余成鋼

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

1 概述

大壩水平位移監(jiān)測是混凝土壩最重要的監(jiān)測項目之一。大壩水平位移受壩基地質條件、壩體結構、水壓荷載、揚壓力及壩體溫度變化及時效等因素的綜合影響，水平位移能較直接反映大壩實際運行狀態(tài)。水平位移出現異常時應及時查明原因，分析對工程安全的影響，為評價大壩運行性態(tài)提供可靠依據。

2 工程實例

2.1 工程概況及存在的主要問題

某水電站為Ⅱ等大（2）型水電工程，總裝機容量450 MW，水庫總庫容4.09億m3，最大壩高113.0 m。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，共分16個壩段，壩軸線采用折線布置，左岸1～6號壩段軸線方向向上游偏轉約17°，其余壩段垂直于河床布置。

2009年工程正常運行以來，7號壩段壩頂水平位移（見圖1）存在明顯異?，F象，主要表現在以下三個方面[1]：

（1）水平位移變形受氣溫影響很小，根據回歸分析成果，左岸7號壩段上下游向水平位移溫度因子占比為16.4%，遠小于右岸11～15號等壩段溫度因子占比（49.7%～73.7%之間）。

（2）7號壩段上下游向水平位移與庫水位有高度相關性，受庫水位影響明顯，與一般混凝土壩正常運行期壩頂水平位移表現為隨氣溫呈現年周期變化規(guī)律不一致。

（3）7號壩段上下游向水平位移存在向下游發(fā)展趨勢。

筆者從壩體溫度變化、壩體彈性模量等方面對以上三個方面異?，F象的原因進行綜合分析。

2.2 壩體溫度變化對變形影響分析

采用間接耦合分析方法，先進行熱分析，參考7號壩段實測溫度進行調整后，將計算得到的壩體溫度作為體荷載施加在結構分析中，在結構分析模塊計算壩體在不同溫度場情況下的大壩水平位移情況。

7號壩段有限元建模區(qū)域包括壩軸線往上游210 m，壩軸線往下游260 m，壩基深度180 m。模型共計122 298個單元，134 826個節(jié)點。有限元計算模型見圖2。

根據工程勘測設計資料[1]，計算采用參數見表1。

圖1 7號壩段壩頂實測水平位移Fig.1 Measured horizontal displacement of crest of section 7

圖2 7號壩段有限元模型Fig.2 Finite element model of section 7

表1 計算采用參數Table 1 Parameters used in calculation

2.2.1壩體溫度場下降過程對變形影響

為便于與實測水平位移變形成果進行對比，取2009年9月（7號壩段垂線起測時間）壩體溫度為起始溫度場，取2015年9月壩體溫度作為穩(wěn)定溫度場，計算壩體溫度場下降過程水平位移變化情況[1]。

2009年9 月、2015年9月模擬溫度場見圖3，選取2009年9月～2015年9月期間5個時間點的中間溫度場，計算共計7個溫度場情況下壩體水平位移情況，根據計算結果繪制2009年9月～2015年9月期間壩體溫度下降過程壩頂水平位移過程線，見圖4。

將壩體內部典型溫度測點測值作為溫度因子，對7號壩段壩頂上下游向水平位移進行回歸計算，分離出因壩體溫度下降導致的壩頂上下游向位移，見圖5。

綜上所述，計算及實測成果表明，7號壩段壩體溫度場下降至穩(wěn)定溫度場過程對壩頂上下游向變形影響幅度為向下游約2 mm左右。

圖3 模擬溫度場Fig.3 Simulated temperature field

圖4 2009年9月～2015年9月壩體溫降過程變形計算成果Fig.4 Results of deformation calculation during dam temperature drop process,from September 2009 to September 2015

圖5 壩體溫降引起的壩頂實測變形成果Fig.5 Measured deformation of dam crest caused by dam temperature drop

2.2.2壩體溫度因氣溫年周期性變化對變形的影響

根據實測成果，7號壩段高、低溫季節(jié)下游面表層最大溫差6～8℃[1]，但右岸12號壩段高、低溫季節(jié)溫差13℃左右，7號壩段可能受左岸下游側廠壩連接段山體遮擋，壩體光照強度明顯小于右岸壩段，因此7號壩段實測水平位移表現為受氣溫影響小，導致溫度位移占比小。

根據有限元計算成果，在目前壩體溫度場已較穩(wěn)定情況下，低溫季節(jié)向高溫季節(jié)變化過程中，壩頂上下游向水平位移受氣溫影響幅度在1 mm以內。

2.3 壩體彈模對變形影響分析

7號壩段壩基、壩體上下游向水平位移分解過程線見圖6。

2.3.1 壩基實測位移

壩基上下游向水平位移受氣溫、水位影響相對較小，符合一般壩基水平位移變形規(guī)律；略有向下游位移趨勢，累計時效位移3 mm左右，已趨于收斂[1]。

7號壩段壩基滲水量比其他壩段大，可能存在一定地質缺陷，但壩基揚壓力無異常。由圖6可知，壩基向下游趨勢性位移主要發(fā)生蓄水過程中，壩基向下游3 mm左右總位移量中有2 mm發(fā)生在水位升高至正常蓄水位過程中，是壩基受水壓作用彈性變形的結果。正常運行以來向下游累計變形僅1 mm左右，表明7號壩段壩基即使存在一定缺陷，影響也十分有限，7號壩段壩基水平位移已逐步趨于穩(wěn)定，壩基滲水也有明顯減小現象。

