李 季,孔慶梅

(國家電投集團青海黃河電力技術(shù)有限責任公司,青海 西寧 810016)

在國內(nèi)外水利水電工程領(lǐng)域,拱壩以其較高的穩(wěn)定安全性和經(jīng)濟性得到廣泛運用。與同等級別的重力壩相比,拱壩體積較小、結(jié)構(gòu)輕巧,大大減少了筑壩所需混凝土方量;同時其自適應(yīng)能力強,超載能力較大,能夠更大程度發(fā)揮壩基承載能力。全球范圍內(nèi)壩高200 m以上的大壩有一半以上是拱壩。新中國成立后,我國拱壩建設(shè)發(fā)展迅速。20世紀90年代末期,隨著白山、東風、東江、龍羊峽、李家峽等一批100～200 m高拱壩的建成,我國拱壩設(shè)計和施工水平顯著提升;至1998年,四川省二灘拱壩建成,我國拱壩建設(shè)技術(shù)達到國際先進水平;進入21世紀,錦屏一級、小灣、拉西瓦、溪洛渡、構(gòu)皮灘、大崗山等一批200～300 m特高拱壩成功完成建設(shè),至此,我國拱壩建設(shè)水平躍居世界領(lǐng)先地位[1]。隨著服役時間的增長,高拱壩長期運行的安全問題愈加得到重視。高拱壩長期運行過程中,實時獲取大壩工作性態(tài)、及時發(fā)現(xiàn)運行異常狀況,分析成因,并采取相應(yīng)措施保證大壩安全,是大壩安全運行管理的重要內(nèi)容。對高拱壩和壩基進行安全監(jiān)測,并融匯多種理論和方法對監(jiān)測資料進行正反分析,定量分析評價拱壩及壩基的安全狀態(tài),是保證高拱壩長期安全運行的重要手段[2-5]。此外,客觀、準確地對高拱壩整體穩(wěn)定和安全性作出評價,有利于把握拱壩的承載能力,在長期運行過程中更好地發(fā)揮其性能[6-7]。一般而言,高拱壩整體穩(wěn)定和安全性評價常用的方法主要有地質(zhì)力學(xué)模型試驗和數(shù)值模擬等方法,通過分析運行期壩肩、壩基及壩體內(nèi)部的應(yīng)力和位移分布情況以及其他相關(guān)物理和工程指標,研究拱壩長期運行期工作性態(tài)和可能存在的問題,同時進行拱壩極限承載力分析,對高拱壩整體安全作出評價。地質(zhì)力學(xué)模型試驗常被用來指導(dǎo)拱壩設(shè)計,能夠直觀地呈現(xiàn)拱壩變形和破壞過程,但在高拱壩地質(zhì)模型試驗中,材料非線性影響很大,為了反映大壩真實工作性態(tài),需要考慮各種非線性影響,因此,進行拱壩的破壞試驗時,應(yīng)重視材料非線性的相似性模擬。拱壩極限承載力研究是高拱壩安全性評價的一種主要方法,也是拱壩整體安全性評價中較為重要的一項指標,工程中主要采用水荷載超容重方法進行研究。地質(zhì)力學(xué)模型試驗和數(shù)值模擬均通過逐級加大拱壩上游面的水荷載,直至大壩最終喪失承載能力,在此過程中,研究高拱壩位移、應(yīng)力的變化規(guī)律以及裂縫(或塑性區(qū))的擴展過程,通過壩體-壩基系統(tǒng)的一些關(guān)鍵性態(tài)變化,求出相應(yīng)的超載系數(shù)進而評價拱壩的安全性。

黃河上游的李家峽三心圓雙曲拱壩是我國較早一批建成的高拱壩,壩高155 m,自1996年12月下閘蓄水以來,至今已安全運行20余年,在其長期運行過程中,綜合運用前述的相關(guān)手段,及時獲取大壩運行性態(tài),對大壩整體穩(wěn)定和安全性作出評價,并采取相應(yīng)措施,確保大壩安全運行,取得了較為明顯的效果,可為我國高拱壩長期安全運行管理提供借鑒。

