程度逐渐向临空面倾倒，如图17。

图17 模型变形特征（3.5h）

综上所述，在斜坡初始形成过程中由于河谷下切伴随岸坡卸荷作用，导致坡体内应力状态的差异：拉应力分布于坡肩，剪应力集中于坡脚；不论是重力场还是以水平应力为主的构造应力场，坡体主应力迹线愈靠近临空面，最大主应力愈接近平行于临空面。在这种应力作用下，坡脚地带呈板状的陡倾顺层岩体将向临空面发生初始的倾倒变形。

4 多诺水电站右岸倾倒变形体边坡演化过程

（1）多诺水电站右岸倾倒变形体边坡的持续变形与其自身地质结构条件、蓄水作用和地震作用都相关。

①多诺水电站右岸倾倒变形体边坡原始坡体为陡倾顺层软硬岩交互边坡。坡体岩层原始倾角为60°～70°，走向与坡面相交角度位5°～30°，小角度相交，为顺层边坡，岩性主要为中－厚层砂岩夹板岩或千枚岩，这类坡体结构就极易发生倾倒变形。

②蓄水作用使右岸倾倒变形体边坡坡脚的力学性质和孔隙水压力都发生了变化，致使坡体前缘产生蠕滑，进而促进了边坡上部倾倒变形的加剧。

③地震作用使坡体结构更为破碎，坡体力学性质降低，同时也加剧了蓄水作用对倾倒变形的影响。

④边坡内存在大型构造结构面（断层破碎带），在前缘蠕滑和上部倾倒推覆作用下，破碎带极易贯通，引发倾倒变形体整体滑动失稳。

所以说多诺水电站右岸倾倒变形体边坡的变形破坏大致受控于自身结构造成的初始倾倒变形界面和结构面、蓄水作用下形成的前缘蠕滑面以及地震作用下形成的结构面，推测倾倒变形体边坡破坏面为顶部高程2 480～2 490m的最外侧顺坡向拉裂缝为后缘沿断层影响带和倾倒变形体交界面，从剪出口位于死水位（2 320m）以下位置的剪出口剪出，倾倒变形体底边界大致在断层破碎带附近。

（2）库水位升降作用下倾倒变形体边坡演化过程

库水位升降作用下多诺水电站右岸倾倒变形体边坡变形的过程大致为：①前期河谷下切使陡倾顺层岩体将向临空面发生初始的倾倒变形（图18b）。②库水位升降导致水位变动区的岩体劣化，坡脚岩土体抗剪强度逐渐降低，坡脚岩层会发生蠕滑（图18c）。③地震一方面使坡体裂隙增加，加剧了库水的入渗，进而加剧库水变动对岩体劣化作用；另一方面在地震的震裂作用下，坡体强度也出现大幅降低，坡脚岩土体也出现劣化；地震作用总体上加快了坡脚岩土体抗剪强度的降低，加速了坡脚岩层的蠕滑（图18d）。④在上部岩层的持续重力作用下，坡脚岩层会发生剪切滑移，为后部倾倒岩体提供了新的运动空间。斜坡后部强倾倒岩体随裂隙产生进一步倾倒变形（图18e）。⑤由于坡体内存在破碎带，力学性质较差，很容易使倾倒变形体沿结构面产生整体滑动。

图18 倾倒变形体顺层边坡演化过程

5 结论

（1）根据边坡裂隙形成过程和坡体监测数据分析可以得出：多诺右岸倾倒变形体边坡的变形与施工期的卸荷、库水位变化和地震都具有相关性。震前震后蓄水阶段都出现了蓄水变形响应，地震加剧了倾倒变形区的裂隙扩展和岩体损伤，所以倾倒变形体边坡监测到的变形数据出现异于震前的情况。

（2）根据底摩擦实验结果可知，斜坡初始形成过程中由于河谷下切伴随岸坡卸荷作用，导致坡体内应力状态的差异：拉应力分布于坡肩，剪应力集中于坡脚；不论是重力场还是以水平应力为主的构造应力场，坡体主应力迹线愈靠近临空面，最大主应力愈接近平行于临空面。在这种应力作用下，坡脚地带呈板状的陡倾顺层岩体将向临空面发生初始的倾倒变形。

（3）多诺水电站右岸倾倒变形体边坡的演化过程为：前期河谷下切和边坡开挖，使陡倾顺层岩体将向临空面发生初始的倾倒变形，库水位升降导致水位变动区的岩体劣化，地震使坡体裂隙增加，加剧了库水的入渗，进而加剧岩体劣化，在上部岩层的持续重力作用下，坡脚岩层会发生剪切滑移，为后部倾倒岩体提供了新的运动空间。斜坡后部强倾倒岩体随裂隙产生进一步倾倒变形。