杜小凱，王民浩，黨林才，李　瓚，顧沖時

(1.水電水利規(guī)劃設計總院，北京100120；2.中國電力建設集團有限公司，

北京100048；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710065；

4.河海大學，南京江蘇210098)

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高拱壩庫盤變形及對大壩工作性態(tài)影響初探

杜小凱1，王民浩2，黨林才1，李瓚3，顧沖時4

(1.水電水利規(guī)劃設計總院，北京100120；2.中國電力建設集團有限公司，

北京100048；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710065；

4.河海大學，南京江蘇210098)

摘要：通過對高拱壩庫盤實測變形進行分析，庫盤整體呈壩前下沉、壩后相對基準點略有抬升的翹曲變形。研究了庫盤變形的影響因素，結合小灣工程，建立包括庫區(qū)、壩基和大壩的大范圍數(shù)值模型，開展高拱壩庫盤變形對大壩工作性態(tài)影響的初步研究工作。研究成果揭示了庫盤變形的一般性規(guī)律，并提出了評價大壩工作性態(tài)時應考慮庫盤變形影響的建議。

關鍵詞：高拱壩；庫盤變形；監(jiān)測；工作性態(tài)；反演

0引言

我國西部地區(qū)水能資源富集，正在修建或擬建一系列高壩大庫水電工程，其中混凝土拱壩占有一定比例，例如壩高294.5 m、總庫容150億m3的小灣拱壩，壩高305 m、總庫容77.65億m3的錦屏一級拱壩，壩高289 m、總庫容206.2億m3的白鶴灘拱壩等。這些工程地形地質(zhì)條件復雜[1- 2]，工程技術難度大，如何確保工程安全和科學設計，對工程師提出了更高的要求。工程經(jīng)驗表明，拱壩壩身最大徑向位移是衡量拱壩工作性態(tài)和安全性的重要指標，但常規(guī)的高拱壩工作性態(tài)分析研究中，忽略了庫盤變形的影響。20世紀80年代，已有工程師注意到高拱壩庫盤變形的問題，并開展了探索性的研究工作[3- 4]。隨著水電工程設計和科學技術水平的發(fā)展，對高拱壩的庫盤變形問題認識不斷深入，高拱壩庫盤變形研究中需要注意和解決的關鍵科學技術問題也相應需要進行系統(tǒng)深入的研究。

1問題的提出

工程師在實際工作中往往發(fā)現(xiàn)拱壩壩體變形的數(shù)值計算成果與監(jiān)測數(shù)據(jù)差異很大，也有一些工程在蓄水階段的監(jiān)測資料表明：在庫水位、溫度和庫盤變形以及壩體特定結構作用下，壩體有向上游傾倒的變形現(xiàn)象。以龍羊峽和小灣水電站工程為例進行說明。

圖1　小灣水電站拱冠梁22號壩段2種計算模型不同水位計算徑向變形與監(jiān)測成果對比

(1)龍羊峽水電站。龍羊峽水電站建設于20世紀80年代。拱壩壩高178 m，壩頂高程2 610 m。大壩可將黃河上游13萬km2的年流量全部攔住，總庫容為247億m3。工程蓄水期間，拱冠梁數(shù)值計算結果大于監(jiān)測值。大壩拱冠梁壩段2 600 m高程處，當蓄水位至2 575 m時，大壩變形錘線實測值為16.28 mm。在考慮庫盤作用計入庫盤變形分量后，總計算值與實測值擬合較好。其中，徑向變位的計算值由3部分組成：水位分量為22.99 mm，溫度分量為2.97 mm，庫盤變形分量為-10.00 mm，總計算值為15.97 mm，實測值與總計算值的比值為1.02。

(2)小灣水電站。小灣拱壩壩高294.5 m，為瀾滄江梯級電站的“龍頭水庫”，水庫正常蓄水位1 240 m，總庫容約150億m3。工程蓄水期間，拱壩徑向變形的數(shù)值計算結果與監(jiān)測成果有較大差別，如圖1所示?？梢姳O(jiān)測所得的位移值小于計算值。監(jiān)測成果和計算值的起算點不同是有差別的原因之一，但不是全部原因(蓄水位1 210 m監(jiān)測值可和1 190 m計算值對比)。根據(jù)龍羊峽水電站庫盤研究的經(jīng)驗推測，水庫庫盤的變形對小灣拱壩壩體變形應有一定影響。

2高拱壩庫盤變形分析的影響因素

高拱壩庫盤變形的影響因素有水體大小、地質(zhì)條件、庫盤型式及影響范圍等，因地質(zhì)條件等因素極其復雜，本研究初步對庫盤形式、庫盤模擬范圍、庫水壓力等進行分析。

