石繼忠

(浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310014)

1 概述

水利工程的安全運(yùn)行關(guān)乎國計(jì)民生。水庫蓄水后,涉水條件下的庫岸周邊巖體的滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等在水動(dòng)力條件作用下發(fā)生改變，可能導(dǎo)致壩踵、壩身開裂破壞，也可能誘發(fā)庫岸坍塌、崩塌、巖體蠕變、滑坡等。在水庫蓄水期發(fā)生庫岸變形的工程案例在國內(nèi)外均有。如法國1954年建成的Malpasset拱壩(壩高66 m)在1959年由于壩基巖體非均勻大變形而潰壩，導(dǎo)致300億法郎的財(cái)產(chǎn)損失；意大利1959年建成的Vajont拱壩(最大壩高263 m)在1963年由于近壩庫區(qū)2億多立方米滑坡引起的庫水越壩失事，摧毀了Longarone市等地[1-2]。在國內(nèi)，1961年開始蓄水的柘溪水庫和1977年開始蓄水的鳳灘水庫在蓄水初期分別有30和20余處庫岸變形[3]；三峽庫區(qū)的樹坪滑坡在水位下降時(shí)變形加劇，三門洞滑坡受庫水位升降影響呈現(xiàn)階躍狀蠕變變形狀態(tài)[4-5]；拉西瓦水電站的果卜岸坡的變形與蓄水過程相關(guān)，近120 Mm3～150 Mm3的滑坡體存在潛在高風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)展趨勢(shì)尚在研究中[6]。

可見，水電站庫岸變形的合理預(yù)測(cè)和有效防護(hù)是非常關(guān)鍵的。因此，本文在開展庫岸變形的監(jiān)測(cè)與防護(hù)分析的基礎(chǔ)上，研究了水平方向的谷幅變形、垂直方向的庫盤變形以及典型的離散滑坡體三個(gè)方面的庫岸變形的預(yù)測(cè)方法，重點(diǎn)分析了離散滑坡體的涌浪問題的預(yù)測(cè)方法，旨在為擬建、在建水電站的安全監(jiān)測(cè)與防護(hù)管理提供參考借鑒。

2 水電站蓄水期的庫岸變形問題特征

庫岸變形研究的主要手段監(jiān)測(cè)，采用多方位、多種類的監(jiān)測(cè)儀器及計(jì)算方法進(jìn)行庫岸變形危害防控和預(yù)警。在變形監(jiān)測(cè)時(shí)，全站儀、應(yīng)力應(yīng)變計(jì)和GPS定位應(yīng)用廣泛[7-8]，同時(shí)三維激光掃描、分布式光纖感測(cè)[9-10]等非接觸式新型測(cè)試技術(shù)也被應(yīng)用于實(shí)踐。

2.1 不同蓄水期的水電站庫岸變形特征

庫岸變形在水電站蓄水初期和蓄水運(yùn)行期均有研究。在蓄水初期，庫岸變形主要在分級(jí)增蓄庫水位的條件下觀測(cè)。尹云坤等[11]分析了2008年—2011年間，小灣水電站以1 037.69 m，1 160.00 m，1 181.91 m，1 240.00 m分段蓄水特征庫水位的條件下，庫岸變形以坍塌型為主，指出牽引式逐級(jí)失穩(wěn)型的近壩庫岸變形體尚不影響壩體安全。楊弘等[12]分析了2012年—2014年間，錦屏一級(jí)水電站以1 700 m，1 800 m，1 840 m，1 880 m分段蓄水特征庫水位的條件下，左岸邊坡變形與蓄水過程無明顯相關(guān)性，而近壩庫岸三灘右岸變形體受蓄水過程影響明顯且存在整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。在蓄水運(yùn)行期，庫水位的往復(fù)漲落是誘發(fā)庫岸變形的主要因素之一。楊靜熙等[13]對(duì)比了錦屏一級(jí)水電站正常蓄水期與蓄水初期的庫岸變形規(guī)律，指出蓄水初期和運(yùn)行期的新增變形數(shù)量相當(dāng)，蓄水初期是庫岸變形的主要發(fā)育期。綜上可見，近壩區(qū)變形體和樞紐區(qū)邊坡是庫岸變形監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵部位。