1 李家峽拱壩工程簡介

1.1 工程概況

李家峽水電站是黃河上游大型梯級水電站之一,屬大(Ⅰ)型一等工程,以發(fā)電為主,兼顧灌溉。樞紐工程由混凝土三心圓雙曲拱壩、左岸重力墩、左岸副壩、壩后雙排機廠房和兩岸泄水道等組成。拱壩基礎(chǔ)的地質(zhì)條件復(fù)雜,基巖由震旦系黑云更長質(zhì)條帶混合巖及黑云綠泥石閃斜長片巖組成,其間穿插有花崗偉晶巖脈,斷裂較為發(fā)育,主要有f20、F20、F26、F27、F32、F43、F50等斷層。壩址區(qū)主要斷層分布見圖1。壩址右岸山勢較高,山體雄厚,左岸為三面臨空的單薄山梁。壩址區(qū)基本地震烈度為7度,樞紐建筑物按8度設(shè)防。

圖1 壩址區(qū)主要斷層分布示意圖

水庫校核洪水位為2 182.6 m,設(shè)計洪水位為2 181.3 m，正常蓄水位為2 180 m,相應(yīng)庫容為16.5億m3。工程于1988年4月正式開工,1996年12月26日下閘蓄水,2001年12月完成工程竣工安全鑒定。2008年、2014先后完成大壩安全首次定檢和第2次定檢,定檢結(jié)論均為正常壩。2002—2017年注冊登記均為甲級[8]。

1.2 工程特點

1.2.1 地形地質(zhì)特點

李家峽峽谷全長5 km,壩址位于峽谷中段。河谷斷面呈“V”形,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。壩址區(qū)巖體中斷層及裂隙按產(chǎn)狀分有7組,對工程地質(zhì)條件起制約作用的主要為前4組,分別為:第1組產(chǎn)狀NW300°～330°、SW∠40°～50°,力學(xué)性(性質(zhì))壓性、壓扭性(逆斷層),代表性斷層及裂隙f32、f33、f35、f20;第2組產(chǎn)狀NE60°～80°、NW(SE)∠75°～85°,力學(xué)性(性質(zhì))扭性、張扭性(平移正斷層),代表性斷層及裂隙F20、F50、F26、F27;第3組產(chǎn)狀NE15°～45°、NW(裂隙有SE)∠55°～75°,力學(xué)性(性質(zhì))張性、張扭性(正斷層),代表性斷層及裂隙F1、F28、F32、F67;第4組產(chǎn)狀NE15°～NW345°、NW(SW)∠8°～25°,力學(xué)性(性質(zhì))壓扭性(逆沖斷層),代表性斷層及裂隙F34、F82、F7。由于這些斷層裂隙結(jié)構(gòu)面的切割,兩岸存在突出的高邊坡穩(wěn)定問題,對左右岸壩肩抗滑、變形、滲漏穩(wěn)定均有重大影響。壩基巖體呈單斜構(gòu)造,走向與河流斜交,傾向上游偏右岸,傾角38°～55°。左岸壩肩巖體受到F34緩傾角斷層、F32橫河斷層、F26順河斷層、f18、f20、f24、f35、f33等為代表的層間斷層以及隨這些伴生的裂隙結(jié)構(gòu)面的切割。

1.2.2 壩體結(jié)構(gòu)特點

拱壩主體結(jié)構(gòu)為三心圓雙曲混凝土拱壩,壩頂高程為2 185 m,最大壩高155 m,厚高比0.29,壩頂軸線長414 m,最大底寬45 m,壩頂基本厚度8 m,實際厚度10～21 m;分18個壩段。左岸2 157 m高程以上設(shè)有重力墩,左岸重力墩最大高度28.5 m,長約57 m。左岸副壩在主壩上游為順水流向,壩高32.5 m,壩頂長100 m,通過翼墻與重力墩連接。在7號壩段設(shè)有右中孔進水口;15號、16號壩段分設(shè)有左底孔、左中孔進水口。9號至13號壩段布置5條直徑為8 m的引水鋼管,采用壩后背管布置方式。