(1)庫盤形式。分析不同的地形條件，如壩前直線型河道(圖2a)、壩前分岔型河道(圖2b)、壩前突變寬的河道(圖2c)等地形條件或不同庫盤形式對庫盤變形的影響。

圖2　高壩大庫的水庫形式

(2)庫盤范圍。重點研究庫盤的寬度、深度及長度對庫盤變形的影響，同時考慮庫盤往下游延伸不同長度情況對庫盤變形的影響。

(3)庫水壓力。分析不同庫水位、確定的地形條件(即庫盤型式、地質(zhì)條件以及庫盤范圍不變)下，水庫水壓對庫盤變形的影響。

圖3為圖2所示的水庫庫盤沉降計算結果。可見：水庫上游河道中部沉降量最大，向兩岸及沿縱剖面往基巖深部的沉降量逐漸減小，下游沉降較小，庫盤變形整體傾向上游；直線型河道庫盤最大沉降發(fā)生在縱向河道中部，分岔型河道最大沉降發(fā)生在分岔處，突擴型河道最大沉降發(fā)生在突擴后的河道水體重心部位。隨著庫盤上游范圍的增加(5→30 km)，上游垂直河道縱剖面的變形分布漸趨于收斂；隨著庫盤基巖深度增加(3→10 km)，庫盤變形逐漸收斂；不同的庫盤下游范圍(5→10 km)對庫盤變形影響較小。隨著壩前水位增加，庫盤沉降逐漸增大。

圖3　水庫庫盤沉降計算結果

針對庫盤型式、基巖深度、上游延伸長度、下游延伸長度和不同水位等影響因素，采用改進熵值法建立賦權模型，得到上述因素的權重分別為0.37、0.17、0.11、0.05、0.30，可以看出：在庫盤水體自重作用下，突擴型河道由于庫盤水體自重最大，對高拱壩變形影響最為顯著；河道寬度一定的情況下，水庫水位越高，高拱壩傾向上游的變形和沉降越大；地基深度對模型計算結果也有一定影響，深度取到距壩基一定距離后，影響漸趨于收斂；上游長度和下游長度的權重較小。

在此基礎上，下文結合小灣工程實測資料，建立小灣庫盤模型，研究小灣高拱壩庫盤變形及對大壩工作性態(tài)的影響。

3小灣庫盤變形及對大壩工作性態(tài)影響分析

3.1小灣庫盤變形實測變化規(guī)律

小灣庫區(qū)形態(tài)為分叉型。小灣高拱壩庫盤變形監(jiān)測水準網(wǎng)平面布置如圖4所示，監(jiān)測范圍從壩址上游1 km至壩址下游4 km，觀測線路總長33 km。整個庫盤變形監(jiān)測網(wǎng)共布置有33個水準點，其中上游水庫區(qū)內(nèi)15個，下游18個。根據(jù)庫盤水準實測成果，小灣庫盤變形規(guī)律為壩上游下沉、下游略有抬升的翹曲變形，測值-1.6～35 mm，沉降最大值位于壩上游側1 km處，最小值位于壩下游4 km處，壩址區(qū)庫盤向上游有微量旋轉，如圖5所示。

圖4　小灣庫盤變形監(jiān)測水準網(wǎng)

圖5　小灣庫盤變形沉降量分布

3.2小灣庫盤數(shù)值分析模型及變形模量反演

小灣庫盤模型如圖6所示，結合分叉型河道模型范圍研究成果，考慮近壩區(qū)、庫區(qū)概化地質(zhì)分層以及主要地質(zhì)構造F1、F2斷裂帶及F7斷層范圍，確定小灣遠壩庫盤模型邊界范圍取上游44 km，下游21 km，左岸40 km，右岸50 km，基礎深度10 km，共建立單元934 740個，節(jié)點958 636個。

圖6　小灣庫盤數(shù)值分析模型

根據(jù)小灣庫區(qū)周邊的水準實測資料，以水準位移計算值與實測值之差的平方和的平方根作為反演的優(yōu)化目標函數(shù)，即

(1)

式中，δic為庫盤水準測點對應的節(jié)點計算值；δim為庫盤水準實測值；N為測點個數(shù)；K為復測次數(shù)。當S達到最小時，此組參數(shù)是庫盤材料參數(shù)的合理值。

庫盤變模反演時，需先擬定材料參數(shù)的各種組合，計算庫盤水準測點對應的變形。各組材料參數(shù)按下式確定：

(2)

式中，Eu、El分別是參數(shù)建議區(qū)間上下限；λ為分配系數(shù)。

結合小灣庫盤水準實測資料，利用優(yōu)化方法，反演小灣庫盤基巖的分區(qū)分層參數(shù)。建立了目標函數(shù)如圖7所示，得到目標函數(shù)達到最小時的最優(yōu)分配系數(shù)λ=0.576，據(jù)此可得到小灣上游庫盤變形模量隨深度的變化規(guī)律：

