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摘 要：针对锦屏一级水电站左岸边坡的持续变形现象，以左岸边坡的地质结构为基础，通过表面变形监测与深部变形监测相结合的综合监测手段，对其变形机制进行分析。研究结果表明，其整体的变形机制可概括为“上部持续倾倒—深部张裂—表部锁固体松弛—下部与坝体协调”。开口线以上自然边坡倾倒变形体的持续变形主要受砂岩、板岩软硬互层以及浅表部卸荷作用控制，还受下部坡体变形调整向上累积效应的影响。左岸边坡深部变形主要是受坡体深部裂缝区的持续拉张变形及断层f42-9和煌斑岩脉X所体现的非滑移式拉裂松弛变形影响，而且强支护的群锚效应明显强化、深化了对变形的作用。开口线以下人工开挖支护边坡的持续变形原因是锚墙锁固的部分坡体浅表部出现整体性侧向松弛卸荷变形。标准蓄水位附近的坡体受库水浮托力的影响较大，而抗力体边坡在蓄水之后则受到坝肩推力的影响而产生压密和抬升的周期性变化特征。
关键词：边坡;监测分析;变形机制;锦屏一级水电站
中图分类号：TV642.4 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.025
引用格式：何如许，裴向军，刘明，等. 锦屏一级水电站左岸边坡变形监测及机制分析[J].人民黄河，2021，43（10）：128-133，138.
Abstract： In view of the continuous deformation of the left bank slope of Jinping I Hydropower Station， the deformation mechanism of the left bank slope was analyzed by means of comprehensive monitoring combined with surface deformation monitoring and deep deformation monitoring. The results show that the overall deformation mechanism can be summarized as “continuous toppling of the upper part-deep tension fracture-surface locking solid relaxation-coordination between the lower part and the dam body”. The continuous deformation of toppling deformation body of natural slope above the opening line is mainly controlled by the unloading action of sandstone， slate soft-hard interbeds and shallow surface， and is also affected by the upward accumulation effect of deformation adjustment of lower slope. The deep deformation of the left bank slope is mainly due to the continuous tension deformation in the deep crack area of the slope and the non-slip tension and relaxation deformation embodied in f42-9 and lamprophyre dike X. Moreover， the group anchor effect of the strong support obviously strengthens and deepens this effect. The continuous deformation of the slope supported by manual excavation below the opening line is mainly due to the integral lateral relaxation and unloading deformation of the shallow part of the slope secured by the anchor wall. The slope near 1880m is greatly influenced by the buoyancy of reservoir water， while the slope of resisting body is affected by the thrust of abutment after impoundment， resulting in the characteristics of compaction and uplift. The monitoring results and deformation mechanism of this project can be used for reference in other hydropower projects in the future.
Key words： slope; monitoring and analysis; deformation mechanism; Jinping-Ⅰ Hydropower Station