1.2.3 荷載特點

a. 水壓荷載。李家峽是一座日、周調(diào)節(jié)水庫,受龍羊峽水庫調(diào)節(jié)的影響,水庫多年來水過程比較穩(wěn)定。1996年12月26日水庫下閘蓄水,先后經(jīng)歷了6次水位抬升過程,到2001年11月水位到達正常蓄水位,此后李家峽水庫基本在2 178～2 180 m高程運行,2009年高水位原型試驗之后,非汛期庫水位基本在2 180 m高程上下波動運行。水庫水位變化過程見圖2。

圖2 水庫水位變化過程線

b. 溫度荷載。氣溫特點:氣溫呈明顯的年周期性變化,每年7—9月氣溫較高,12月至次年3月氣溫較低,晝夜溫差較大;歷史最高日平均氣溫為29.5℃,最低日平均氣溫為-13.7℃,日平均氣溫年變幅在31.9～38.3℃之間。水溫特點:2002年以后2 100 m高程以下庫水溫年變幅較小,處于穩(wěn)定狀態(tài)。水庫水溫的分布屬穩(wěn)定分層型,其變溫層的深度約為80 m。2 100 m高程以上,隨著高程的升高,水溫周期性年變化越明顯。

1.3 工程地質(zhì)問題及處理情況

考慮近壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特點,對大壩工作性態(tài)及安全度有影響的主要工程地質(zhì)問題有:①左壩肩f20斷層上盤巖體的抗滑穩(wěn)定問題,以及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;②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;③左岸F26、右岸F27斷層對壩肩巖體穩(wěn)定的影響問題;④左岸F32、右岸F43斷層局部集中滲漏問題;⑤兩岸變形不對稱問題等。

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,對壩基開挖形成了一個橫跨11號～13號壩段、水平面積約500 m2、深6 m的深坑。其他問題處理情況具體為:①對左壩肩f20上盤巖體進行了固結(jié)灌漿,利用固結(jié)灌漿孔設(shè)置入巖20 m深的3?32錨筋樁約1 000根,且布置了抗剪傳力洞和聯(lián)系洞。②F26斷層地表采用斷層槽,淺部采用混凝土置換墻,深部采用鋼筋混凝土置換系統(tǒng),以提高斷層影響帶的變形模量。③為提高f35斷層的變形模量,沿f35斷層面開挖了3層平洞,利用相鄰高程兩層平洞沿f35斷層進行高壓固結(jié)灌漿。④為保證帷幕的完整性,在F32斷層和帷幕線交切部位,采用加密加強帷幕灌漿處理。⑤工程運行中對左岸孤山頭新增裂縫、左岸重力墩裂縫、2 087 m高程揚壓力較高、2 087 m高程軟弱帶等問題做了相應(yīng)處理。

1.4 三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗和超載加固

1.4.1 三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗

為了論證在復(fù)雜的地質(zhì)條件下李家峽大壩壩體和壩肩巖體在外荷載作用下的穩(wěn)定性和鑒定壩體和基礎(chǔ)處理設(shè)計的可靠性,探索壩體和基礎(chǔ)的安全度和破壞機制及相對超載儲備能力,在4個不同階段進行了4次地質(zhì)力學(xué)模型試驗,分析大壩破壞機制,并對其極限超載能力及加固效果進行評價。