2.2 典型工程的庫岸變形問題特征分析

典型工程的庫岸變形問題分析，有助于為本體和同類型水電站的庫岸防護(hù)提供決策參考依據(jù)。下面就蓄水期庫岸離散滑坡體涌浪、高拱壩的庫盤和谷幅變形問題進(jìn)行特征分析。

針對(duì)近庫岸變形體滑坡及其次生涌浪的研究，有助于對(duì)存在或者潛在的危害開展針對(duì)性防控和預(yù)警。近庫岸滑坡涌浪以滑坡體入水處為中心，向周界快速傳播，受滑坡體、河型等的綜合影響。已建的工程中，柘溪水電站的唐家溪滑坡體[14]，長江三峽水電站的龔家方、紅巖子滑坡體[15]，黃河龍羊峽水電站的近壩庫岸南岸[16]，瀾滄江小灣水電站的西密滑坡[17]等，均存在或者潛在引發(fā)次生涌浪危害。近期，黃河已建工程的拉西瓦水電站的果卜岸坡滑坡體，雅礱江在建工程卡拉水電站的田三滑坡[18]均針對(duì)性地開展了涌浪危害預(yù)測(cè)。

關(guān)于庫盤變形和谷幅變形，在超靜定結(jié)構(gòu)的高拱壩中的變形近年來備受關(guān)注。

庫盤變形主要由庫水荷載作用下的壩前、后沉降差異引起，以壩基向上游轉(zhuǎn)動(dòng)，壩體向上游傾倒變形表現(xiàn)特征。庫盤變形有沉降和抬升兩種類型。在我國的小灣和溪洛渡等水電站中表現(xiàn)為沉降。其中，小灣水電站2008年—2012年的實(shí)測(cè)資料分析表明其沉降變形和平面變形最大值分別達(dá)35 mm和11.37 mm，翹曲角度與庫水位和高程的變化分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系[19]；溪洛渡水電站在蓄水初期的右岸沉降大于左岸[20]。谷幅變形指沿橫河向，采用水庫兩岸山體等高程對(duì)稱點(diǎn)相對(duì)距離變化表征的變形，可通過布置谷幅測(cè)線監(jiān)測(cè)計(jì)量。

谷幅變形包括擴(kuò)張和收縮兩種模式，在我國的錦屏一級(jí)和溪洛渡水電站中表現(xiàn)為收縮變形，且其對(duì)溪洛渡水電站的影響被重點(diǎn)關(guān)注。其中，錦屏一級(jí)水電站的大壩下游側(cè)谷幅測(cè)線以2014年9月27日為參照，從第一蓄水階段到第四蓄水階段變化量由-12.92 mm減小至-1.70 mm，變化漸小但尚未收斂；溪洛渡水電站的上下游谷幅測(cè)線從2012年12月～2018年4月間的累計(jì)收縮量為66.36 m～87.31 mm且尚未完全收斂[21]。

3 庫岸變形問題的特征預(yù)測(cè)

庫岸變形的預(yù)測(cè)是在監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，采用理論計(jì)算方法或者數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行庫岸變形預(yù)測(cè)分析。庫岸變形計(jì)算理論涉及有限元強(qiáng)度折減法，通常采用的分析軟件包括Geo-studio[22],FLAC3D,Modflow-3D軟件等。在蓄水期庫岸滑坡涌浪問題的特征預(yù)測(cè)時(shí)，需要與水動(dòng)力軟件耦合計(jì)算；在開展高拱壩的庫盤、谷幅變形問題特征預(yù)測(cè)時(shí)，需要深層次的地勘監(jiān)測(cè)成果和大比尺的模擬計(jì)算分析。與此同時(shí)，通過開展物理模型試驗(yàn)研究對(duì)庫岸變形的運(yùn)動(dòng)特征及變化走向，也是行之有效的方法，庫岸變形的預(yù)測(cè)為庫岸變形危害防控和預(yù)警提供了有力支撐。