我國西南山区拥有丰富的水电资源，近年来随着清洁能源需求的不断增加，金沙江、澜沧江、雅砻江等流域的水电工程开始大规模地投入建设和运营。西南山区极为复杂的地质条件、颇为频繁的地震活动，加上水电工程边坡所特有的大规模、强开挖的特点，给水电工程的施工及运行带来了极为艰巨的挑战。因此，对水电工程中复杂高陡人工开挖边坡进行整体安全监测成了评价和预测水电工程边坡安全性最为有效的手段[1-4]。 赵明华等[5]通过表面变形监测、测斜孔、渗压计、多点位移计及锚索应力计等多种监测手段对小湾水电站人工开挖边坡进行综合监测，通过监测数据的分析得知开挖爆破是导致边坡变形的主要原因，并判斷其变形目前已趋于收敛，边坡保持在稳定的状态。何迈等[6]通过测斜孔、测压计及表观位移观测等手段对山体变形以及坡体内部地下水位变化情况进行监测和分析，并以此为依据对帷幕灌浆以及排水方案进行调整以达到理想的效果。金海元等[7]在分析前人大量现场勘探地质资料的基础上判断锦屏一级水电站左岸边坡的潜在破坏模式，再结合监测资料对边坡的变形趋势和失稳进行预测评价，以建立一套滑坡时空预警模型。李程等[8]将三维电子罗盘应用到滑坡变形监测当中，这种监测方法成本低、精度高，可以准确追踪滑坡的动态变形姿态。韩鞠等[9]对罗家坪滑坡进行了深部变形、大地变形及地下水位监测，通过与日降雨量以及库水位变化曲线的对比分析建立了滑坡的失稳模型。原先凡等[10]在分析滑坡时空演化规律的基础上对某水库边坡各监测点的监测资料进行整理分析，指出滑坡目前整体保持稳定，库水位的升降是导致滑坡变形的主要因素。
作为目前世界上最高的双曲拱坝，锦屏一级水电站左岸边坡开挖高度达500 m，在水电工程中极为罕见，特别是蓄水之后边坡的稳定性不仅关系到锦屏一级水电站的安全运行，更关系到上下游人民群众的生命财产安全。笔者以地质资料为基础构建地质模型，并通过对左岸边坡各监测剖面监测资料的整理分析，进一步探究锦屏一级水电站左岸边坡整体的变形特征及机制，以期为后续库岸边坡的稳定性评价与预测提供依据。
1 工程概况
锦屏一级水电站坝高约300 m，是典型的双曲拱坝。坝区河谷深切，为不对称的V形河谷。左岸边坡的开挖高程从1 570 m直至2 090 m，开挖规模之大实属罕见。
坝区基岩出露有杂谷脑组（T2-3Z）的变质岩，主要分为3段：第1段（T12-3Z）是在坝区地表未出露的绿片岩;第2段（T22-3Z）是灰-灰白色的大理岩夹绿片岩，厚约450 m，为坝区出露的最主要地层，出露在左岸边坡高程1 800 m以下，根据岩性组成分为8个亚层;第3段（T32-3Z）为板岩和砂岩的互层，厚度约为400 m，出露在左岸高程1 800 m以上，可将其分为6个亚层，其中1、3、5层为板岩，2、4、6层为砂岩。左岸岩层总体产状为N15°～35°E/NW∠30°～45°，为反倾岩质边坡。左岸边坡出露的煌斑岩脉从近2 100 m高程一直延伸至下游泄洪雾雨边坡，岩脉宽度为2～3 m，总体产状为N60°～80°E/SE∠70°～90°，风化程度较高。
坝区主要发育NNE—NE、EW—NEE、NW—NWW向3组断层，其中规模较大的控制性断层有f5、f8、f2及f42-9。左岸边坡的深部拉裂缝较为发育，发育的最大深度为300 m。其中在坝肩上游侧边坡以煌斑岩脉X、f42-9断层、深部裂缝SL44-1为边界共同切割构成一个契形块体。锦屏一级水电站上游原始库水位为1 640 m，设计标准蓄水位为1 880 m，死水位为1 800 m，库水位变化过程曲线见图1。
2 监测点布设
现阶段揭露的地质结构和变形迹象显示，左岸边坡的整体变形受到高位倾倒变形体以及“大块体”周围主控结构面和周围边界自然因素的影响。因此，通过表观监测点和深部监测点的布设，形成一套由表及里的全面监测体系，为蓄水期的变形监测提供了有力保障。
左岸边坡布设80个表观变形观测点，现在还在持续观测的点有39个，同时记录各点的X（顺河向）、Y（横河向）、H（竖直向）三个方向的位移。这些表观监测点主要设置在开挖区域，尤其是拱肩槽上游开挖边坡较多，施工期结束后为了对高程较高的倾倒变形体进行变形监测，在开口线以上自然边坡增设了多个监测点。开口线上部的自然坡体设12个测点，高程1 885 m以上坡体设27个测点，覆盖了高位倾倒变形体以及f42-9、f5、f8断层和煌斑岩脉出露的观测区域。
深部变形监测则是通过在两个揭穿坡体的平洞（PD42、PD44）内布设监测点来完成，共计33个测点，其中PD44有13个测点、PD42（主洞PD42S1及上支洞PD42S2，本文统称PD42）有20个测点。监测点主要记录坡体内部横河向的位移。测点布设见图2。本文选取穿过坡体关键部位以及控制性结构面的横Ⅱ1-Ⅱ1（见图3）、横Ⅴ-Ⅴ剖面（见图4）作为研究对象，并将典型横剖面有关的监测点作为分析对象，通过绘制剖面图以及分析整理相关的测点数据来研究和反馈边坡体的变形特征。
3 横Ⅱ1-Ⅱ1剖面变形监测分析
横Ⅱ1-Ⅱ1剖面相关的表观变形监测点高程分别为：TPL84点高程2 220 m、TPL83点高程2 151 m、TP14-1点高程2 086 m、TP11-2点高程2 051 m、TPL3点高程2 021 m、TPL9点高程1 991 m、TPL22点高程1 916 m、TPL29点高程1 886 m。横Ⅱ1-Ⅱ1剖面坡体开挖深部平洞有PD44、PD48、PD40、PD52、PD50，鉴于PD44揭穿左岸边坡的控制性结构面煌斑岩脉X、断层f42-9以及一系列深拉裂缝，对其进行重点监测，故选择PD44作为深部变形监测分析的对象。
3.1 表观变形监测
通过对横Ⅱ1-Ⅱ1剖面各监测点位移数据的整理，得到各点的水平位移（见图5）、总位移（见图6）、位移方位角（见图7）和位移倾角（见图8）变化曲线。蓄水之后横Ⅱ1-Ⅱ1剖面各监测点水平位移为33.8～84.9 mm，并呈现出从高位到低位逐渐减小的特点，水平位移以Y方向（横河向）的位移分量为主，TPL84、TPL83和TP14-1点的水平位移明显大于其他点的，由此可以看出自然边坡倾倒变形体的横河向位移大于人工开挖边坡的卸荷回弹以及松弛变形。各点水平位移的方位角则集中在115°～130°之间，可以看出边坡是在往略微倾向上游的方向变形。总位移量最大的点是位于自然边坡倾倒变形区高程为2 220 m的TPL84，其变形量达到89.5 mm，其余各点的变形量基本上随着高程的降低而减小。位于开口线以上自然边坡监测点的总位移大于位于人工开挖支护边坡监测点的总位移。其中监测点TPL29的位移倾角保持为负即为仰倾角，主要原因是蓄水以后受库水托力作用，产生了上抬变形。而其余各点的位移倾角集中在18°～28°之间，即竖直方向上的位移始终以沉降为主。 3.2 深部变形监测
