胡 波，劉觀標(biāo)，吳中如

(1．國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇南京 210003;2．河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098)

作為世界上已建成的最高拱壩，加其特殊的工程地質(zhì)條件，小灣大壩從設(shè)計(jì)、建設(shè)之初就備受世人關(guān)注，掌握其首次蓄水期壩體變形的時(shí)空演化規(guī)律是保障工程建設(shè)和運(yùn)行安全的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題［1］。小灣大壩變形監(jiān)測(cè)工作得到了業(yè)主、設(shè)計(jì)單位及眾多專家的高度重視，較為少見地在首蓄期就實(shí)施了垂線、靜力水準(zhǔn)等自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，較為完整、細(xì)致、準(zhǔn)確地捕捉到了大壩變形的變化發(fā)展全過程，為進(jìn)一步深入分析提供了寶貴的資料。

本文基于實(shí)測(cè)成果，總結(jié)和歸納了壩體變形的時(shí)空演化規(guī)律，從中提煉出若干需要重點(diǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)問題。針對(duì)這些問題，運(yùn)用作圖分析、特征值統(tǒng)計(jì)分析、成因建模分析、綜合類比等方法進(jìn)行分析和探討，總結(jié)壩體的變形規(guī)律，分析變形的成因及發(fā)展趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)工程的安全性態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 變形監(jiān)測(cè)

1．1 工程概況

小灣水電站位于云南省界內(nèi)瀾滄江中游河段，工程以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、灌溉、防洪、攔沙、旅游和養(yǎng)殖等綜合利用，發(fā)電裝機(jī)容量 4200 MW，屬于大(1)型一等工程［2］。小灣水電站主壩采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高294.5 m，庫(kù)容約為1.49×1010m3，具有多年調(diào)節(jié)能力，是瀾滄江中下游河段的龍頭水庫(kù)。

小灣水庫(kù)壩址區(qū)河谷深切，岸坡陡峻，為典型的“V”形河谷。壩區(qū)地質(zhì)、水文條件復(fù)雜，壩基巖體主要為黑云花崗片麻巖和角閃斜長(zhǎng)片麻巖，建基面有一條Ⅱ級(jí)斷層出露，發(fā)育近EW向和近SN向兩組陡傾IV級(jí)結(jié)構(gòu)面。壩址兩岸山體受到強(qiáng)烈的卸荷作用，最大卸荷深度達(dá)160 m，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，地下水主要為基巖裂隙潛水，屬于中高地應(yīng)力區(qū)。由于壩基開挖深度大、地應(yīng)力高，開挖過程中出現(xiàn)了“蔥皮”、“板裂”等巖體松弛現(xiàn)象［3］。

1．2 變形監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)況

壩體水平變形主要采用了垂線、邊角前方交會(huì)法、壩頂GPS和三維真空激光等方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)［4］?？紤]到垂線系統(tǒng)實(shí)施了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，獲得的監(jiān)測(cè)值序列較長(zhǎng)，較為完整、細(xì)致地捕捉到了壩體變形的過程，下文重點(diǎn)采用垂線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

在4、9、15、19、22、25、29、35、41 號(hào)壩段各層廊道分段設(shè)置正垂線，并分別在基礎(chǔ)廊道或灌漿廊道中和倒垂線相銜接，以監(jiān)測(cè)水平變形和撓度［2］，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。垂線測(cè)點(diǎn)采用南京南瑞集團(tuán)公司生產(chǎn)的電容式雙向垂線坐標(biāo)儀進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，量程主要有50mm和100mm兩種，測(cè)量精度為0.1mm，水平位移向下游為正，向左岸為正，反之為負(fù)。

圖1 垂線監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2 壩體變形時(shí)空演化規(guī)律

各壩段水平位移演化過程明顯受到庫(kù)水位的影響，基本能與蓄水進(jìn)程對(duì)應(yīng)，徑向位移明顯大于切向。以拱冠梁為例，分析位移的時(shí)間演化規(guī)律，各測(cè)點(diǎn)徑向和切向位移過程線如圖2所示。

