角木塘水電站邊坡安全監(jiān)測設(shè)計分析

張建勛，楊 超

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

邊坡是地殼表面具有臨空條件的地質(zhì)體，由坡頂、坡面、坡腳及其下部一定深度內(nèi)的巖土體組成。按成因劃分，邊坡可分為自然邊坡（古滑坡）、工程開挖邊坡。影響邊坡穩(wěn)定的因素復(fù)雜，歸納起來可分為內(nèi)在因素和外在因素兩個方面。內(nèi)在因素是影響邊坡穩(wěn)定的最根本因素，直接決定了邊坡的變形失穩(wěn)模式和規(guī)模，對邊坡穩(wěn)定性起著控制性作用[1]。外在因素促進邊坡變形失穩(wěn)的發(fā)生和發(fā)展。從掌握高邊坡巖體的整體性狀、回答高邊坡穩(wěn)定分析中的主要問題出發(fā)，安全監(jiān)測設(shè)計中應(yīng)將高邊坡巖體強烈卸荷產(chǎn)生的松動巖體對邊坡穩(wěn)定的影響作為高邊坡安全監(jiān)測的主要對象[2]。

20世紀(jì)90年代以來，在隔河巖、二灘、小浪底、三峽、天生橋、小灣、錦屏等大型水電工程興建的帶動下，巖土工程安全監(jiān)測在與工程緊密結(jié)合的過程中，得到了全面而迅速的發(fā)展。主要體現(xiàn)在以下幾點：1）對安全監(jiān)測的認(rèn)識更深入、更全面，觀測范圍進一步擴大，將上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和巖土體看作是一個有機整體。2）資料分析日趨深入，在注重工作性狀研究的同時，安全監(jiān)控模型的研究得到普遍重視，數(shù)據(jù)處理向在線實時控制發(fā)展，更多地采用了數(shù)學(xué)模型技術(shù)。3）新的儀器不斷涌現(xiàn)，一些常規(guī)方法得到改進，觀測手段更豐富、更先進、更智能化，觀測精度不斷提高。4)自動化監(jiān)測系統(tǒng)有了較快發(fā)展，在許多大型重要建筑物及地基基礎(chǔ)監(jiān)測中實現(xiàn)了自動化遙測集控，同時強調(diào)了目視巡查和工程地質(zhì)定性分析的重要性。5）在常規(guī)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，安全監(jiān)測朝著尺度更大、范圍更廣的方向發(fā)展。

目前，監(jiān)測工作已成為邊坡工程施工的重要環(huán)節(jié)，幾乎所有重要的邊坡工程都設(shè)有監(jiān)測。監(jiān)測工作對正確評估邊坡的安全狀態(tài)、指導(dǎo)施工、反饋和修改設(shè)計、改進邊坡設(shè)計方法等多方面具有非常重要的意義，監(jiān)測技術(shù)的引入使邊坡工程的設(shè)計和施工在安全穩(wěn)定和經(jīng)濟合理的協(xié)調(diào)統(tǒng)一中起到了不可或缺的橋梁作用。

結(jié)合角木塘水電站邊坡工程經(jīng)驗，從設(shè)計角度出發(fā)、通過對采集數(shù)據(jù)的分析整理，來印證邊坡治理措施的有效性和安全監(jiān)測布置方案的合理性，對后續(xù)的邊坡工程監(jiān)測布置提供參考。

1 工程概況

角木塘水電站位于道真縣境內(nèi)，系芙蓉江水電規(guī)劃12級開發(fā)的第10級，工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主。電站正常蓄水位383.00m，總庫容0.33億m3，裝機容量70MW，為三等中型工程。選定碾壓混凝土重力壩，壩身泄洪，底流消能，右岸河床式廠房方案。最大壩高66.4m。

選定的上壩址上壩線左岸、河床基巖為中-厚層中硬質(zhì)巖（P2q、P2m），巖體較完整，滿足廠壩建基要求。右岸邊坡：上部為土質(zhì)邊坡；中部為吳家坪組（P3w）灰?guī)r、泥巖、粉砂巖、粘土巖組成，軟硬相間呈薄層狀、碎裂結(jié)構(gòu)為主的全、強風(fēng)化巖體；下部為茅口組中至厚層狀灰?guī)r，夾薄層狀泥灰?guī)r。局部呈傾倒、卸荷張裂狀態(tài)，地層總體上與河流流向以小角度相交的斜向反傾坡內(nèi)。廠區(qū)段巖體裂隙主要有5組，其中：傾向河床的一組裂隙較發(fā)育，對邊坡穩(wěn)定性影響較大。樞紐區(qū)右岸邊坡主要有引水渠，進水口、右壩肩及尾水渠等建筑物邊坡，順河向邊坡長約300m，最大開挖邊坡高約144m，邊坡穩(wěn)定條件較差，因此需加強安全監(jiān)測。

