張 毅，李 季，胡鎖鋼，鄧 義

（黃河上游水電開發(fā)有限責任公司，青海西寧，810008）

0 引言

李家峽水電站是一座以發(fā)電為主的日、周調(diào)節(jié)性能水電站，距上游龍羊峽、拉西瓦水電站河道里程分別為108.6 km和73 km。工程以發(fā)電為主，兼有灌溉等綜合利用效益。水庫總庫容17.5億m3，設(shè)計洪水位2 181.3 m，相應(yīng)庫容16.5億m3，正常蓄水位2 180.0 m，死水位2 178.0 m，調(diào)節(jié)庫容0.6億m3。大壩為混凝土三圓心雙曲拱壩，壩頂高程2 185 m，最大壩高155 m。工程于1988年4月開工，1996年12月下閘蓄水，1999年一期工程4臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電，2001年完成工程竣工安全鑒定，2008年完成工程首次大壩安全定期檢查，評定為正常壩。樞紐布置見圖1。

李家峽水庫1996年12月26日下閘蓄水，初期蓄水水位為2 145 m，先后經(jīng)歷了6次水位抬升過程，2001年11月水位到達正常蓄水位，此后為滿足電網(wǎng)特殊運行情況，留有一定安全余地且使庫水位基本維持在2 178～2 180 m之間運行。李家峽壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，庫水位抬升至正常蓄水位后，水位波動幅度不大。為研究掌握大壩加載、卸載過程運行特性，建立庫水位在設(shè)計洪水位短期內(nèi)小幅度波動條件下大壩安全快速評價方法，黃河公司于2009～2010年開展了李家峽大壩原型觀測試驗研究。

圖1 李家峽水電站樞紐布置圖Fig.1 Layout of Lijiaxia hydropower station

1 李家峽壩址地質(zhì)環(huán)境

李家峽壩址河谷斷面呈“V”型，左岸岸坡約45°，右岸岸坡約50°，兩岸基本對稱，壩頂河谷寬高比約2∶1。壩址右岸山勢較高，山體雄厚，距壩軸線上游90～630 m分布有總體積約692萬m3的Ⅰ號滑坡體。壩址左岸為三面臨空的單薄山梁，壩軸線上游830～2 030 m分布有總體積約1 845萬m3的Ⅱ號滑坡體。

壩址區(qū)巖石主要由前震旦系混合巖與片巖組成，其間有華力西期的花崗偉晶巖脈、巖株穿插。壩基三種巖體均屬堅硬巖體，力學強度較高，透水性差。根據(jù)施工期間揭露的地質(zhì)條件，李家峽壩址區(qū)主要的工程地質(zhì)問題有：左壩肩f20斷層上盤巖體的抗滑穩(wěn)定問題，巖體模量降低后，對壩體和壩基的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定的影響問題；河床F50～F20-1～F20之間軟弱破碎巖區(qū)的變形及對大壩應(yīng)力、變形的影響問題，以及該區(qū)的集中滲漏和可能發(fā)生的滲透破壞問題；左岸F26斷層、右岸F27斷層對壩肩巖體穩(wěn)定的影響問題；左岸F32斷層、右岸F43斷層局部集中滲漏問題；壩前Ⅰ號、Ⅱ號滑坡體的穩(wěn)定問題。工程建設(shè)時對壩基進行了高壓固結(jié)灌漿和帷幕灌漿，設(shè)置了混凝土塞。河床壩基各種裂隙十分發(fā)育，在斷層、裂隙的交匯切割下，巖體較為破碎，壩基開挖形成了一個橫跨11～13號壩段、水平面積約500 m2、深6 m的槽。

李家峽大壩及基礎(chǔ)埋設(shè)了大量的監(jiān)測儀器、設(shè)備。在大壩蓄水初期，鑒于李家峽水電站壩址惡劣的地質(zhì)條件，根據(jù)初期蓄水大壩安全鑒定要求，進行了一系列旨在提高大壩超載安全儲備的加固措施。主要措施有：對河床壩段斷層交匯帶在壩基廊道內(nèi)進行中化-798化學灌漿；左壩肩下游新增加貼角混凝土1 210 m3，并布置了15根6 000 kN級預(yù)應(yīng)力錨索，孔深最深達100 m；在重力墩上布置36根6 000 kN級預(yù)應(yīng)力錨索，錨索孔深100 m、85 m、60 m，并覆蓋2.5 m厚混凝土；右岸1號壩段下游壩肩布置了29根3 000 kN級預(yù)應(yīng)力錨索。

2 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)概況

李家峽大壩及基礎(chǔ)埋設(shè)了大量的監(jiān)測儀器、設(shè)備，監(jiān)測項目包括變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、接縫等。監(jiān)測項目與測點統(tǒng)計見表1。

3 大壩原型觀測試驗方法

黃河龍羊峽以下梯級水電站群中，龍羊峽-拉西瓦-李家峽水電站首尾相接。李家峽大壩原型觀測試驗是利用上游拉西瓦水電站2009年3月下閘蓄水和其后分階段提高水位的有利時機，按照事先擬定的水庫調(diào)度方案，人為控制庫水位快速升降實現(xiàn)的。