由圖2可知，拱冠梁徑向位移量級(jí)遠(yuǎn)大于切向。導(dǎo)流底孔下閘前，隨著庫(kù)水位的抬升，壩體略有向上游方向小幅變位的趨勢(shì)，其中測(cè)點(diǎn)PL-02向上游最大變位13.3 mm。導(dǎo)流底孔下閘后，水位繼續(xù)抬升，壩體開始向下游變位，其中測(cè)點(diǎn)PL-01向下游最大變位116.3mm。各典型工況下拱冠梁徑向位移空間分布情況如圖3所示，其中工況1庫(kù)水位 1038.7 m，工況2庫(kù)水位 1160.3 m，工況3庫(kù)水位 1218.4 m，工況4庫(kù)水位1240.0 m(正常蓄水位)。

圖2 拱冠梁各測(cè)點(diǎn)位移過程線

圖3 拱冠梁撓度分布

由圖3可知，拱冠梁徑向位移隨著測(cè)點(diǎn)高程的增大而增大，壩頂徑向位移大于壩基。正常蓄水位下拱冠梁壩頂徑向位移達(dá)116.3 mm，同測(cè)次壩基廊道徑向位移為7.9 mm。壩體撓度線近似呈拋物線形態(tài)。

導(dǎo)流底孔下閘后，庫(kù)水位抬升，大壩受到的水推力增大，壩體向下游方向變位，整體規(guī)律符合一般認(rèn)識(shí)，下文重點(diǎn)對(duì)兩個(gè)問題展開討論:第一，蓄水早期，庫(kù)水位抬升，壩體為何向上游變位?其二，中高水位條件下，壩體向下游方向變形的量級(jí)及變化趨勢(shì)是否正常，是否超過控制指標(biāo)，變形發(fā)展情況是否趨于收斂?

3 蓄水早期壩體傾向上游現(xiàn)象分析

導(dǎo)流底孔下閘前，可能引起壩體向上游變位的原因主要有:壩體倒懸結(jié)構(gòu)的混凝土重力作用;氣溫上升;庫(kù)盤下沉。下面對(duì)這幾個(gè)因素展開分析。

3．1 倒懸結(jié)構(gòu)影響定性分析

根據(jù)施工資料［5］，拱冠梁倒懸結(jié)構(gòu)主體部分在蓄水前已基本澆筑完成。實(shí)測(cè)成果表明:蓄水早期壩體傾向上游主要發(fā)生在導(dǎo)流洞下閘(2008-12-16)至導(dǎo)流底孔下閘(2009-06-28)時(shí)段，因壩體為倒懸結(jié)構(gòu)，該時(shí)段重力所產(chǎn)生的向上游傾斜彎矩的增量很小，且由于壩體澆筑所增加的重力將增大向下游方向傾斜的力矩。由此推斷，蓄水早期壩體向上游傾斜的現(xiàn)象與壩體倒懸結(jié)構(gòu)澆筑無直接關(guān)系。

3．2 溫度影響定性分析

拱冠梁徑向位移與氣溫綜合過程線如圖4所示。

圖4 拱冠梁徑向位移、氣溫綜合過程線

由圖4可知，從導(dǎo)流洞下閘封堵(氣溫15.1℃)到導(dǎo)流底孔下閘這段時(shí)間，氣溫先小幅下降，2009年1月15日氣溫降至10.6℃;此后氣溫逐步回升，2009年7月19日升至27.9℃。導(dǎo)流洞下閘至2009年1月15日期間氣溫下降了4.5℃，如果氣溫是主導(dǎo)因素，壩體理應(yīng)先微微向下游方向變位;然而實(shí)際并未觀測(cè)到這種現(xiàn)象。氣溫是決定這一階段變形特性的主導(dǎo)因素這一假設(shè)值得懷疑。再者，變形量中溫度變化的貢獻(xiàn)到底有多大?導(dǎo)流洞下閘至導(dǎo)流底孔下閘期間，氣溫變幅約17℃，僅氣溫上升一個(gè)因素，能否導(dǎo)致壩體向上游變位最大達(dá)13 mm?