2 邊坡安全監(jiān)測設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

（1）設(shè)計總則，對各部位不同時期的監(jiān)測項目的選定應(yīng)從施工、首次蓄水、運行期全過程考慮，監(jiān)測項目相互兼顧，在不同時期能反映不同重點[3]。設(shè)備選型時，各種類儀器合理配置，以便于管理。測點布置時，對關(guān)鍵部位應(yīng)集中優(yōu)勢重點反映。

（2）監(jiān)測儀器的設(shè)備選型，應(yīng)對各類設(shè)備進行充分論證和對比，使所選儀器種類盡可能少[4]。儀器設(shè)備具有耐久性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性，并滿足精度要求。也要為運行管理提供方便。

（3）監(jiān)測儀器布置合理。除按有關(guān)規(guī)范外，應(yīng)結(jié)合工程具體情況進行監(jiān)測設(shè)計。

2.2 監(jiān)測項目及設(shè)施

2.2.1 巡視檢查

巡視檢查的內(nèi)容主要包括邊（滑）坡地表有無新裂縫、坍塌發(fā)生，原有裂縫有無擴大、延伸，斷層有無錯動發(fā)生；地表有無隆起或下陷，邊坡后緣有無裂縫，前緣有無剪切和錯位出現(xiàn)，局部楔形體有無滑動跡象；排水溝、排水洞、排水孔、截水溝是否通暢，排水量是否正常；有無新的地下水露頭，原有的滲水量和水質(zhì)有無變化；支護結(jié)構(gòu)、噴層表面、錨索墩頭混凝土是否開裂及裂縫的開展情況；施工情況及進度；監(jiān)測設(shè)施有無損壞等[5]。

2.2.2 邊坡表面變形監(jiān)測

1）水平位移監(jiān)測：采用邊角交會法，在壩址附近建立由4個控制網(wǎng)點組成的二等精度水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)，利用三角網(wǎng)對邊坡水平位移進行監(jiān)測。測點的觀測按《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）中的二等精度要求執(zhí)。

2）垂直位移監(jiān)測：采用精密水準(zhǔn)法，和壩體共用一個精密水準(zhǔn)網(wǎng)。根據(jù)工程實際情況,在壩體右岸下游1.5km外建立由3個水準(zhǔn)點組成的水準(zhǔn)基準(zhǔn)點,引測水準(zhǔn)測量路線，對大壩左右岸的水準(zhǔn)工作基點LS1、LS2、LS3進行校核，日常觀測利用工作基點對右壩肩邊坡的水準(zhǔn)標(biāo)點進行測量。

邊坡共設(shè)置14座綜合位移觀測墩，水平位移和垂直位移的觀測分別按 《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）、《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB12897-2006)中二等精度進行測。

2.2.3 邊坡內(nèi)部變形觀測

選取4個內(nèi)部變形觀測斷面（與外部變形觀測斷面結(jié)合），共6套（3點式）多點位移計，以監(jiān)測邊坡圍巖內(nèi)部變形變化情況。同時在403.00m、433.00m高程馬道上各布置2個測斜孔，鉆孔布置測斜管，以對邊坡內(nèi)部變形進行觀測，共計6個測斜孔。

另外共計布置錨桿應(yīng)力計22支，錨索測力計5套對相應(yīng)錨桿、錨索應(yīng)力進行監(jiān)測。

2.2.4 滲流滲壓監(jiān)測

為確定地下水位對邊坡穩(wěn)定的影響，在403.00m、433.00m高程馬道上各布置2個水位孔，孔內(nèi)均布設(shè)1支滲壓計，共6支。水位監(jiān)測孔與測斜孔結(jié)合布置。

邊坡監(jiān)測系統(tǒng)主要儀器配置詳見表1，附圖1—2。

表1 右岸邊坡錨桿應(yīng)力計應(yīng)力稍大點監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值匯總表

圖1 大壩右岸邊坡觀測儀器布置圖

圖2 大壩右岸邊坡觀測墩布置圖

3 監(jiān)測資料分析

角木塘水電站于2017年9月通過蓄水安全鑒定，已安全穩(wěn)定運行5年，鑒于多年來監(jiān)測數(shù)據(jù)龐大且在蓄水后邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)已基本穩(wěn)定，本節(jié)重點對邊坡在蓄水安全鑒定期的狀態(tài)進行整體分析，揭示邊坡在開挖治理過程中的狀態(tài)變化，以及對安全監(jiān)測布置方案的合理性進行驗證。