PD44平洞位于左岸开挖边坡横Ⅱ1-Ⅱ1勘测线高程1 930 m，处在锦屏水电站一级左岸边坡的上游侧，测洞内共布设13个测点以及12个石墨杆位移计测段，其中以洞底最深标点PD44-13为观测工作的基准点，其余则为测点，共计12个，由内向外编号13～1。PD44各测点水平位移变化曲线见图9。PD44穿过了煌斑岩脉X、断层f42-9以及坡体内部一系列小断层和深拉裂缝。从开始蓄水至今，左岸平洞PD44累计水平位移量达到25 mm。其中0+47（PD44-3）—0+62（PD44-4）测段穿过了部分小断层，其蓄水后的累计变形量为3 mm;煌斑岩脉X则处在0+76（PD44-5）—0+122（PD44-8）测段范围内，其蓄水后的累计变形量为6 mm;0+122（PD44-8）—0+170（PD44-11）测段则包含了断层f42-9以及一系列的深拉裂缝，而该测段也是PD44水平位移量最大的测段，其蓄水后的累计变形量为10 mm。从位移变化曲线可以看出，在施工期PD44的水平位移基本保持平稳增加态势，开始蓄水后整体变形速率有所增大。在首蓄期库水位从1 840 m降至1 800 m，以及初蓄期库水位从1 880 m降低至1 800 m期间，位移出现了大幅度跃升，形成了一个台阶状，在进入运行期后位移速率较之前大幅降低，水平位移以一个较低的速率缓慢增加。根据之前左岸边坡渗流场的研究成果[11]，认为造成这种“跃升”现象的原因是库水位下降时坡体内部受到一个向外的渗透压力而产生水平方向的位移，特别是在软弱结构以及深拉裂缝所在的区域这种变形现象更为明显。
4 横Ⅴ-Ⅴ剖面变形监测分析
横Ⅴ-Ⅴ剖面相关的表观变形监测点高程分别为：TP85点高程2 278 m、TP15-1点高程2 123 m、TP6点高程2 104 m、TP7点高程2 082 m、TPL1点高程2 051 m、TPL15点高程1 946 m、TPL23点高程1 916 m、TPL32点高程1 886 m。横Ⅴ-Ⅴ剖面坡体开挖深部平洞有PD42、PD38、PD64、PD18、PD36、PD24，鉴于PD42揭穿左岸边坡的控制性结构面煌斑岩脉X、断层f42-9以及深部裂缝，对其进行重点监测，故选择PD42作为深部变形监测分析的对象。
4.1 表观变形监测
通过对横Ⅴ-Ⅴ剖面各监测点位移数据的整理，得到各点的水平位移（见图10）、总位移（见图11）、位移方位角（见图12）和位移倾角（见图13）变化曲线。
蓄水之后横Ⅴ-Ⅴ剖面位于自然边坡倾倒变形体的TP85水平位移明显大于位于人工开挖支护边坡其他点的。位于坝头抗力体边坡的TPL32水平位移累计值则明显小于横Ⅱ1-Ⅱ1剖面相同高程的TPL29。从水平位移变化曲线可以看出，在开始蓄水后TPL32基本保持稳定，只有小幅度波动性增长。和TPL32同位于左岸抗力体边坡的TPL23水平位移也明显小于横Ⅱ1-Ⅱ1剖面相同高程的TPL22。蓄水之后随着库水位的上升拱坝对左岸边坡抗力体的推力逐渐增加，这部分推力使得左岸边坡部分区域往略微倾向上游方向的变形有所收敛。TPL32和TPL23的方位角仍然随着库水位的升降而大幅度的波动。总位移最大的点是位于自然边坡倾倒变形区高程为2 278 m的TP85，其余各点的变形量基本上随着高程的降低而减小。TPL32的位移倾角在库水位由1 700 m升至1 840 m期间从-20°急剧减小至-40°，也就是说TPL32在蓄水以后产生了上抬的变形。TPL23和TPL15竖直方向的位移在蓄水之后也由沉降转为抬升，而其余各点竖直方向上的位移始终以沉降为主。
4.2 深部变形监测
左岸PD42平洞（即外支主洞的PD42S1和内向上支洞的PD42S2，本文统一称为PD42）位于左岸开挖边坡横Ⅴ-Ⅴ勘探线高程1 930 m处，处在锦屏水电站一级大坝下游边坡上，平洞全长约255 m。位移测点共19个，以洞底部的标点PD42-20为工作基点开展观测工作。PD42各测点水平位移变化曲线见图14。
从开始蓄水至今，左岸平洞PD42累计水平位移达24 mm，其中上支洞的变形为23 mm，下支洞在蓄水后变形趋于收敛。PD42主要穿过煌斑岩脉X和断层f42-9这两个控制性结构面，洞段0+35（PD42-3）—0+65（PD42-4）蓄水后的累计变形量为21 mm，而该测段也是PD42水平位移最大的测段。从位移变化曲线可以看出，在施工期PD42的水平位移基本保持平稳增加的态势，开始蓄水后整体变形速率有所增大。在首蓄期库水位从1 840 m降至1 800 m和初蓄期库水位从1 880 m降至1 800 m期间，位移出现了小幅度跃升，形成了一个台阶，进入运行期后位移速率较之前有所减小，水平位移以较低的速率缓慢增大，但是仍然没有收敛的趋势。造成PD42水平位移“跃升”现象的原因与PD44是一样的，只是PD42较PD44处于下游侧受库水位升降的影响没有PD44那么显著。
5 变形机制分析
通过上述对左岸边坡布置的两个关键监测剖面表观与深部变形的综合分析，再结合左岸边坡自身地质结构条件可以得知，左岸边坡的持续变形总体上属于在蓄水条件与工程结构荷载下产生，并受坡体“反倾层状结构+深部裂缝+外倾主控结构面分割”的地质结构控制的一种新常态的变形调整。结合典型剖面变形的调整特点来看，其变形调整的概念模式可概括为“上部持续倾倒—深部张裂—表部锁固体松弛—下部与坝体协调”的综合变形机制。