E=6.3535×lnh+25.41

(3)

式中，E為庫盤變形模量；h為庫盤深度。庫區(qū)淺表風化巖體變形模量取1.9 GPa。

圖7　利用庫盤水準資料進行小灣庫盤變模優(yōu)選反演 λ-S關系曲線

3.3小灣壩體彈性模量反演

在小灣庫盤變形分析的基礎上，建立小灣近壩區(qū)模型進行小灣壩體彈性模量反演(反演原理見文獻[4])，據(jù)此研究庫盤變形對小灣高拱壩工作性態(tài)的影響。為精細模擬小灣近壩區(qū)復雜地質(zhì)條件，小灣近壩區(qū)模型共剖分779 914個單元，821 914個節(jié)點，其中壩體單元530 173個。

3.3.1小灣大壩變形影響因素的分量分離模型

由小灣拱壩水平位移監(jiān)測資料的時空分析可知，大壩變形主要由水壓分量、溫度分量和時效分量組成，即

δ=δH+δT+δθ

(4)

式中，δ為位移值；δH、δT、δθ分別為水壓分量、溫度分量、時效分量。

(1)水壓分量。小灣拱壩任一點在水壓作用下產(chǎn)生的位移δH與大壩上游水深的1～4次方有關，故水壓分量為

(5)

式中，Hu、Hu0分別為監(jiān)測日、始測日對應的上游水頭；a1i為水壓因子回歸系數(shù)。

(2)溫度分量。選用周期項因子模擬壩體溫度場的變化，即

δT= ∑2i=1b1isin2πit365-sin2πit0365?è???÷é?êê+

(6)

式中，t為監(jiān)測日到始監(jiān)測日的累計天數(shù)；t0為建模資料系列第1個監(jiān)測日到始測日的累計天數(shù)；b1i、b2i分別為溫度因子回歸系數(shù)。

(3)時效分量。小灣大壩產(chǎn)生時效變形的原因極為復雜，位移變化的時效分量δθ可以表示為

δθ=d1(θ-θ0)+d2(lnθ-lnθ0)

(7)

式中，θ為監(jiān)測日至始測日的累計天數(shù)t除以100；θ0為建模資料系列第1個測值日到始測日的累計天數(shù)t0除以100；d1、d2為時效因子回歸系數(shù)。

綜上所述，考慮初始值的影響，得到小灣大壩位移統(tǒng)計模型為

δ= a0+∑4i=1[a1i(Hiu-Hiu0)]+

d1(θ-θ0)+d2(lnθ-lnθ0)

(8)

通過建立小灣大壩徑向位移各影響分量分離模型，將壩體徑向位移的水壓分量、溫度分量和時效分量進行逐步分離，如圖8所示。

由圖8可知，小灣大壩徑向位移中，水壓分量所占比例最大，水位升高，大壩向下游位移量增大；溫度變化對壩體徑向位移也有一定的影響，溫度升高引起大壩向上游變形，溫度降低引起大壩向下游變形，且大壩高程越高，溫度分量越大；同時，大壩徑向向下游變形具有一定的時效分量，表明大壩有向下游變形的趨勢。

3.3.2小灣壩體彈模反演結果

考慮小灣庫盤變形影響，進行水壓作用下的大壩變形計算，結合3.3.1中分離的水壓分量，進行小灣壩體彈性模量反演，結果見表1，小灣大壩A、B、C區(qū)混凝土反演綜合彈模分別為27.96、27.18、26.19 MPa。

表1小灣壩體混凝土彈性模量反演結果

/GPa材料分區(qū)μE0/GPaf'c'/MPa反演后的E/GPa壩體A區(qū)0.1825.891.41.627.96壩體B區(qū)0.1825.171.41.627.18壩體C區(qū)0.1824.251.41.626.19

圖8　小灣大壩河床壩段壩頂徑向位移分量分離結果

2012年小灣第4階段蓄水期間，曾利用大壩(9號、15號、19號、22號、25號、29號和35號壩段)錘線實測資料反演得到的壩體混凝土綜合彈性模量為33.05GPa(未考慮庫盤變形影響)。與表1結果對比，在考慮庫盤變形對大壩工作性態(tài)影響之后，小灣大壩的綜合彈性模量值有一定降低。因此，針對高拱壩大庫工程，由于庫水壓力對庫盤施加荷載造成了庫盤發(fā)生一定的沉降，并使壩基產(chǎn)生向上游的小角度傾斜，對大壩工作性態(tài)有一定影響，故在對大壩材料力學參數(shù)進行反分析時，建議考慮庫盤變形，從而得到更為接近實際的參數(shù)。