第1次在發(fā)包階段進行(1989年),超載試驗的安全儲備相對后3次高,壩體上游壩踵約在1.5Po時起裂(Po為正常水載),壩體的極限承載能力為8.5Po。

第2次在技術(shù)施工階段進行(1997年2月),試驗中巖體的地質(zhì)參數(shù)低于第1次,雖增加了地基處理措施,但巖體參數(shù)降低較多,其安全儲備下降較多,上游壩踵約在1.2Po時起裂,極限承載能力為3.5Po,為此提出需對左岸增加加固措施。

第3次在第2次的基礎(chǔ)上,在左岸壩肩下游貼坡角處及重力墩上各增加大噸位錨索(1994年4月),安全度有較大提高,上游開裂在2.0Po才產(chǎn)生,極限承載能力為5.4Po,由于加固了左壩肩,下游面的豎向開裂改成斜向拉裂,加錨效果明顯。

第4次在第3次的基礎(chǔ)上減少了錨索噸位,左壩肩下游貼角由48根減少為15根,重力墩錨索由47根減少為36根,試驗結(jié)果表明其安全度比第三個低,但能滿足壩肩穩(wěn)定需求,其第一條裂縫是在2.0Po時產(chǎn)生,極限承載能力為4.5Po。

1.4.2 超載加固

在蓄水初期,鑒于壩址惡劣的地質(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(xué)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。

對超載加固處理前后三維有限元計算成果對比,效果明顯。通過加固措施的實施,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,使大壩整體超載安全度提高到了4.5Po。處理前后三維有限元計算主要成果對比詳見表1。

表1 處理前后三維有限元計算主要成果對比

2 運行安全監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的典型現(xiàn)象

通過對李家峽大壩的運行安全性態(tài)的實時監(jiān)測[9-12],大壩運行過程中出現(xiàn)壩基變形偏大、左右1/4拱變形不對稱、左右2 087 m高程揚壓力異常、地溫較高等典型現(xiàn)象。綜合考慮這些現(xiàn)象對大壩安全運行的影響,并對其成因進行分析,進而采取了相應(yīng)措施,保證了大壩的安全運行。

2.1 壩基變形偏大

李家峽大壩基水平位移主要采用倒垂線法進行監(jiān)測,分別在拱冠2 035 m高程、左右1/4拱2 087 m高程部位布設(shè)了倒垂線。表2為壩基位移統(tǒng)計表。庫水位蓄至正常水位時,拱冠基礎(chǔ)累計水平位移約7 mm,左右1/4拱2 087 m高程部位累計水平位移量分別約為9 mm和11 mm,其增長過程基本與蓄水位的上升相適應(yīng),2003年后拱冠基礎(chǔ)部位、左右1/4拱2 087 m高程部位有2～3 mm的趨勢增量。經(jīng)分析認為:左1/4拱2 087 m至拱冠壩基至右1/4拱2 087 m范圍內(nèi)壩基存在變形偏大的淺層區(qū)域,引起壩基變形偏大。進一步觀測表明,該變形基本趨于穩(wěn)定,對大壩安全性能影響不大。

2.2 左右1/4拱變形不對稱

從表2中可以看出,庫水位蓄至正常水位時,左右1/4拱壩基徑向位移量分別約為9 mm、11 mm,截至2018年4月左右1/4拱壩基徑向位移量分別約為11 mm、14 mm。

表2 壩基徑向位移 mm

表3為壩頂徑向位移統(tǒng)計表。從表3可知,庫水位蓄至正常水位時,左右1/4拱壩頂徑向位移量分別為19.77 mm、30.38 mm,截至2018年4月左右1/4拱壩頂徑向位移量分別為22.42 mm、34.86 mm。圖3為左右1/4拱在不同工況下的撓曲線圖,圖中明顯反映出左右1/4拱變形處于不對稱狀態(tài)。