整体上，左岸边坡最高级次的坡体结构为反倾层状结构。而从岩性组成来看，左岸边坡砂板岩区属于硬质岩夹软质岩组合，以各层变质石英砂岩间夹板岩为主，其下伏大理岩体相对较硬，应属于硬质岩组合。由此可见，左岸边坡在砂板岩区的倾倒变形问题显然更为突出，大理岩区或厚层的变质砂岩特别发育的部位，其新形成倾倒变形条件应处于弱势。而属于砂板岩区的高位自然边坡，其浅部的卸荷改造作用也为倾倒变形体的发育和持续变形提供了有利的条件。特别是在开挖线附近高程1 990 m以上岩体普遍存在倾倒拉裂变形现象，该区域的岩体较为松弛和破碎。开口线以上自然边坡监测点的總位移以及垂直方向位移分量均大于人工开挖支护边坡的监测点，并且监测点的位移随着高程的增加而增大，其变形特征符合倾倒变形体的变形特征。蓄水以后下方坡体的变形调整会通过这类具有特殊反倾层状岩体结构对上方的倾倒变形造成“向上累积”效应。自然状态下，在软硬互层状反倾边坡的弯曲拉裂过程中，相对下方硬岩不同的结构特征，软硬互层岩体所经历的表生改造作用程度则决定了倾倒变形的发育深度。在工程扰动边坡上，下方的压缩、倾倒等调整或侧向的开挖卸荷回弹等变形扰动为上方岩体的进一步倾倒变形提供了有利空间，而且使变形往上方累积传递。也就是说，只要下方的工程扰动不停止，这种向上累积效应也就难以自动终止。这是反倾层状结构的倾倒变形自组织效应的体现，也就解释了上部倾倒变形在库水位动态变化情况下不显示出周期性响应的原因。但是库水作用边坡的长期扰动会导致左岸边坡高位倾倒变形体发生不可逆的持续变形[12]。 从PD44和PD42的石墨杆位移计监测数据得知，坡体深部变形主要集中在f42-9断层、深拉裂缝以及煌斑岩脉等软弱结构面所在的区域，变形以水平方向为主，竖直方向的变形并不明显。由此可以看出左岸边坡的整体变形还受到主控结构面以及深拉裂缝的控制。深部变形对于蓄水的响应是较为明显的，蓄水之后坡体内部的饱和区域逐渐扩大，孔隙水压力逐渐增大，软弱结构面会有一定的松弛及力学性质的降低，使得坡体深部变形速率有所增大。特别是在首蓄期与初蓄期库水位降低的情况下，软弱结构面所在的区域水平位移进一步增大，导致这种变形现象的原因是坡体内部渗透系数较小，坡体内部的水无法及时排出，从而形成一个向外的渗透压力，而后运行期坡体内部逐渐适应了库水位升降的影响，深部变形速率有所降低。从两个监测剖面与主控结构面相关的监测数据来看，左岸边坡并未发生以断层f42-9为底滑面以及煌斑岩脉X为后缘边界的整体性大规模滑移，只是在结构面附近产生小幅度的拉裂松弛变形。f42-9断层目前已淡化了自身的底滑面角色，起到了变形底界的分隔作用，即f42-9断层内侧的深部监测显示变形很弱。f42-9断层上盘深部裂缝区的持续拉张变形与大块体沿f42-9断层为典型代表的EW向小断层的左旋回弹相联系（滑移潜势已受限制），而且强支护的群锚效应明显强化、深化了这种作用。
开口线以下人工开挖支护边坡表观点的变形以水平方向的位移为主，并且位移均集中在相同的范围内，体现出该区域受岩体开挖卸荷的影响依然从施工期持續到现在，锚墙锁固的部分坡体浅表部出现整体性侧向松弛卸荷变形。这是背景地位仅次于倾倒变形和深部变形的显著变形特征和持续机理所在。尽管背景地位上不如倾倒变形普遍（开挖区+自然坡体普遍存在），但变形的强度在开挖区更明显，这在开挖区的工程边坡范围也具有普遍意义。临近标准蓄水位1 880 m位置处边坡受库水位升降波动的影响更为明显，随着库水位的不断上升，库水对坡体的浮力逐渐增大，导致该区域竖直方向的位移由施工期的沉降转为抬升。
位于抗力体边坡临近坝头位置的监测点受蓄水后坝肩推力增加的影响，导致该点的累计位移远小于上游侧相同高程位置处的监测点。抗力体坡体的变形必然受到坝体荷载作用的影响，这是坝头边坡既区别于高高程的工程环境边坡又有别于一般意义的库岸边坡的特点所在。所谓“下部与坝体协调”，一是指边坡本身的变形对大坝的加载作用，二是指坝肩推力对边坡的作用。这两方面的协调是动态发展的，可能有利于坝体的应力改善，也可能威胁大坝安全。目前来看，抗力体及坝头边坡运行工况良好，原因在于坝头主要位于f42-9断层下盘，变形的关键部位主要集中在其上盘，而坝头抗力体除表层坝基岩体压密外，深部无明显变形。由此可见，下部坝肩边坡与坝体协调目前仅表现为在蓄水过程中推力作用使抗力体边坡压密、抬升（垂直向上周期性波动）。
6 结 论
（1）锦屏一级水电站左岸开口线以上自然边坡的倾倒变形现象十分普遍，蓄水以后变形保持稳定增长的趋势尚未收敛。该区域的持续变形主要受自身砂岩、板岩软硬互层的岩性组成与岩体结构以及浅表部卸荷改造作用共同控制，受蓄水影响主要体现在蓄水以后下部坡体变形调整的“向上累积”效应。
（2）左岸边坡的整体变形还受主控结构面以及深拉裂缝控制。分析监测数据得知，左岸边坡深部变形主要集中在f42-9断层、深拉裂缝以及煌斑岩脉X所在的区域，变形以水平方向为主，蓄水变形响应也较为明显。深部变形的原因主要是坡体深部裂缝区的持续拉张变形，以及断层f42-9和煌斑岩脉X所体现的非滑移式拉裂松弛变形，而且强支护的群锚效应明显强化、深化了这种作用。
（3）开口线以下人工开挖支护边坡的整体变形以水平方向的位移为主，并且位移具有趋同性，该区域受岩体开挖卸荷的影响较为明显，锚墙锁固的部分坡体浅表部出现整体性侧向松弛卸荷变形。临近1 880 m高程的边坡受蓄水以后库水浮力的增大以及波动的影响较为明显，使得该区域的变形由沉降转为抬升波动。
（4）抗力体坡体的变形主要受坝体荷载作用的影响。“下部与坝体协调”作用在目前来看，除坝头抗力体表层坝基岩体压密外，深部无明显变形，具体表现为在蓄水过程中推力作用使抗力体边坡压密、抬升（垂直向上周期性波动）的特征。
参考文献：
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【责任编辑 张华岩】
关键词：边坡;监测分析;变形机制;锦屏一级水电站
中图分类号：TV642.4 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.025
引用格式：何如许，裴向军，刘明，等. 锦屏一级水电站左岸边坡变形监测及机制分析[J].人民黄河，2021，43（10）：128-133，138.