3.4庫盤變形對大壩工作性態(tài)影響

根據(jù)上述參數(shù)反演結果進行小灣庫盤變形對大壩工作性態(tài)影響的計算分析，小灣庫盤變形作用下(1 240 m水位)大壩順河向位移如圖9所示。庫盤變形作用下，小灣大壩壩體向上游傾倒變形，其中河床壩段向上游傾倒位移較大。初步計算表明，22號壩段壩頂向上游位移為18.46 mm，壩基倒垂點963 m高程向上游位移為13.26 mm，基巖倒垂基點向上游位移為12.01 mm，故相對于倒垂基點，小灣22號壩段壩頂1 245 m高程向上游位移為6.45 mm。

當前研究僅是針對庫盤變形對大壩變形的影響，今后將進一步開展庫盤變形對大壩應力及大壩整體穩(wěn)定性的影響分析。

圖9　小灣庫盤變形作用下大壩順河向位移分布(1 240 m水位)

4結論

本文結合小灣工程，開展了高拱壩庫盤變形及對大壩工作性態(tài)影響的初步研究，得到如下結論：

(1)研究了庫盤型式、庫盤范圍、庫水壓力等影響因素，采用改進熵值法建立賦權模型分析了各因素的影響權重，揭示了各因素對高拱壩庫盤變形數(shù)值分析的影響規(guī)律。

(2)結合小灣工程，利用庫盤沉降和壩體水平位移實測資料，反演了小灣庫盤變形模量和壩體彈性模量，在考慮庫盤變形對大壩工作性態(tài)影響之后，小灣大壩的綜合彈性模量反演值有一定降低。

(3)研究成果可為已建工程運行過程中出現(xiàn)的壩體、壩基及谷幅變形“疑點”分析提供參考，同時針對高壩大庫工程，由于庫水壓力對庫盤施加荷載造成庫盤發(fā)生一定的沉降，并對大壩變形有一定影響，故建議在分析評價大壩工作性態(tài)時，應考慮庫盤變形。

(4)拱壩為超靜定結構，庫盤變形對壩體的影響不是簡單的壩體-壩基整體剛體變形問題。庫盤變形受庫區(qū)形態(tài)、地質(zhì)條件、庫水壓力等多方面影響，問題極其復雜。國內(nèi)外已有一定數(shù)量超過百億庫容的超高拱壩工程，應開展相應問題的調(diào)研工作，進一步研究工程是否存在“庫盤變形”的判據(jù)，總結提煉考慮不同庫盤地質(zhì)條件、庫水壓力、水庫形態(tài)等因素的高拱壩庫盤變形的一般性規(guī)律。

參考文獻：

[1]潘家錚， 何璟. 中國大壩50 年[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2000．

[2]李瓚， 陳飛， 鄭建波， 等. 特高拱壩樞紐分析與重點問題研究[M]. 北京： 中國電力出版社， 2004： 1- 10．

[3]劉允芳. 巖體地應力與工程建設[M]. 武漢： 湖北科學技術出版社， 2000： 244- 246．

[4]顧沖時， 吳中如. 大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應用[M]. 南京： 河海大學出版社， 2006： 182- 186．

[5]張禮兵， 沈靜， 趙二峰， 等. 小灣高拱壩庫盤變形作用效應研究與探索[J]. 水力發(fā)電， 2014， 40(12)： 90- 93， 108．

(責任編輯王琪)

Preliminary Study on High Arch Dam Reservoir Basin Deformation and Its Effect on Dam Operating Behavior

DU Xiaokai1, WANG Minhao2, DANG Lincai1, LI Zan3, GU Chongshi4

(1. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China; 2. Power Construction Corporation of China,Beijing 100048, China;3. PowerChina Xibei Engineering Corporation Limited, Xi｀an 710065, Shaanxi, China;4. Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China)

Abstract:Based on the monitoring data of high arch dam reservoir basin deformation, it is found that the reservoir basin shows a warping deformation with settlement in front of the dam and a little uplift behind the dam. Therefore, in order to study the deformation of high arch dam reservoir basin and its effect on dam operating behavior, the affecting factors are studied firstly, and then, the numerical model is built for Xiaowan Hydropower Station Project, in which, the reservoir area, dam foundation and dam are included. The research results reveal the general law of reservoir basin deformation. It is also proposed that the deformation caused by reservoir basin should be taken into consideration when evaluating dam operating behavior．

Key Words:high arch dam; reservoir basin deformation; monitoring; operating behavior; inversion

中圖分類號：TV642.4

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)01- 0040- 05

作者簡介：杜小凱(1979—)，男，北京人，高級工程師，博士，主要從事水工結構研究工作.

收稿日期：2015- 07- 15