3.1 典型離散滑坡體穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

田野等[23]以三峽庫區(qū)的八字門滑坡體為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬研究指出該滑坡體的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)在巖土體滲透系數(shù)一定時(shí)，與庫水位上升和下降速率分別成負(fù)相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系的特征。劉佳賓等[24]以小浪底庫區(qū)大柿樹滑坡為例，分析了大柿樹滑坡體為水泉頭古滑坡的復(fù)活體,其破壞形式以牽引式蠕滑為主,根據(jù)剛體極限平衡法采用Geo-studio程序預(yù)測(cè)分析其在天然工況、暴雨及庫水位驟降情況下仍能保持穩(wěn)定狀態(tài)，但庫水位漲落、降雨滲水和地下水及地下巖體活動(dòng)的影響都會(huì)促使滑坡進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)其發(fā)展呈“階躍式”變形，在雨季庫水位變化頻繁時(shí)變形更為明顯。

近庫岸滑坡涌浪的分析與計(jì)算是近庫岸變形體滑坡預(yù)測(cè)的主要內(nèi)容，涉及滑坡體的生成傳播過程，包括下落速度、涌浪高度等關(guān)鍵指標(biāo)。陳小婷等[25]基于上述參數(shù)，采用PIV技術(shù)對(duì)滑坡涌浪進(jìn)行了兩相運(yùn)動(dòng)分析，該技術(shù)突破了傳統(tǒng)的有限點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的限制，從能量關(guān)系方面推斷了水體的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)；牟萍等[26]通過建立滑坡涌浪三維物理模型，測(cè)定了在滑坡涌浪下三峽庫區(qū)船舶航行的安全閥值，指出了相對(duì)安全的航行區(qū)域；田野等[27]研究了涌浪對(duì)庫區(qū)內(nèi)橋墩的沖擊壓力，分析了滑坡方量及涌浪高度對(duì)橋墩的沖擊波效應(yīng)，指出沖擊波效應(yīng)不是單獨(dú)的孤立波疊加，而是基于多元線性回歸分析法得出的最大沖擊波計(jì)算公式。

綜上可見，典型滑坡體一般能夠建立較為完善的預(yù)測(cè)模型，其分析手段一般采用數(shù)值模擬和工程地質(zhì)分析法相結(jié)合的手段進(jìn)行分析，同時(shí)能夠運(yùn)用模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，手段較為成熟、多元化，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率高，能夠較好的判定滑坡體的穩(wěn)定程度，同時(shí)也突破了單獨(dú)的針對(duì)滑坡體自身的研究分析，也逐步拓展到了其影響區(qū)域水體中構(gòu)筑物的研究，為水電站庫區(qū)內(nèi)交通運(yùn)行、橋墩穩(wěn)定分析提供了有力參考，滑坡體的防控預(yù)測(cè)更加全面。

3.2 垂直方向庫盤變形的預(yù)測(cè)

庫盤變形的影響主要表現(xiàn)為以壩體為軸庫盤上傾下翹，是河道區(qū)域內(nèi)垂直方向的一種大范圍變形，主要發(fā)生在蓄水過程階段，受水體重力和水位變化影響較大，其發(fā)展將影響壩體的整體安全穩(wěn)定。吳邦彬、張奎等[28-29]針對(duì)不同類型河道概化庫盤模型，進(jìn)行了直線型河道、分叉型河道、突擴(kuò)型河道、拐彎型河道與大壩安全穩(wěn)定的敏感性分析，指出來流流量變化至壩體的距離，水位變化是影響庫盤變形和壩體變形的顯著因素；張禮兵等以小灣水電站為例，采用有限元分析計(jì)算出庫盤最大翹曲角度位于河床中部，庫盤翹曲角度與庫水位呈正相關(guān)關(guān)系，而與庫盤高程呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時(shí)指出庫盤變形受水體分布影響，蓄水后庫盤變形在平面上呈壩上游朝右岸下游、下游朝左岸上游的“右旋”狀態(tài)。張禮兵等[30]就高拱壩庫盤變形的監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究拓展，同時(shí)也指出了現(xiàn)階段庫盤變形監(jiān)測(cè)的不足。