Abstract： In view of the continuous deformation of the left bank slope of Jinping I Hydropower Station， the deformation mechanism of the left bank slope was analyzed by means of comprehensive monitoring combined with surface deformation monitoring and deep deformation monitoring. The results show that the overall deformation mechanism can be summarized as “continuous toppling of the upper part-deep tension fracture-surface locking solid relaxation-coordination between the lower part and the dam body”. The continuous deformation of toppling deformation body of natural slope above the opening line is mainly controlled by the unloading action of sandstone， slate soft-hard interbeds and shallow surface， and is also affected by the upward accumulation effect of deformation adjustment of lower slope. The deep deformation of the left bank slope is mainly due to the continuous tension deformation in the deep crack area of the slope and the non-slip tension and relaxation deformation embodied in f42-9 and lamprophyre dike X. Moreover， the group anchor effect of the strong support obviously strengthens and deepens this effect. The continuous deformation of the slope supported by manual excavation below the opening line is mainly due to the integral lateral relaxation and unloading deformation of the shallow part of the slope secured by the anchor wall. The slope near 1880m is greatly influenced by the buoyancy of reservoir water， while the slope of resisting body is affected by the thrust of abutment after impoundment， resulting in the characteristics of compaction and uplift. The monitoring results and deformation mechanism of this project can be used for reference in other hydropower projects in the future.
Key words： slope; monitoring and analysis; deformation mechanism; Jinping-Ⅰ Hydropower Station
我國西南山区拥有丰富的水电资源，近年来随着清洁能源需求的不断增加，金沙江、澜沧江、雅砻江等流域的水电工程开始大规模地投入建设和运营。西南山区极为复杂的地质条件、颇为频繁的地震活动，加上水电工程边坡所特有的大规模、强开挖的特点，给水电工程的施工及运行带来了极为艰巨的挑战。因此，对水电工程中复杂高陡人工开挖边坡进行整体安全监测成了评价和预测水电工程边坡安全性最为有效的手段[1-4]。 赵明华等[5]通过表面变形监测、测斜孔、渗压计、多点位移计及锚索应力计等多种监测手段对小湾水电站人工开挖边坡进行综合监测，通过监测数据的分析得知开挖爆破是导致边坡变形的主要原因，并判斷其变形目前已趋于收敛，边坡保持在稳定的状态。何迈等[6]通过测斜孔、测压计及表观位移观测等手段对山体变形以及坡体内部地下水位变化情况进行监测和分析，并以此为依据对帷幕灌浆以及排水方案进行调整以达到理想的效果。金海元等[7]在分析前人大量现场勘探地质资料的基础上判断锦屏一级水电站左岸边坡的潜在破坏模式，再结合监测资料对边坡的变形趋势和失稳进行预测评价，以建立一套滑坡时空预警模型。李程等[8]将三维电子罗盘应用到滑坡变形监测当中，这种监测方法成本低、精度高，可以准确追踪滑坡的动态变形姿态。韩鞠等[9]对罗家坪滑坡进行了深部变形、大地变形及地下水位监测，通过与日降雨量以及库水位变化曲线的对比分析建立了滑坡的失稳模型。原先凡等[10]在分析滑坡时空演化规律的基础上对某水库边坡各监测点的监测资料进行整理分析，指出滑坡目前整体保持稳定，库水位的升降是导致滑坡变形的主要因素。