表1 李家峽大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)測點統(tǒng)計表Table 1 Statistics of the monitoring points in the safety monitoring system of Lijiaxia dam

原型觀測試驗研究的技術(shù)重點在于：（1）庫水位小幅度波動條件下，大壩安全快速評估因子的選擇、評價方法和預(yù)警指標；（2）一般情況下壩肩超載加固措施主要用于儲備，擬通過水位升降試驗和力學計算找出超載加固效果的間接評價方法；（3）設(shè)計洪水位下大壩工作性態(tài)預(yù)判（溫度荷載變化影響也是必須考慮的因素）。

4 大壩原型觀測試驗過程

李家峽水庫于2009年進行了兩次原型加密觀測試驗。依靠電站大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，結(jié)合人工巡視檢查，開展加密觀測試驗工作。

第一次加密觀測試驗時間段為2009年2月25日～3月12日。試驗期間，水庫實際最高水位達到2 181.35 m（2月28日6∶00），最低水位為2 174.60 m（3月7日20∶30），水位升降符合預(yù)定試驗條件，獲取了設(shè)計洪水位工況和庫水位小幅度波動條件下的原型觀測資料。水庫巡視檢查、現(xiàn)場巡視檢查未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，水電站機電設(shè)備運行正常。試驗期間和試驗后，對電站庫區(qū)Ⅰ號、Ⅱ號滑坡體、左岸重力墩等部位的巡視檢查未見異常。

第二次加密觀測試驗時間段為2009年10月16日～11月19日。試驗期間，分別進行了水位先上升至超載，后下降到原正常水位的試驗，獲取了非汛期李家峽大壩在正常高水位以上且環(huán)境溫度較大幅度下降過程中的變形監(jiān)測資料。試驗期間和試驗后，對電站庫區(qū)Ⅰ號、Ⅱ號滑坡體、左岸重力墩等部位的巡視檢查未見異常。試驗工作在預(yù)定時間順利完成，達到了預(yù)期目的。

李家峽庫水位2009年變化過程線見圖2。

圖2 李家峽水庫上游水位2009年變化過程線Fig.2 Graph of upstream reservoir level of Lijiaxia dam in 2009

為獲取李家峽水庫正常調(diào)度情況下水位變動和溫度變化過程中的大壩變形加密觀測資料，2010年4月10日～6月20日補充開展了李家峽大壩加密觀測試驗工作。

5 大壩原型觀測資料分析

大壩原型觀測資料分析范圍從1999年8月～2010年12月。主要內(nèi)容：變形監(jiān)測資料分析、壩基滲流及繞壩滲流監(jiān)測資料分析、測縫計、多點變位計、錯動儀、應(yīng)變計及金三角裂縫監(jiān)測資料分析。

資料分析技術(shù)路線：對李家峽大壩原型觀測試驗期間的觀測資料和歷史觀測資料進行整編和考證，重點關(guān)注2004年、2008年年底以及2009年原型觀測試驗期間的觀測資料。長序列資料和短序列加密資料分析以時空分析為主。分析中重點關(guān)注左岸重力墩及基礎(chǔ)的變形和滲流問題。

資料分析主要結(jié)論：

（1）垂線：從垂線監(jiān)測資料來看，壩體水平位移表現(xiàn)為水位上升大壩總體向下游位移、左右1/4拱向兩岸變形，左岸重力墩和F7部位的垂線資料未見與水位的相關(guān)關(guān)系。從撓曲線情況看，在2009年2～3月份達到2 181.35 m庫水位的加密觀測時段，大壩的撓曲變形處于2007年和2008年同時段量值范圍內(nèi)?？傮w看2 181.35 m高水位期間大壩水平位移正常。

（2）垂直位移：2002年以后大壩垂直位移總體表現(xiàn)為穩(wěn)定的周期性變化，變形特征符合一般規(guī)律。就2004年8月、2008年下半年、2009年2～3月水位波動較大期間的資料分析看，規(guī)律性正常，在幾次6 m左右的水位波動期間，垂直位移及傾斜變形量值相當，未見水位達到2 181.35 m時有特殊情況。總體看垂直位移性態(tài)正常。

（3）谷幅、弦長：人工觀測精度較低，水位大幅度波動期間未見相應(yīng)變化。

（4）滲流：壩基揚壓力除6、16、17壩段測值較大屬歷史遺留問題，河床部位有趨勢性升高并處于嚴密的監(jiān)視之下，其他部位測值穩(wěn)定；繞壩滲流規(guī)律性保持穩(wěn)定；滲漏量總體較小，但左岸兩個測點50Z2、50Z3與降雨量關(guān)系密切，需加以關(guān)注。從水位較大波動時的對應(yīng)資料看：揚壓力只有Y7-1、Y18-1與庫水位變化有關(guān)系，但兩孔測值并不高；帷幕下游的繞滲孔未見明顯影響；滲漏量未見與庫水位有關(guān)系?？傮w看，滲流狀況未見向不利的方向發(fā)展。