表3 壩頂徑向位移 mm

圖3 不同時期的撓曲線

2.3 左右2 087 m高程揚壓力異常

2002—2004年2 087 m高程左岸16號、17號和右岸6號壩段揚壓力趨勢上升,揚壓水位最高分別達2 128.48 m、2 126.48 m、2 141.08 m,揚壓系數(shù)分別為0.39、0.35、0.51。揚壓力出現(xiàn)異常后,采取了一系列的檢查、試驗、分析、處理措施。經(jīng)統(tǒng)計分析,揚壓水位與庫水位相關(guān)性較好;通過揚壓力聯(lián)動試驗表明各孔之間水力聯(lián)系密切相關(guān),倒垂線測值反映該部位位移偏大,鉆孔檢查表明壩體與壩基膠結(jié)良好,但在壩基下存在巖體薄層破碎區(qū),經(jīng)過灌漿處理,2 087 m高程揚壓力明顯降低,揚壓系數(shù)均小于0.2,滿足設(shè)計要求。

自施工以來對壩基及兩岸滲流水共進行了47次水樣化驗分析工作。分析可知:①壩前庫水為弱堿性、微硬水;重碳酸鹽堿度比較大,不具有溶出性侵蝕作用;硫酸鹽含量不高,不具有此類鹽類侵蝕作用。②壩址滲流場地下水對于混合巖體和帷幕體等固相介質(zhì)有化學(xué)侵蝕作用,不同部位地下水的析鈣量存在差異;化灌材料的析出對帷幕防滲耐久性效果有不利影響,應(yīng)注意監(jiān)測,及時采取措施。

2.4 地溫較高

河床部位壩基實測溫度在12～15℃,壩體封拱溫度自下而上為5.5～10℃。壩基溫度與封拱溫度偏差較大。

3 高水位原型試驗

由于李家峽水庫水位抬升至正常蓄水位后水庫水位基本維持在高水位,波動幅度不大,大壩未經(jīng)受反復(fù)加載、卸載過程。為了進一步分析三心圓雙曲混凝土拱壩的加卸載特性,取得設(shè)計洪水位工況下的原型觀測資料,提前分析評價設(shè)計洪水情況下大壩安全性態(tài)[13]。2009年利用拉西瓦下閘蓄水的有利時機和非汛期人為調(diào)控水庫水位(第1次試驗:2009年2月22日至3月11日,歷時17 d,期間水位最高為2 181.35 m,最低為2 174.55 m,落差為6.8 m。第2次試驗:2009年10月16日至11月16日,歷時31 d,期間水位最高為2 180.79 m,最低為2 178.25 m,落差為2.54 m),現(xiàn)場利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)對大壩重要部位和重點項目進行1次/小時的加密監(jiān)測,提取可靠、有效的試驗監(jiān)測數(shù)據(jù),獲取大壩加卸載過程及設(shè)計洪水位作用下大壩壩體及壩基變形、滲流、應(yīng)力、應(yīng)變、接縫等監(jiān)測資料。應(yīng)用原型試驗期間和運行期的監(jiān)測資料進行定性定量分析,建立數(shù)學(xué)模型,進行有限元計算、力學(xué)計算、綜合分析,評價大壩安全運行性態(tài)。開展大壩壩后裂縫成因、穩(wěn)定性、危害性分析評價,采用左岸壩肩超載加固效果評價,大壩安全快速評估、預(yù)控指標確定等方法,建立李家峽大壩安全快速評估系統(tǒng),完善大壩安全監(jiān)控體系,分析評價大壩在高水位水位小幅波動下大壩安全運行性態(tài)。此外,通過對李家峽歷年水庫運行情況分析研究,總結(jié)水庫運行中水位變化的規(guī)律和水庫水位控制水平,提出水庫水位抬升方式,確定水庫非汛期運行上限水位和水位運行區(qū)間,研究提高水庫水位后的水能效益評價辦法,并對原型觀測試驗期間和長期運行效益進行分析和預(yù)測。通過研究得出:在非汛期提高水庫運行平均水位不論從大壩安全角度考慮,還是從提高水庫經(jīng)濟效益方面考慮,均為可行。此項目建立并完善了大壩安全評價體系,能夠快速評價大壩在高水位水位小幅變化下的安全運行性態(tài),提高了大壩安全管理和大壩安全分析評價能力,大壩安全運行處在可控和在控狀態(tài)。