由圖2可知，蓄水早期壩體向上游傾斜的時(shí)間點(diǎn)與蓄水進(jìn)程有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。下文將通過建立數(shù)學(xué)模型，探討拱冠梁徑向位移與庫(kù)水位、溫度等影響因素之間的定量關(guān)系。

3．3 庫(kù)水位、溫度、時(shí)效定量分析

為了弄清庫(kù)水位、溫度及時(shí)效等因素對(duì)壩體徑向位移的影響，基于實(shí)測(cè)成果建立壩體位移數(shù)學(xué)模型。位移模式按下式構(gòu)造:

式中:δ為徑向位移;H和H0分別為監(jiān)測(cè)日和基準(zhǔn)日所對(duì)應(yīng)的水頭;t為監(jiān)測(cè)日至始測(cè)日的天數(shù);Ti和Ti0分別為監(jiān)測(cè)日和基準(zhǔn)日所對(duì)應(yīng)的各高程拱圈平均溫度;Ii為時(shí)效模式;ai、b1i、b2i、bi和 ci為待定系數(shù)。

模型分析主要成果見表1，表中R為復(fù)相關(guān)系數(shù);P為相對(duì)精度，為剩余標(biāo)準(zhǔn)差與測(cè)值變幅之比。

表1 拱冠梁位移分量分解

由表1可知，數(shù)學(xué)模型擬合復(fù)相關(guān)系數(shù)均大于0.95，相對(duì)誤差小于1%，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值十分接近，這說明模型有較高的精度。分析表明，庫(kù)水位是影響位移變化的最主要因素，各測(cè)點(diǎn)水壓分量變幅在32.1～121.6 mm之間，對(duì)變形的貢獻(xiàn)比例最高，占70.8% ～89.3%;溫度和時(shí)效影響相對(duì)較小，各測(cè)點(diǎn)溫度分量變幅在3.7～18.8 mm之間，貢獻(xiàn)占7.5% ～16.5%;時(shí)效分量變幅在3.4～17.2mm之間，貢獻(xiàn)占3.2% ～19.1%。

典型測(cè)點(diǎn)(拱冠梁PL-03)徑向位移水壓分量、溫度分量及時(shí)效分量過程線如圖5所示。

圖5 拱冠梁PL-03徑向位移分量過程線

由表1和圖5可知，庫(kù)水位是蓄水初期引起拱冠梁PL-03測(cè)點(diǎn)向上游傾斜的主要原因(貢獻(xiàn)占60%以上);該時(shí)段內(nèi)溫度上升也使得壩體微微向上游變位，但不是主要原因(貢獻(xiàn)小于20%)。2010年水位蓄至1160 m后，水壓分量呈現(xiàn)一定的年周期變化。溫度分量呈現(xiàn)明顯的年周期變化。時(shí)效分量在蓄水初期增速較快，隨后逐漸趨緩。

庫(kù)水對(duì)壩體變形有兩種效應(yīng):其一，庫(kù)水重力使得庫(kù)盤下沉，導(dǎo)致壩基壩體向上游傾斜，表現(xiàn)為徑向位移測(cè)值與庫(kù)水位負(fù)相關(guān)(效應(yīng)1);其二，庫(kù)水壓力產(chǎn)生向下游方向的推力，使得壩體向下游方向變位，表現(xiàn)為測(cè)值與庫(kù)水位正相關(guān)(效應(yīng)2)。其作用示意如圖6所示。

6 庫(kù)水對(duì)壩體徑向位移影響示意圖

不同的蓄水階段，對(duì)位移起主導(dǎo)作用的效應(yīng)不同。蓄水初期水重力荷載剛剛加載，庫(kù)盤較為松散的巖土體處于固結(jié)初期，此階段庫(kù)盤沉降速率較大，同時(shí)庫(kù)水對(duì)壩體向下游的推力較小，此時(shí)效應(yīng)1占主導(dǎo)地位;導(dǎo)流底孔下閘后，庫(kù)盤已沉降一段時(shí)間，沉降速率相對(duì)趨緩，同時(shí)水位快速上升，向下游的水推力顯著增大，效應(yīng)2開始占主導(dǎo)地位?？梢娦钏缙趲?kù)水自重引起庫(kù)盤下沉是造成壩體向上游傾斜的主要原因。