作为目前世界上最高的双曲拱坝，锦屏一级水电站左岸边坡开挖高度达500 m，在水电工程中极为罕见，特别是蓄水之后边坡的稳定性不仅关系到锦屏一级水电站的安全运行，更关系到上下游人民群众的生命财产安全。笔者以地质资料为基础构建地质模型，并通过对左岸边坡各监测剖面监测资料的整理分析，进一步探究锦屏一级水电站左岸边坡整体的变形特征及机制，以期为后续库岸边坡的稳定性评价与预测提供依据。
1 工程概况
锦屏一级水电站坝高约300 m，是典型的双曲拱坝。坝区河谷深切，为不对称的V形河谷。左岸边坡的开挖高程从1 570 m直至2 090 m，开挖规模之大实属罕见。
坝区基岩出露有杂谷脑组（T2-3Z）的变质岩，主要分为3段：第1段（T12-3Z）是在坝区地表未出露的绿片岩;第2段（T22-3Z）是灰-灰白色的大理岩夹绿片岩，厚约450 m，为坝区出露的最主要地层，出露在左岸边坡高程1 800 m以下，根据岩性组成分为8个亚层;第3段（T32-3Z）为板岩和砂岩的互层，厚度约为400 m，出露在左岸高程1 800 m以上，可将其分为6个亚层，其中1、3、5层为板岩，2、4、6层为砂岩。左岸岩层总体产状为N15°～35°E/NW∠30°～45°，为反倾岩质边坡。左岸边坡出露的煌斑岩脉从近2 100 m高程一直延伸至下游泄洪雾雨边坡，岩脉宽度为2～3 m，总体产状为N60°～80°E/SE∠70°～90°，风化程度较高。
坝区主要发育NNE—NE、EW—NEE、NW—NWW向3组断层，其中规模较大的控制性断层有f5、f8、f2及f42-9。左岸边坡的深部拉裂缝较为发育，发育的最大深度为300 m。其中在坝肩上游侧边坡以煌斑岩脉X、f42-9断层、深部裂缝SL44-1为边界共同切割构成一个契形块体。锦屏一级水电站上游原始库水位为1 640 m，设计标准蓄水位为1 880 m，死水位为1 800 m，库水位变化过程曲线见图1。
2 监测点布设
现阶段揭露的地质结构和变形迹象显示，左岸边坡的整体变形受到高位倾倒变形体以及“大块体”周围主控结构面和周围边界自然因素的影响。因此，通过表观监测点和深部监测点的布设，形成一套由表及里的全面监测体系，为蓄水期的变形监测提供了有力保障。
左岸边坡布设80个表观变形观测点，现在还在持续观测的点有39个，同时记录各点的X（顺河向）、Y（横河向）、H（竖直向）三个方向的位移。这些表观监测点主要设置在开挖区域，尤其是拱肩槽上游开挖边坡较多，施工期结束后为了对高程较高的倾倒变形体进行变形监测，在开口线以上自然边坡增设了多个监测点。开口线上部的自然坡体设12个测点，高程1 885 m以上坡体设27个测点，覆盖了高位倾倒变形体以及f42-9、f5、f8断层和煌斑岩脉出露的观测区域。
深部变形监测则是通过在两个揭穿坡体的平洞（PD42、PD44）内布设监测点来完成，共计33个测点，其中PD44有13个测点、PD42（主洞PD42S1及上支洞PD42S2，本文统称PD42）有20个测点。监测点主要记录坡体内部横河向的位移。测点布设见图2。本文选取穿过坡体关键部位以及控制性结构面的横Ⅱ1-Ⅱ1（见图3）、横Ⅴ-Ⅴ剖面（见图4）作为研究对象，并将典型横剖面有关的监测点作为分析对象，通过绘制剖面图以及分析整理相关的测点数据来研究和反馈边坡体的变形特征。
3 横Ⅱ1-Ⅱ1剖面变形监测分析
横Ⅱ1-Ⅱ1剖面相关的表观变形监测点高程分别为：TPL84点高程2 220 m、TPL83点高程2 151 m、TP14-1点高程2 086 m、TP11-2点高程2 051 m、TPL3点高程2 021 m、TPL9点高程1 991 m、TPL22点高程1 916 m、TPL29点高程1 886 m。横Ⅱ1-Ⅱ1剖面坡体开挖深部平洞有PD44、PD48、PD40、PD52、PD50，鉴于PD44揭穿左岸边坡的控制性结构面煌斑岩脉X、断层f42-9以及一系列深拉裂缝，对其进行重点监测，故选择PD44作为深部变形监测分析的对象。
3.1 表观变形监测
通过对横Ⅱ1-Ⅱ1剖面各监测点位移数据的整理，得到各点的水平位移（见图5）、总位移（见图6）、位移方位角（见图7）和位移倾角（见图8）变化曲线。蓄水之后横Ⅱ1-Ⅱ1剖面各监测点水平位移为33.8～84.9 mm，并呈现出从高位到低位逐渐减小的特点，水平位移以Y方向（横河向）的位移分量为主，TPL84、TPL83和TP14-1点的水平位移明显大于其他点的，由此可以看出自然边坡倾倒变形体的横河向位移大于人工开挖边坡的卸荷回弹以及松弛变形。各点水平位移的方位角则集中在115°～130°之间，可以看出边坡是在往略微倾向上游的方向变形。总位移量最大的点是位于自然边坡倾倒变形区高程为2 220 m的TPL84，其变形量达到89.5 mm，其余各点的变形量基本上随着高程的降低而减小。位于开口线以上自然边坡监测点的总位移大于位于人工开挖支护边坡监测点的总位移。其中监测点TPL29的位移倾角保持为负即为仰倾角，主要原因是蓄水以后受库水托力作用，产生了上抬变形。而其余各点的位移倾角集中在18°～28°之间，即竖直方向上的位移始终以沉降为主。 3.2 深部变形监测
