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(xiàng)目之一。大壩水平位移受壩基地質(zhì)條件、壩體結(jié)構(gòu)、水壓荷載、揚(yáng)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(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。水平位移出現(xiàn)異常時應(yīng)及時查明原因，分析對工程安全的影響，為評價大壩運(yùn)行性態(tài)提供可靠依據(jù)。

2 工程實(shí)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(jī)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(zhuǎn)約17°，其余壩段垂直于河床布置。

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

（1）水平位移變形受氣溫影響很小，根據(jù)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(yuǎn)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(guān)性，受庫水位影響明顯，與一般混凝土壩正常運(yùn)行期壩頂水平位移表現(xiàn)為隨氣溫呈現(xiàn)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常現(xiàn)象的原因進(jìn)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(jìn)行熱分析，參考7號壩段實(shí)測溫度進(jìn)行調(diào)整后，將計算得到的壩體溫度作為體荷載施加在結(jié)構(gòu)分析中，在結(jié)構(gòu)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(diǎn)。有限元計算模型見圖2。

根據(jù)工程勘測設(shè)計資料[1]，計算采用參數(shù)見表1。

圖1 7號壩段壩頂實(shí)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(shù)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(shí)測水平位移變形成果進(jìn)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(diǎn)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(jù)計算結(jié)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(nèi)部典型溫度測點(diǎn)測值作為溫度因子，對7號壩段壩頂上下游向水平位移進(jìn)行回歸計算，分離出因壩體溫度下降導(dǎo)致的壩頂上下游向位移，見圖5。

綜上所述，計算及實(shí)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(shí)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(jù)實(shí)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(cè)廠壩連接段山體遮擋，壩體光照強(qiáng)度明顯小于右岸壩段，因此7號壩段實(shí)測水平位移表現(xiàn)為受氣溫影響小，導(dǎo)致溫度位移占比小。

根據(jù)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(nèi)。

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(shí)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(zhì)缺陷，但壩基揚(yáng)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(jié)果。正常運(yùn)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(xiàn)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(shí)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(xiàn)象，表明施工層面結(jié)合面出現(xiàn)弱化的可能性低[1]。因此有必要對壩體混凝土彈模進(jìn)行反演，查明是否存在混凝土質(zhì)量差導(dǎo)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(yùn)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(jù)計算成果繪制壩頂上下游向水平位移與庫水位關(guān)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(jié)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(shù)0.97，彈性模量調(diào)整參數(shù)X為0.97，由 X=Ec0/Ec可知 Ec為22.68 GPa，復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.89，剩余方差為0.48 mm，實(shí)測值與擬合值接近。說明該混合模型結(jié)果總體較可信[4]。

根據(jù)有關(guān)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(shè)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(dǎo)致水平位移與庫水位相關(guān)明顯的問題。

3 結(jié)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(cè)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(guān)系曲線Fig.8 Relation curve of calculated horizontal displacement and reservoir level

（2）壩體變形與水位相關(guān)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(guān)性不明顯，與庫水位相關(guān)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(jié)合較好；根據(jù)彈模反演結(jié)論，7號壩段壩體綜合彈模為22.68 GPa，不存在明顯偏低的現(xiàn)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(guān)性明顯不是壩體自身原因?qū)е拢捎跍囟任灰品至空伎偽灰破?，?dǎo)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(jié)果，水庫正常運(yùn)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(shí)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(shí)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.

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