圖6 7號壩段上下游向水平位移分解Fig.6 Decomposition of horizontal displacement of section 7

2.3.2 壩頂實測位移

壩頂上下游向水平位移受庫水位影響十分明顯，尤其是2014年7月庫水位升高至正常蓄水位附近時，壩體水平位移向下游發(fā)生3～4 mm左右突變，同時期壩體施工層面滲壓計測值均未見異常變化，壩體下游面未見異常滲水現象，表明施工層面結合面出現弱化的可能性低[1]。因此有必要對壩體混凝土彈模進行反演，查明是否存在混凝土質量差導致的壩體彈模偏低問題。

2.3.3 壩體彈模反演

以混合模型為基本原理，運用有限元法分別計算不同水位工況下壩頂上下游向水平向位移，以此建立壩頂上下游向水平位移的混合模型，通過混合模型分別反演壩體彈模[2]。

基于前文建立的有限元計算模型，共計算從死水位（446.0 m）～校核洪水位（457.29 m）之間8種水位工況，典型計算工況下壩體上下游向水平位移云圖見圖7，根據計算成果繪制壩頂上下游向水平位移與庫水位關系曲線，見圖8。

圖7 典型工況壩體變形云圖Fig.7 Deformation nephogram of dam under typical conditions

結合7號壩段垂線觀測資料得出壩頂變形混合模型[3]，得到擬合系數0.97，彈性模量調整參數X為0.97，由 X=Ec0/Ec可知 Ec為22.68 GPa，復相關系數R為0.89，剩余方差為0.48 mm，實測值與擬合值接近。說明該混合模型結果總體較可信[4]。

根據有關資料，碾壓混凝土壩壩體混凝土的彈性模量一般在12.5～30 GPa之間[5]，本次反演得到的壩體綜合彈模為22.68 GPa，與設計值考慮成果偏離不大，表明壩體彈模正常，不存在壩體彈模明顯偏低導致水平位移與庫水位相關明顯的問題。

3 結語

（1）壩體變形受氣溫影響很小的原因：左岸7號壩段受壩軸線方位、下游側廠壩連接段山體遮擋等因素影響，壩體溫度變化幅度很小，下游面表層高、低溫季節(jié)最大溫差僅6～8℃，明顯小于右岸12號壩段溫差13℃；在目前壩體溫場已較穩(wěn)定情況下，7號壩段低溫季節(jié)向高溫季節(jié)變化過程中壩頂水平位移受氣溫影響幅度小于1 mm，反映壩頂溫度位移分量占總位移的比重較低。

圖8 計算水平位移和庫水位的關系曲線Fig.8 Relation curve of calculated horizontal displacement and reservoir level

（2）壩體變形與水位相關性高的原因：從7號壩段壩基、壩頂上下游向水平位移分解情況看，壩基水平位移與庫水位相關性不明顯，與庫水位相關性高主要反映在壩體變形上；從施工層面滲壓及下游面檢查情況看，層間結合較好；根據彈模反演結論，7號壩段壩體綜合彈模為22.68 GPa，不存在明顯偏低的現象；與同類同規(guī)模工程相比，本工程庫水位變化對壩頂水平位移影響幅度并未超出2～4 mm的合理范圍，上下游向水平位移與庫水位相關性明顯不是壩體自身原因導致，由于溫度位移分量占總位移偏小，導致水壓位移分量占比偏高。

（3）趨勢性位移：7號壩段壩基向下游3 mm左右位移量中約有2 mm發(fā)生在水位升高至正常蓄水位過程中，是壩基彈性變形的結果，水庫正常運行以來壩基向下游累計時效變形僅1 mm左右，量值很小，表明即使壩基存在一定缺陷，對壩基位移影響也十分有限，實測成果表明壩基水平位移正逐步趨于穩(wěn)定，同時壩基滲水正逐步減少。壩體溫降過程對壩頂上下游向變形影響幅度基本在2 mm左右，時效位移分量在5～6 mm左右，扣除2014年7月庫水位升高至正常蓄水位附近時壩頂發(fā)生3～4mm左右向下游水平位移的影響，壩頂實際并不存在異常的下游向趨勢性位移。

目前7號壩段變形正常。

[1]余成鋼.戈蘭灘水電站大壩安全首次定期檢查監(jiān)測資料分析報告[R].杭州:國家能源局大壩安全監(jiān)察中心,2017:110-129.

[2]盧有清,吳中如.混凝土重力壩變形的混合模型及其應用研究[J].大壩與安全,1989(3):17-34.

[3]岳建平,華錫生.壩體彈模及壩基變模反演分析的研究[J].武漢測繪科技大學學報,1993,18(3):22-54.

[4]程琳,徐波,吳波,等.大壩安全監(jiān)測的混合回歸模型研究[J].水電能源科學,2010,28(3):48-50.

[5]吳中如.混凝土壩安全監(jiān)控的確定性模型及混合模型[J].水利學報,1989(5):61-70.