4 運行安全監(jiān)測分析與反分析

4.1 有限元計算

為進一步分析評價大壩的變形性態(tài),監(jiān)控大壩的運行狀況,建立水平位移的混合模型,進行拱壩的整體三維有限元分析[14]。

為模擬各種因素對壩體與基礎(chǔ)位移的影響,分析采用了4個有限元模型。模型1為整體不開孔模型;模型2為整體開孔模型(其有限元剖分見圖4),考慮左右泄水孔及其基礎(chǔ)混凝土、壩后背管和2 059 m高程鎮(zhèn)墩;模型3與模型2類似,但為了模擬壩體混凝土的澆筑、封拱、蓄水過程,模擬了壩體橫縫,同時也模擬了左右泄水孔及其基礎(chǔ)混凝土、鎮(zhèn)墩與壩體之間的伸縮縫;模型4是在模型3的基礎(chǔ)上,模擬9號～13號壩塊引水鋼管上游側(cè)進口處閘墩,以此分析閘墩對壩體位移的影響。

圖4 李家峽拱壩有限元剖分(模型2)

利用模型2,考慮2 080 m、2 110 m、2 140 m、2 170 m、2 180 m等共5組水位,水壓荷載共計算了5組工況。由有限元計算結(jié)果分析得出以下結(jié)論:①泄水孔及其基礎(chǔ)混凝土、背管、2 059 m高程鎮(zhèn)墩對壩體基礎(chǔ)位移影響較大。主要原因在于這些結(jié)構(gòu)剛度較大,特別是泄水孔基礎(chǔ)混凝土、2 059 m高程鎮(zhèn)墩剛度大,從下游側(cè)對壩體起了支撐作用,減小了壩體及其基礎(chǔ)的位移,在一定程度上對壩體起到了增穩(wěn)作用。②基礎(chǔ)位移較大主要在于基巖變形模量較小,基巖偏軟。實際上,基巖由表及里30 m范圍內(nèi),基巖變形模量在5GPa～8GPa左右。③所有計算位移與實測值表現(xiàn)出的變形規(guī)律完全一致。④ 6號和16號壩段徑向位移不對稱的主要原因是右中孔及其基礎(chǔ)混凝土對壩體的支撐作用小于左側(cè)泄水孔及其基礎(chǔ)混凝土對壩體的支撐作用,這使得6號壩段的徑向位移大于16號壩段的徑向位移。

4.2 拱壩垂線水平位移的混合模型

為了進一步分析大壩的位移變化規(guī)律,建立典型壩段(6號、11號和16號壩段)的混合模型。李家峽大壩變形主要受水壓(水深)H、溫度T以及時效θ的影響,因而大壩的任一點變形δ可表示成:

δ=fH(t)+fT(t)+fθ(t)

(1)

式中:fH(t)、fT(t)、fθ(t)分別為水平位移的水壓、溫度和時效分量。

(2)

由于δH是在假設(shè)壩體和壩基的力學(xué)參數(shù)(如假設(shè)Ec0和Er0)情況下求得的,因而有限元計算得的位移δH與實際測值fH(t)有差異,為此對式(2)進行調(diào)整,同時考慮分析時段首次測值的影響,則

(3)

經(jīng)分析得到混合模型表達式為

式中:a0為常數(shù)項;b1i、b2i、c1、c2為回歸系數(shù);t以天計的監(jiān)測位移時相對應(yīng)于初始監(jiān)測日的時間;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);θ為位移監(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。

混合模型的參數(shù)估計:由式(4)看出，除參數(shù)X、c1、c2以外,水壓分量δH由有限元計算求得,溫度分量δT和時效分量δθ用統(tǒng)計模型計算。根據(jù)最小二乘原理,可得到X、c1、c2、b1i、b2i。