PD44平洞位于左岸开挖边坡横Ⅱ1-Ⅱ1勘测线高程1 930 m，处在锦屏水电站一级左岸边坡的上游侧，测洞内共布设13个测点以及12个石墨杆位移计测段，其中以洞底最深标点PD44-13为观测工作的基准点，其余则为测点，共计12个，由内向外编号13～1。PD44各测点水平位移变化曲线见图9。PD44穿过了煌斑岩脉X、断层f42-9以及坡体内部一系列小断层和深拉裂缝。从开始蓄水至今，左岸平洞PD44累计水平位移量达到25 mm。其中0+47（PD44-3）—0+62（PD44-4）测段穿过了部分小断层，其蓄水后的累计变形量为3 mm;煌斑岩脉X则处在0+76（PD44-5）—0+122（PD44-8）测段范围内，其蓄水后的累计变形量为6 mm;0+122（PD44-8）—0+170（PD44-11）测段则包含了断层f42-9以及一系列的深拉裂缝，而该测段也是PD44水平位移量最大的测段，其蓄水后的累计变形量为10 mm。从位移变化曲线可以看出，在施工期PD44的水平位移基本保持平稳增加态势，开始蓄水后整体变形速率有所增大。在首蓄期库水位从1 840 m降至1 800 m，以及初蓄期库水位从1 880 m降低至1 800 m期间，位移出现了大幅度跃升，形成了一个台阶状，在进入运行期后位移速率较之前大幅降低，水平位移以一个较低的速率缓慢增加。根据之前左岸边坡渗流场的研究成果[11]，认为造成这种“跃升”现象的原因是库水位下降时坡体内部受到一个向外的渗透压力而产生水平方向的位移，特别是在软弱结构以及深拉裂缝所在的区域这种变形现象更为明显。
4 横Ⅴ-Ⅴ剖面变形监测分析
横Ⅴ-Ⅴ剖面相关的表观变形监测点高程分别为：TP85点高程2 278 m、TP15-1点高程2 123 m、TP6点高程2 104 m、TP7点高程2 082 m、TPL1点高程2 051 m、TPL15点高程1 946 m、TPL23点高程1 916 m、TPL32点高程1 886 m。横Ⅴ-Ⅴ剖面坡体开挖深部平洞有PD42、PD38、PD64、PD18、PD36、PD24，鉴于PD42揭穿左岸边坡的控制性结构面煌斑岩脉X、断层f42-9以及深部裂缝，对其进行重点监测，故选择PD42作为深部变形监测分析的对象。
4.1 表观变形监测
通过对横Ⅴ-Ⅴ剖面各监测点位移数据的整理，得到各点的水平位移（见图10）、总位移（见图11）、位移方位角（见图12）和位移倾角（见图13）变化曲线。
蓄水之后横Ⅴ-Ⅴ剖面位于自然边坡倾倒变形体的TP85水平位移明显大于位于人工开挖支护边坡其他点的。位于坝头抗力体边坡的TPL32水平位移累计值则明显小于横Ⅱ1-Ⅱ1剖面相同高程的TPL29。从水平位移变化曲线可以看出，在开始蓄水后TPL32基本保持稳定，只有小幅度波动性增长。和TPL32同位于左岸抗力体边坡的TPL23水平位移也明显小于横Ⅱ1-Ⅱ1剖面相同高程的TPL22。蓄水之后随着库水位的上升拱坝对左岸边坡抗力体的推力逐渐增加，这部分推力使得左岸边坡部分区域往略微倾向上游方向的变形有所收敛。TPL32和TPL23的方位角仍然随着库水位的升降而大幅度的波动。总位移最大的点是位于自然边坡倾倒变形区高程为2 278 m的TP85，其余各点的变形量基本上随着高程的降低而减小。TPL32的位移倾角在库水位由1 700 m升至1 840 m期间从-20°急剧减小至-40°，也就是说TPL32在蓄水以后产生了上抬的变形。TPL23和TPL15竖直方向的位移在蓄水之后也由沉降转为抬升，而其余各点竖直方向上的位移始终以沉降为主。
4.2 深部变形监测
左岸PD42平洞（即外支主洞的PD42S1和内向上支洞的PD42S2，本文统一称为PD42）位于左岸开挖边坡横Ⅴ-Ⅴ勘探线高程1 930 m处，处在锦屏水电站一级大坝下游边坡上，平洞全长约255 m。位移测点共19个，以洞底部的标点PD42-20为工作基点开展观测工作。PD42各测点水平位移变化曲线见图14。
从开始蓄水至今，左岸平洞PD42累计水平位移达24 mm，其中上支洞的变形为23 mm，下支洞在蓄水后变形趋于收敛。PD42主要穿过煌斑岩脉X和断层f42-9这两个控制性结构面，洞段0+35（PD42-3）—0+65（PD42-4）蓄水后的累计变形量为21 mm，而该测段也是PD42水平位移最大的测段。从位移变化曲线可以看出，在施工期PD42的水平位移基本保持平稳增加的态势，开始蓄水后整体变形速率有所增大。在首蓄期库水位从1 840 m降至1 800 m和初蓄期库水位从1 880 m降至1 800 m期间，位移出现了小幅度跃升，形成了一个台阶，进入运行期后位移速率较之前有所减小，水平位移以较低的速率缓慢增大，但是仍然没有收敛的趋势。造成PD42水平位移“跃升”现象的原因与PD44是一样的，只是PD42较PD44处于下游侧受库水位升降的影响没有PD44那么显著。
5 变形机制分析
通过上述对左岸边坡布置的两个关键监测剖面表观与深部变形的综合分析，再结合左岸边坡自身地质结构条件可以得知，左岸边坡的持续变形总体上属于在蓄水条件与工程结构荷载下产生，并受坡体“反倾层状结构+深部裂缝+外倾主控结构面分割”的地质结构控制的一种新常态的变形调整。结合典型剖面变形的调整特点来看，其变形调整的概念模式可概括为“上部持续倾倒—深部张裂—表部锁固体松弛—下部与坝体协调”的综合变形机制。