綜上可見，庫盤變形是通過水體變化使壩體或庫盤產(chǎn)生變形的一種時(shí)效變形，大范圍影響壩體的穩(wěn)定安全，現(xiàn)階段主要的預(yù)測(cè)防控在于庫盤變形對(duì)壩體安全穩(wěn)定的影響和作用機(jī)理。但就目前的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)技術(shù)來講，仍有一定的局限，受庫區(qū)淹沒狀態(tài)影響，監(jiān)測(cè)儀器在河床位置布置較少或者未布置，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的范圍和深度都有一定的不足，庫盤變形的預(yù)測(cè)防控有待進(jìn)一步的加深和拓展新的思路。

3.3 水平方向谷幅變形的預(yù)測(cè)

谷幅變形是庫區(qū)岸坡在水平方向的一種時(shí)效變形，包括彈性變形和塑性變形，谷幅變形主要是由蓄水后滲流場(chǎng)改變，庫岸邊坡的水位線變化，巖體應(yīng)力重新穩(wěn)定的過程導(dǎo)致的變形，程恒等[31]分析認(rèn)為庫盤水壓面載引起的變形分量、庫水位滯后效應(yīng)分量以及氣溫分量對(duì)谷幅變形影響較小，多數(shù)為時(shí)變效應(yīng)；谷幅變形表現(xiàn)形式有河谷收縮、岸坡擴(kuò)張，何柱等[32]以溪洛渡水電站為例，就溪洛渡電站持續(xù)的谷幅收縮變形進(jìn)行反演分析，預(yù)測(cè)蓄水后長期的谷幅變形趨勢(shì)和對(duì)壩體的影響，得出蓄水10年后趨于穩(wěn)定；任青文等[33]考慮巖體在非飽和狀態(tài)下滲流和應(yīng)力耦合作用，建立非飽和巖體模型，預(yù)測(cè)了巖體從非飽和狀態(tài)至飽和滲流的演變過程，得出飽和度與谷幅變形程度相關(guān)性的發(fā)展規(guī)律。

綜上可見，谷幅變形的形成機(jī)制及其與壩體性態(tài)的相關(guān)性分析是目前預(yù)測(cè)的重要內(nèi)容。通過現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行反演谷幅變形發(fā)展規(guī)律，并判斷其能否收斂，但谷幅變形是一個(gè)長期耦合作用的產(chǎn)物，目前的監(jiān)測(cè)手段和關(guān)注程度仍有待提高，對(duì)高拱壩的谷幅變形監(jiān)測(cè)需盡快開展。

4 結(jié)語

目前，隨著高壩庫岸變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，防護(hù)方法也在不斷健全，對(duì)近庫岸變形體滑坡及其次生涌浪危害機(jī)制，以及高拱壩庫盤和谷幅變形特征認(rèn)識(shí)的不斷深入，相應(yīng)的預(yù)測(cè)方法被不斷發(fā)展，但仍有很大的空間深入研究岸坡變形的機(jī)理和防控預(yù)測(cè)。

1)離散滑坡體的危害預(yù)測(cè)分析手段成熟，但離散滑坡體的影響范圍仍局限于滑坡體本身，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)滑坡體影響范圍內(nèi)構(gòu)筑物的影響分析，特別在大型水庫區(qū)域規(guī)劃安全區(qū)域，拓展研究范圍有利于進(jìn)一步進(jìn)行水利工程安全預(yù)控。

2)庫盤變形和谷幅變形成因多為固液兩相耦合作用，對(duì)其預(yù)測(cè)多基于監(jiān)測(cè)成果的反演分析，但仍缺少規(guī)范化的監(jiān)測(cè)手段和預(yù)測(cè)方法，監(jiān)測(cè)手段仍有待提高和創(chuàng)新，特別是高拱壩的庫盤變形和谷幅變形預(yù)測(cè)是現(xiàn)階段高拱壩安全防控亟待解決的課題。