選取上游水位2 180 m、2 170 m、2 140 m、2 110 m和2 080 m,用模型2計算壩體水平位移,由式(2)得壩體垂線測點處水平位移的水壓分量δH的表達式:

(5)

混合模型分析資料選用1996年12月13日—2007年10月16日的壩體垂線監(jiān)測資料。由式(4)的混合模型基本方程,結(jié)合李家峽大壩的具體情況,得到其壩體垂線測點位移的混合模型表達式為

利用式(6)對徑向和切向水平位移的實測資料進行最佳擬合,得到對應(yīng)各測點徑向和切向水平位移混合模型中的回歸系數(shù)及特征值。從模型回歸系數(shù)看出:除了11號壩段2 087 m、2 059 m、2 035 m高程測點和16號壩段2 087 m高程測點切向位移回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)小于0.8外,其余測點的徑切向位移的回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)均大于0.80,均方差較小,回歸模型的擬合精度較高,可用混合模型分離各個分量,并由此評價大壩的工作性態(tài),其分離結(jié)果與統(tǒng)計模型分離結(jié)果接近。主要成果如下:①徑向水平位移總體上呈年周期變化,低溫時壩體向下游位移;高溫時壩體向上游位移,這符合拱壩水平位移的一般變化規(guī)律。②切向位移受氣溫變化的影響顯著,呈一定的周期性變化。溫度升高,右岸6號壩塊向左岸位移,左岸16號壩塊向右岸位移;溫度下降,上述兩壩塊測點向兩岸位移。③壩體徑、切向水平位移主要受溫度變化的影響,約占總位移量的75%～85%左右,水壓分量約占總位移量的10%～20%;時效分量較小,約占5%左右。④在1997—2002年,壩前水位有3次較大的抬升,因此在此期間水壓分量影響較大,而后水位一直較穩(wěn)定,大壩徑、切向位移變化較為平穩(wěn),無明顯趨勢性變化。

綜上所述,李家峽水電站大壩壩體水平位移的變化規(guī)律總體上正常。

4.3 反演分析

4.3.1 壩體和壩基變模分析

在壩基力學(xué)參數(shù)反演計算中共用了22種材料模擬李家峽壩區(qū)內(nèi)的巖體、處理巖體、以及壩體材料的力學(xué)性能。以各種材料的變形模量為主,兼顧泊松比μ、線膨脹系數(shù)及徐變。由垂線監(jiān)測變位反饋分析力學(xué)參數(shù)[15]。從反演結(jié)果看,反演的壩體材料比設(shè)計壩體材料變模提高了50%,壩基巖體材料參數(shù)總體上有所提高,比原設(shè)計參數(shù)提高了30%～50%,而斷層材料的參數(shù)不敏感,基本沒有變化。

4.3.2 反饋仿真分析計算結(jié)果

a. 大壩及基礎(chǔ)位移對比。采用反演參數(shù)計算的拱端拱冠順河向位移略小于實測值,但比原設(shè)計參數(shù)計算值更加接近實測值。

b. 壩體應(yīng)力計算結(jié)果對比。采用設(shè)計參數(shù)和反演參數(shù)計算的拱壩特征應(yīng)力值可以看出:采用反演參數(shù)后,拱壩的基本受力格局變化不大。