整体上，左岸边坡最高级次的坡体结构为反倾层状结构。而从岩性组成来看，左岸边坡砂板岩区属于硬质岩夹软质岩组合，以各层变质石英砂岩间夹板岩为主，其下伏大理岩体相对较硬，应属于硬质岩组合。由此可见，左岸边坡在砂板岩区的倾倒变形问题显然更为突出，大理岩区或厚层的变质砂岩特别发育的部位，其新形成倾倒变形条件应处于弱势。而属于砂板岩区的高位自然边坡，其浅部的卸荷改造作用也为倾倒变形体的发育和持续变形提供了有利的条件。特别是在开挖线附近高程1 990 m以上岩体普遍存在倾倒拉裂变形现象，该区域的岩体较为松弛和破碎。开口线以上自然边坡监测点的總位移以及垂直方向位移分量均大于人工开挖支护边坡的监测点，并且监测点的位移随着高程的增加而增大，其变形特征符合倾倒变形体的变形特征。蓄水以后下方坡体的变形调整会通过这类具有特殊反倾层状岩体结构对上方的倾倒变形造成“向上累积”效应。自然状态下，在软硬互层状反倾边坡的弯曲拉裂过程中，相对下方硬岩不同的结构特征，软硬互层岩体所经历的表生改造作用程度则决定了倾倒变形的发育深度。在工程扰动边坡上，下方的压缩、倾倒等调整或侧向的开挖卸荷回弹等变形扰动为上方岩体的进一步倾倒变形提供了有利空间，而且使变形往上方累积传递。也就是说，只要下方的工程扰动不停止，这种向上累积效应也就难以自动终止。这是反倾层状结构的倾倒变形自组织效应的体现，也就解释了上部倾倒变形在库水位动态变化情况下不显示出周期性响应的原因。但是库水作用边坡的长期扰动会导致左岸边坡高位倾倒变形体发生不可逆的持续变形[12]。 从PD44和PD42的石墨杆位移计监测数据得知，坡体深部变形主要集中在f42-9断层、深拉裂缝以及煌斑岩脉等软弱结构面所在的区域，变形以水平方向为主，竖直方向的变形并不明显。由此可以看出左岸边坡的整体变形还受到主控结构面以及深拉裂缝的控制。深部变形对于蓄水的响应是较为明显的，蓄水之后坡体内部的饱和区域逐渐扩大，孔隙水压力逐渐增大，软弱结构面会有一定的松弛及力学性质的降低，使得坡体深部变形速率有所增大。特别是在首蓄期与初蓄期库水位降低的情况下，软弱结构面所在的区域水平位移进一步增大，导致这种变形现象的原因是坡体内部渗透系数较小，坡体内部的水无法及时排出，从而形成一个向外的渗透压力，而后运行期坡体内部逐渐适应了库水位升降的影响，深部变形速率有所降低。从两个监测剖面与主控结构面相关的监测数据来看，左岸边坡并未发生以断层f42-9为底滑面以及煌斑岩脉X为后缘边界的整体性大规模滑移，只是在结构面附近产生小幅度的拉裂松弛变形。f42-9断层目前已淡化了自身的底滑面角色，起到了变形底界的分隔作用，即f42-9断层内侧的深部监测显示变形很弱。f42-9断层上盘深部裂缝区的持续拉张变形与大块体沿f42-9断层为典型代表的EW向小断层的左旋回弹相联系（滑移潜势已受限制），而且强支护的群锚效应明显强化、深化了这种作用。
开口线以下人工开挖支护边坡表观点的变形以水平方向的位移为主，并且位移均集中在相同的范围内，体现出该区域受岩体开挖卸荷的影响依然从施工期持續到现在，锚墙锁固的部分坡体浅表部出现整体性侧向松弛卸荷变形。这是背景地位仅次于倾倒变形和深部变形的显著变形特征和持续机理所在。尽管背景地位上不如倾倒变形普遍（开挖区+自然坡体普遍存在），但变形的强度在开挖区更明显，这在开挖区的工程边坡范围也具有普遍意义。临近标准蓄水位1 880 m位置处边坡受库水位升降波动的影响更为明显，随着库水位的不断上升，库水对坡体的浮力逐渐增大，导致该区域竖直方向的位移由施工期的沉降转为抬升。
位于抗力体边坡临近坝头位置的监测点受蓄水后坝肩推力增加的影响，导致该点的累计位移远小于上游侧相同高程位置处的监测点。抗力体坡体的变形必然受到坝体荷载作用的影响，这是坝头边坡既区别于高高程的工程环境边坡又有别于一般意义的库岸边坡的特点所在。所谓“下部与坝体协调”，一是指边坡本身的变形对大坝的加载作用，二是指坝肩推力对边坡的作用。这两方面的协调是动态发展的，可能有利于坝体的应力改善，也可能威胁大坝安全。目前来看，抗力体及坝头边坡运行工况良好，原因在于坝头主要位于f42-9断层下盘，变形的关键部位主要集中在其上盘，而坝头抗力体除表层坝基岩体压密外，深部无明显变形。由此可见，下部坝肩边坡与坝体协调目前仅表现为在蓄水过程中推力作用使抗力体边坡压密、抬升（垂直向上周期性波动）。
6 结 论
（1）锦屏一级水电站左岸开口线以上自然边坡的倾倒变形现象十分普遍，蓄水以后变形保持稳定增长的趋势尚未收敛。该区域的持续变形主要受自身砂岩、板岩软硬互层的岩性组成与岩体结构以及浅表部卸荷改造作用共同控制，受蓄水影响主要体现在蓄水以后下部坡体变形调整的“向上累积”效应。
（2）左岸边坡的整体变形还受主控结构面以及深拉裂缝控制。分析监测数据得知，左岸边坡深部变形主要集中在f42-9断层、深拉裂缝以及煌斑岩脉X所在的区域，变形以水平方向为主，蓄水变形响应也较为明显。深部变形的原因主要是坡体深部裂缝区的持续拉张变形，以及断层f42-9和煌斑岩脉X所体现的非滑移式拉裂松弛变形，而且强支护的群锚效应明显强化、深化了这种作用。
（3）开口线以下人工开挖支护边坡的整体变形以水平方向的位移为主，并且位移具有趋同性，该区域受岩体开挖卸荷的影响较为明显，锚墙锁固的部分坡体浅表部出现整体性侧向松弛卸荷变形。临近1 880 m高程的边坡受蓄水以后库水浮力的增大以及波动的影响较为明显，使得该区域的变形由沉降转为抬升波动。
（4）抗力体坡体的变形主要受坝体荷载作用的影响。“下部与坝体协调”作用在目前来看，除坝头抗力体表层坝基岩体压密外，深部无明显变形，具体表现为在蓄水过程中推力作用使抗力体边坡压密、抬升（垂直向上周期性波动）的特征。
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