（5）2002年以后，庫水位在正常高水位附近波動，期間壩體接縫、大壩與巖石接縫、基巖多點變位計和巖石變位計監(jiān)測資料顯示，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，部分帶有周期性和趨勢性的測點在2009年仍然維持原有規(guī)律。本次采用的歷次水位較大波動時期的資料均未見與水位相關(guān)的跡象。

總之，除壩基揚壓力部分測點測值較大屬歷史遺留問題外，其他各類測點測值反映大壩總體工作正常。2002年以后（進入正常高水位運行狀態(tài)），庫水位較大波動在一些測點測值中有所反映，但其前后的規(guī)律保持不變，2009年2～3月出現(xiàn)的2 181.35 m高水位時的變形與其他時段水位較大波動（同為6 m左右）時的量值相當，未見異常。

6 試驗研究主要成果

（1）加密觀測資料分析結(jié)果表明，大壩在試驗期間加卸載過程中處于彈性工作狀態(tài)，水壓作用效應(yīng)未發(fā)生變化，拱壩結(jié)構(gòu)整體性完好，壩體、壩基變形總體平穩(wěn)，壩基防滲帷幕基本正常，各主要斷裂部位未見異常滲漏，壩肩巖體穩(wěn)定，原型觀測試驗期間大壩工作性態(tài)未出現(xiàn)明顯的異?，F(xiàn)象，大壩運行正常。

（2）試驗研究中設(shè)計了大壩安全快速評估框架，開發(fā)了評估軟件，確定了評判準則，建立了李家峽拱壩快速評估系統(tǒng)。利用評估準則，通過構(gòu)建具體的數(shù)學評判模型，實現(xiàn)了對李家峽大壩及基礎(chǔ)工作性態(tài)的快速評價，并且確定了庫水位小幅度波動條件下大壩安全快速評估因子的選擇、評價方法和預(yù)警指標，實現(xiàn)實時動態(tài)對壩體運行狀態(tài)進行快速監(jiān)控評估，利用快速評估系統(tǒng)對試驗期間的測點測值進行評估，得出李家峽大壩壩體變形、滲流和壩基、兩岸壩肩等關(guān)鍵部位監(jiān)測測點均處于正常狀態(tài)，部分處于基本正常狀態(tài)。

（3）建立了李家峽大壩左岸壩肩超載加固效應(yīng)評價的有限元模型。李家峽拱壩有限元計算模型的范圍：上游方向取1倍左右壩高（約150 m），左右壩肩各取1倍左右壩高（約150 m），下游方向取2倍壩高（約300 m），壩基巖體取1.5倍壩高（約200 m）。為了模擬左岸壩肩錨索加固的效應(yīng)，建立的三維有限元模型包括壩體、壩基（含壩肩）、庫盤、左中孔、左底孔、右中孔、壩后背管及2 059 m高程鎮(zhèn)墩等，其有限元模型見圖3所示。另外，在左岸下游壩肩重力墩及高邊坡中加入了錨索單元，圖4為左岸壩肩重力墩超載加固模型，圖5為左岸壩肩重力墩超載加固錨索模型。結(jié)合李家峽拱壩原型觀測試驗，研究了李家峽左岸壩肩錨索加固的效果評價方法，從壩肩監(jiān)測體系及有限元數(shù)值仿真模擬兩方面，建立了壩肩超載加固效果評價體系，并根據(jù)所建立的評價體系，對李家峽拱壩左岸壩肩超載加固效應(yīng)進行了評價。認為超載加固措施的實施使大壩、壩基及兩岸壩肩滿足了安全要求，具備了足夠的超載安全度。

圖3 李家峽拱壩有限元模型Fig.3 Finite element model for Lijiaxia arch dam

圖4 左岸壩肩重力墩超載加固模型Fig.4 Reinforcement model for the overloading gravity pier at the left abutment

圖5 左岸壩肩重力墩超載加固錨索模型Fig.5 Model of the reinforcement anchor cables for the over?loading gravity pier at the left abutment

（4）利用李家峽大壩左岸壩肩超載加固效應(yīng)評價的有限元模型，確立了水位大變動、高水位小幅波動及左岸壩肩重力墩錨索工作狀態(tài)變化對大壩影響的荷載工況，通過水位升降試驗和力學計算提出了左壩肩錨索測力計失效情況下超載加固效果間接評價方法。

7 結(jié)語

李家峽大壩原型觀測試驗因有上游龍羊峽水庫調(diào)節(jié)，具備人為控制庫水位的獨特條件，獲取人為控制水位試驗下的高拱壩原型加密觀測資料在國內(nèi)尚屬首次。通過大壩原型觀測試驗研究，深化了對大壩工作性態(tài)的認識，建立并完善了大壩安全快速評價系統(tǒng)，使大壩安全運行處在可控和在控狀態(tài)，進一步提高了大壩安全管理和大壩安全分析評價能力。李家峽大壩原型觀測試驗研究方法可以借鑒到類似徑流式水電站中指導(dǎo)和評價大壩安全運行工作。

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