c. 大壩及基礎(chǔ)點安全度和屈服區(qū)。正常工況:①整體點安全度,反演參數(shù)高于原設(shè)計參數(shù)。由于材料變模的提高,點安全度約提高10%～20%。②原設(shè)計和反演參數(shù)的點安全度表明,出現(xiàn)較低安全度的地方主要集中在建基面靠近上游的地方,最小處安全度為1.0,但結(jié)構(gòu)在正常工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。③大壩左右岸基礎(chǔ)點安全度基本對稱,采用反演參數(shù)計算結(jié)果,左岸在2 150 m高程附近略低于右岸,但整體都沒有出現(xiàn)屈服。④上下游壩面及基礎(chǔ)均沒有屈服區(qū)出現(xiàn)。超載工況:①超載過程中,反演參數(shù)下,上下游壩面及基礎(chǔ)各平切面上的點安全度都不斷減小,對應(yīng)的屈服區(qū)的面積較之正常工況下要大。②隨著水載的增加,屈服區(qū)不斷擴大,左右岸拱端屈服面大于河床,左右岸開裂屈服面積基本相當。③在超載作用下左右拱端上下游面出現(xiàn)開裂屈服。④反演參數(shù)的屈服區(qū)范圍都表明,在2倍水載的工況下,局部產(chǎn)生開裂,進一步增加水載,屈服區(qū)貫穿直至貫通破壞。⑤河床壩基受到F20、F50、F20-1及f20等交會切割,引起壩基巖體十分破碎,盡管反演參數(shù)對其力學(xué)參數(shù)進行了提高,但在大壩受力作用下,超載試驗時荷載達到2Po后還是出現(xiàn)拉開的趨勢,在進一步的超載作用下,產(chǎn)生屈服。

d. 河床建基面安全度計算。采用反演參數(shù)后河床在超載3Po前基本沒有出現(xiàn)開裂屈服,說明河床的加固處理措施效果明顯。

4.4 反饋分析

反饋分析的主要成果如下:①河床壩段斷層交匯帶,左壩肩、重力墩,右岸1號壩段下游壩肩采取了提高大壩超載安全儲備的加固措施。通過超載試驗,有限元計算分析,李家峽大壩超載設(shè)計是合適的。②泄水建筑物基礎(chǔ)混凝土和引水建筑物2 059 m高程鎮(zhèn)墩從下游側(cè)對壩體起到了支撐作用,在一定程度上對壩體起到增加穩(wěn)定的作用。③李家峽雙曲混凝土拱壩設(shè)計的整體剛度較大,壩后背管對壩體整體剛度影響很小。④壩基地溫、揚壓力較高,基巖偏軟、變形模量偏小、基礎(chǔ)變形偏大,地質(zhì)條件較差時,拱壩下游面支承作用非常重要。⑤左右1/4拱壩段變形不對稱,水壓、溫度等荷載作用下,壩體順河向位移較大,這與三心圓結(jié)構(gòu)、壩基地質(zhì)條件、壩后支撐作用以及壩體剛度有關(guān)。⑥壩體冬季和表面保溫,以及對廊道溫度進行合理調(diào)控對大壩運行極為有利。⑦基礎(chǔ)混凝土采用抗腐蝕配方,鉆孔檢查分析表明效果良好,硫酸鹽侵蝕不會對大壩安全構(gòu)成不利影響。⑧左1/4拱2 087 m至拱冠壩基至右1/4拱2 087 m范圍內(nèi)壩基存在變形偏大的淺層破碎區(qū)域,經(jīng)處理后不影響大壩的安全。⑨反演計算的混凝土彈模比設(shè)計的大,從變形可以看出,溫度接近時年度變形降低,壩的剛度增加,彈模增加。采用反演參數(shù)計算的拱端拱冠順河向位移略小于實測值,但比原設(shè)計參數(shù)計算值更加接近實測值。

5 結(jié) 論

李家峽大壩安全運行以來,發(fā)現(xiàn)了諸如壩基變形偏大、左右1/4拱變形不對稱、左右2 087 m高程揚壓力異常和地溫較高等典型現(xiàn)象,通過高水位原型試驗、安全監(jiān)測正反分析以及工程長期實踐運行發(fā)現(xiàn),李家峽大壩壩體水平位移變化規(guī)律總體正常,大壩運行狀態(tài)良好,設(shè)計論證分析正常,大壩基礎(chǔ)經(jīng)處理后,滿足安全的要求,并具備了足夠的超載安全度。