4 大壩變形趨勢(shì)分析

時(shí)效變形的發(fā)展變化規(guī)律一定程度上反映了大壩的運(yùn)行狀態(tài)。如果蓄水很長(zhǎng)時(shí)間后，大壩時(shí)效變形突然增大或仍變化劇烈，很可能是大壩病態(tài)工作的征兆。因此，提取變形時(shí)效分量，分析其變化趨勢(shì)意義重大。拱冠梁各測(cè)點(diǎn)徑向位移時(shí)效分量如圖7所示。

圖7 拱冠梁各測(cè)點(diǎn)徑向位移時(shí)效分量

由圖7可知，拱冠梁各高程徑向位移時(shí)效分量在蓄水初期增速較快(變幅范圍為6.6～15.7 mm)，2011年4月以來位移時(shí)效分量增速已逐漸放緩并趨于收斂，這對(duì)大壩安全是有利的。

5 綜合對(duì)比分析

5．1 數(shù)值仿真成果與實(shí)測(cè)值比較

將拱冠梁徑向位移數(shù)值仿真成果［4］和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，庫(kù)水位從996 m升至 1240 m高程期間，拱冠梁各測(cè)點(diǎn)的徑向位移增量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況如圖8所示。

圖8 拱冠梁徑向位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

總體上計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為一致，計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值，差異量小于變形總增量的10%。差異主要是仿真模型力學(xué)邊界條件、材料參數(shù)等與實(shí)際情況不完全相同所致，小的差異在允許范圍內(nèi)。通過對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，原型監(jiān)測(cè)與數(shù)值仿真成果較為吻合，兩類方法得到的結(jié)果互為印證，均一致表明，在1240 m高程水位條件下，盡管壩體河床壩段徑向變形較大，仍符合模型描述的力學(xué)規(guī)律，屬于正常情況。

5．2 數(shù)學(xué)模型分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較

以監(jiān)控模型為參考，將實(shí)測(cè)值與模型分析結(jié)果進(jìn)行比較，據(jù)此評(píng)估實(shí)測(cè)值所反映的狀態(tài)。以典型測(cè)點(diǎn)PL-03為例，拱冠梁徑向位移模型分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況如圖9所示，圖中S為模型剩余標(biāo)準(zhǔn)差。

由圖9可知，拱冠梁位移實(shí)測(cè)值絕大部分時(shí)間位于模型分析結(jié)果正負(fù)2倍標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)間范圍，全都在正負(fù)3倍標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)間范圍內(nèi)，模型分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近，這一方面驗(yàn)證了所建立的數(shù)學(xué)模型的正確性，另一方面也說明拱冠梁徑向變形實(shí)測(cè)值符合數(shù)學(xué)模型所描述的規(guī)律。

5．3 設(shè)計(jì)預(yù)警指標(biāo)與實(shí)測(cè)值的比較

拱冠梁壩頂實(shí)測(cè)值與預(yù)警指標(biāo)［5］比較如圖10所示。

圖9 拱冠梁PL-03徑向位移實(shí)測(cè)值與模型分析結(jié)果比較

圖10 拱冠梁壩頂徑向位移實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)預(yù)警指標(biāo)比較

由圖10可知，各典型高庫(kù)水位運(yùn)行工況條件下，拱冠梁壩頂徑向位移實(shí)測(cè)值均未超過設(shè)計(jì)預(yù)警指標(biāo)，其中正常蓄水位位移實(shí)測(cè)值為116.3 mm，未超過預(yù)警指標(biāo)123.6 mm，說明正常庫(kù)水位條件下該部位的變形量正常。

5．4 與同類工程實(shí)測(cè)值的比較

二灘拱壩最大壩高240m，電站于1998年5月1日正式下閘蓄水，1999年10月底蓄至正常蓄水位，至今已正常運(yùn)行10余年。為了監(jiān)測(cè)壩體的徑向位移，在拱冠梁、接近左右1/2拱斷面、左右1/4拱斷面布置了垂線。

資料顯示［6］，二灘大壩徑向位移近似對(duì)稱分布，河床段位移較大(拱冠梁最大值為106.2 mm)，岸坡位移較小;從時(shí)間尺度來看，位移明顯與庫(kù)水位正相關(guān)。總體來看，小灣徑向位移的空間分布和時(shí)間演化規(guī)律與二灘類似。兩座大壩徑向變形對(duì)比情況如表2所示。