3.1 錨桿應(yīng)力成果分析

右岸邊坡錨桿應(yīng)力計共布置21支，累計應(yīng)力值 在-105.29MPa—217.09MPa之 間，其 中 錨 桿R10、R14，R19、R20、R22應(yīng)力主要受尾水邊坡開挖影響，表現(xiàn)的應(yīng)力稍大，累計應(yīng)力值在111.76MPa—217.09MPa之間，其它儀器變化相對較小，累計應(yīng)力值在7.88MPa—80.7MPa之間，沒有表現(xiàn)出突變情況，截止蓄水安全鑒定時，邊坡已基本趨于變形穩(wěn)定。應(yīng)力稍大點詳細(xì)數(shù)據(jù)見特征值匯總表。

3.2 滲壓計成果分析

右岸邊坡滲壓計共布置8支，累計水壓力值在0.00MPa—0.29MPa之間，變化值很小，主要受地下水位的影響，鉆孔期間無明顯地下水，波動微小。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2，右岸邊坡滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值匯總表。

表2 右岸邊坡滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值匯總表

3.3 多點位移計成果分析

右岸邊坡多點位移計共布置6套，累計位移值在-7.72mm—49.03mm之間，其中位移較大的M6、M7多點主要受尾水邊坡EL388以下開挖影響，累計位移值在5.38mm—49.41mm之間，其余測點無明顯異常變化，累計位移值在0.41mm—3.79mm之間。變形較大點詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3右岸邊坡多點位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值匯總表。

表3 右岸邊坡多點位移計變形較大點監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值匯總表

3.4 錨索測力計成果分析

右岸邊坡錨索測力計布置5臺，累計錨固力損失率在-1.82%—5.62%之間，從錨索預(yù)應(yīng)力損失來看，其損失主要是由錨索在鎖定時瞬間產(chǎn)生的移滑及回縮造成的，但錨索在鎖定后預(yù)應(yīng)力損失微小，從監(jiān)測數(shù)據(jù)看出，錨索在鎖定后應(yīng)力沒有上升的趨勢，應(yīng)力變化平穩(wěn)，近一月荷載變化速率在-0.4887kN/d—0.2343kN/d之間，說明邊坡在此期間沒有下滑趨勢，處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中DP3變化主要受尾水邊坡EL388以下開挖影響，呈減小變化，其余測點反應(yīng)正常，符合規(guī)律變化。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4右岸邊坡錨索測力計監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值匯總表。

表4 右岸邊坡錨索測力計監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值匯總表

3.5 表面變形觀測成果分析

表5 右岸邊坡表面變形較大點監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值匯總表

右岸邊坡表面變形布置了14座表面變形觀測墩，累計變化縱向位移在-233.00mm—48.00mm之間；橫向位移在-120.00mm—53.00mm之間；沉降位移在-3.20mm—200.65mm之間，其中TP13、TP14、TP15變化較大，主要受尾水邊坡EL388以下開挖影響，累計變化縱向位移在74.5mm—242.5mm之間；橫向位移在20.00mm—149.00mm之間；沉降位移在61.90mm—203.85mm之間，其余測點變幅量較小。變形較大點詳細(xì)數(shù)據(jù)見表5右岸邊坡表面變形監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值匯總表。

3.6 測斜管成果分析

右岸邊坡測斜孔共布置了5個點，累計變化縱向位移在-7.55mm—69.02mm之間，主要變化受廠房安裝間及尾水開挖影響。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表6右岸邊坡測斜監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值匯總表。

表6 右岸邊坡測斜監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值匯總表

4 結(jié)語

角木塘水電站右岸邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計符合現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求，滿足施工期、蓄水期及運行期工程安全監(jiān)測的要求，并緊密結(jié)合施工過程對監(jiān)測項目進行動態(tài)調(diào)整，對重點監(jiān)測部位加強監(jiān)測措施，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的整編分析，從側(cè)面驗證了邊坡治理措施的有效性和安全監(jiān)測措施的合理性，角木塘水電站于2020年榮獲“貴州省優(yōu)秀工程勘察設(shè)計獎”，其邊坡治理經(jīng)驗和安全監(jiān)測布置方案，對后續(xù)相似工程的實施有一定的借鑒價值。