表2 小灣與二灘首蓄期拱冠梁壩頂徑向變形實(shí)測(cè)值比較

由表2可知，小灣拱冠梁壩頂首蓄期位移變幅絕對(duì)值(116.3 mm)比二灘(106.2 mm)稍大，但小灣單位水頭徑向位移變幅(0.522 mm/m)比二灘還小(0.614 mm/m)。二灘大壩建在地質(zhì)條件較好的正長(zhǎng)巖、玄武巖基礎(chǔ)之上，至今已安全運(yùn)行十余年。可以推斷小灣大壩當(dāng)前的變形量屬正常。

綜合對(duì)比不難看出，盡管小灣壩體變形量值較大，但變形規(guī)律總體正常。

6 主要結(jié)論

基于實(shí)測(cè)和數(shù)值仿真計(jì)算成果，運(yùn)用作圖分析、特征值統(tǒng)計(jì)分析、成因建模分析、綜合類比等方法，對(duì)小灣大壩首蓄期的壩體變形規(guī)律及工程安全性態(tài)進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，主要得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

a．自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自下閘蓄水前即開始運(yùn)行，取得了大量可靠性高、連續(xù)性好、精度高的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，較為完整、細(xì)致地捕捉到了壩體變形發(fā)生、發(fā)展的全過程，為大壩安全狀態(tài)評(píng)價(jià)及蓄水決策提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也為深入研究特高拱壩首蓄期的變形特性等科研工作提供了寶貴資料。

b．水位蓄至正常蓄水位期間，大壩各壩段的徑向位移沿拱圈方向總體基本對(duì)稱，徑向位移在河床壩段變幅大，并向兩岸遞減，其中拱冠梁變形最大，達(dá)116.3 mm;壩體撓度曲線近似呈拋物線形態(tài)，壩頂位移普遍大于壩基。時(shí)間尺度上，蓄水早期壩體稍稍向上游變位(最大13.3 mm)，導(dǎo)流底孔下閘后，壩體開始向下游變位(最大116.3 mm)。切向位移沿拱圈方向亦基本對(duì)稱，近似以拱冠梁為中心呈雙峰型反對(duì)稱分布。時(shí)間尺度上，隨著庫(kù)水位的抬升，壩體向兩岸山體方向變位。

c．關(guān)于蓄水早期壩體向上游傾斜，分析發(fā)現(xiàn)，這主要由于庫(kù)水自重引起庫(kù)盤下沉所致，該時(shí)段內(nèi)溫度上升因素的貢獻(xiàn)相對(duì)較小(小于20%)，拱壩的倒懸結(jié)構(gòu)也不是主要原因。

d．關(guān)于壩體變形成因，分析表明，庫(kù)水位是壩體徑向位移變化最主要的影響因素(變幅占總量50.9% ～89.3%)，溫度和時(shí)效的影響相對(duì)較小(絕大部分未超過變幅總量的25%)。

e．關(guān)于變形發(fā)展趨勢(shì)，模型分析表明，能反映結(jié)構(gòu)工作安全狀態(tài)的時(shí)效變形分量占總變形變幅的比例相對(duì)較小(占10.9% ～21.9%)，且自2011年4月以來已逐漸放緩并趨于收斂。時(shí)效變形量值不大且較快趨于收斂，表明小灣壩體和壩基整體性較好，未出現(xiàn)趨勢(shì)性不收斂現(xiàn)象，這對(duì)大壩安全是有利的。

f．關(guān)于“立體式”綜合對(duì)比分析，通過將數(shù)值仿真計(jì)算成果與實(shí)測(cè)值比較、模型分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較、設(shè)計(jì)預(yù)警指標(biāo)與實(shí)測(cè)值比較、小灣工程與同類工程實(shí)測(cè)值比較，發(fā)現(xiàn)各種方法得到的結(jié)論總體一致、吻合較好，成果互為補(bǔ)充和校驗(yàn)。

綜上所述，經(jīng)過變形成因分析、焦點(diǎn)問題分析，認(rèn)為小灣大壩經(jīng)受了 1240 m正常蓄水位工況下的綜合考驗(yàn)，盡管壩體變形量值較大，但變形規(guī)律總體正常，大壩首蓄期處于安全狀態(tài)。

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