杜小凱，王民浩，黨林才，李　瓚，顧沖時(shí)

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120；2.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司，

北京100048；3.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710065；

4.河海大學(xué)，南京江蘇210098)

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高拱壩庫(kù)盤變形及對(duì)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(shí)4

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120；2.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司，

北京100048；3.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710065；

4.河海大學(xué)，南京江蘇210098)

摘要：通過對(duì)高拱壩庫(kù)盤實(shí)測(cè)變形進(jìn)行分析，庫(kù)盤整體呈壩前下沉、壩后相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)略有抬升的翹曲變形。研究了庫(kù)盤變形的影響因素，結(jié)合小灣工程，建立包括庫(kù)區(qū)、壩基和大壩的大范圍數(shù)值模型，開展高拱壩庫(kù)盤變形對(duì)大壩工作性態(tài)影響的初步研究工作。研究成果揭示了庫(kù)盤變形的一般性規(guī)律，并提出了評(píng)價(jià)大壩工作性態(tài)時(shí)應(yīng)考慮庫(kù)盤變形影響的建議。

關(guān)鍵詞：高拱壩；庫(kù)盤變形；監(jiān)測(cè)；工作性態(tài)；反演

0引言

我國(guó)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(kù)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(kù)容150億m3的小灣拱壩，壩高305 m、總庫(kù)容77.65億m3的錦屏一級(jí)拱壩，壩高289 m、總庫(kù)容206.2億m3的白鶴灘拱壩等。這些工程地形地質(zhì)條件復(fù)雜[1- 2]，工程技術(shù)難度大，如何確保工程安全和科學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)工程師提出了更高的要求。工程經(jīng)驗(yàn)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(biāo)，但常規(guī)的高拱壩工作性態(tài)分析研究中，忽略了庫(kù)盤變形的影響。20世紀(jì)80年代，已有工程師注意到高拱壩庫(kù)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(shè)計(jì)和科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，對(duì)高拱壩的庫(kù)盤變形問題認(rèn)識(shí)不斷深入，高拱壩庫(kù)盤變形研究中需要注意和解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題也相應(yīng)需要進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。

1問題的提出

工程師在實(shí)際工作中往往發(fā)現(xiàn)拱壩壩體變形的數(shù)值計(jì)算成果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異很大，也有一些工程在蓄水階段的監(jiān)測(cè)資料表明：在庫(kù)水位、溫度和庫(kù)盤變形以及壩體特定結(jié)構(gòu)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(jìn)行說明。

圖1　小灣水電站拱冠梁22號(hào)壩段2種計(jì)算模型不同水位計(jì)算徑向變形與監(jiān)測(cè)成果對(duì)比

(1)龍羊峽水電站。龍羊峽水電站建設(shè)于20世紀(jì)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(wàn)km2的年流量全部攔住，總庫(kù)容為247億m3。工程蓄水期間，拱冠梁數(shù)值計(jì)算結(jié)果大于監(jiān)測(cè)值。大壩拱冠梁壩段2 600 m高程處，當(dāng)蓄水位至2 575 m時(shí)，大壩變形錘線實(shí)測(cè)值為16.28 mm。在考慮庫(kù)盤作用計(jì)入庫(kù)盤變形分量后，總計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合較好。其中，徑向變位的計(jì)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(kù)盤變形分量為-10.00 mm，總計(jì)算值為15.97 mm，實(shí)測(cè)值與總計(jì)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(jí)電站的“龍頭水庫(kù)”，水庫(kù)正常蓄水位1 240 m，總庫(kù)容約150億m3。工程蓄水期間，拱壩徑向變形的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)成果有較大差別，如圖1所示?？梢姳O(jiān)測(cè)所得的位移值小于計(jì)算值。監(jiān)測(cè)成果和計(jì)算值的起算點(diǎn)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(cè)值可和1 190 m計(jì)算值對(duì)比)。根據(jù)龍羊峽水電站庫(kù)盤研究的經(jīng)驗(yàn)推測(cè)，水庫(kù)庫(kù)盤的變形對(duì)小灣拱壩壩體變形應(yīng)有一定影響。

2高拱壩庫(kù)盤變形分析的影響因素

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

(1)庫(kù)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(kù)盤形式對(duì)庫(kù)盤變形的影響。

圖2　高壩大庫(kù)的水庫(kù)形式

(2)庫(kù)盤范圍。重點(diǎn)研究庫(kù)盤的寬度、深度及長(zhǎng)度對(duì)庫(kù)盤變形的影響，同時(shí)考慮庫(kù)盤往下游延伸不同長(zhǎng)度情況對(duì)庫(kù)盤變形的影響。

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

圖3為圖2所示的水庫(kù)庫(kù)盤沉降計(jì)算結(jié)果?？梢姡核畮?kù)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(kù)盤變形整體傾向上游；直線型河道庫(kù)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(kuò)型河道最大沉降發(fā)生在突擴(kuò)后的河道水體重心部位。隨著庫(kù)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(kù)盤基巖深度增加(3→10 km)，庫(kù)盤變形逐漸收斂；不同的庫(kù)盤下游范圍(5→10 km)對(duì)庫(kù)盤變形影響較小。隨著壩前水位增加，庫(kù)盤沉降逐漸增大。

圖3　水庫(kù)庫(kù)盤沉降計(jì)算結(jié)果

針對(duì)庫(kù)盤型式、基巖深度、上游延伸長(zhǎng)度、下游延伸長(zhǎng)度和不同水位等影響因素，采用改進(jìn)熵值法建立賦權(quán)模型，得到上述因素的權(quán)重分別為0.37、0.17、0.11、0.05、0.30，可以看出：在庫(kù)盤水體自重作用下，突擴(kuò)型河道由于庫(kù)盤水體自重最大，對(duì)高拱壩變形影響最為顯著；河道寬度一定的情況下，水庫(kù)水位越高，高拱壩傾向上游的變形和沉降越大；地基深度對(duì)模型計(jì)算結(jié)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(zhǎng)度和下游長(zhǎng)度的權(quán)重較小。

在此基礎(chǔ)上，下文結(jié)合小灣工程實(shí)測(cè)資料，建立小灣庫(kù)盤模型，研究小灣高拱壩庫(kù)盤變形及對(duì)大壩工作性態(tài)的影響。

3小灣庫(kù)盤變形及對(duì)大壩工作性態(tài)影響分析

3.1小灣庫(kù)盤變形實(shí)測(cè)變化規(guī)律

小灣庫(kù)區(qū)形態(tài)為分叉型。小灣高拱壩庫(kù)盤變形監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)網(wǎng)平面布置如圖4所示，監(jiān)測(cè)范圍從壩址上游1 km至壩址下游4 km，觀測(cè)線路總長(zhǎng)33 km。整個(gè)庫(kù)盤變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)共布置有33個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，其中上游水庫(kù)區(qū)內(nèi)15個(gè)，下游18個(gè)。根據(jù)庫(kù)盤水準(zhǔn)實(shí)測(cè)成果，小灣庫(kù)盤變形規(guī)律為壩上游下沉、下游略有抬升的翹曲變形，測(cè)值-1.6～35 mm，沉降最大值位于壩上游側(cè)1 km處，最小值位于壩下游4 km處，壩址區(qū)庫(kù)盤向上游有微量旋轉(zhuǎn)，如圖5所示。

圖4　小灣庫(kù)盤變形監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)網(wǎng)

圖5　小灣庫(kù)盤變形沉降量分布

3.2小灣庫(kù)盤數(shù)值分析模型及變形模量反演

小灣庫(kù)盤模型如圖6所示，結(jié)合分叉型河道模型范圍研究成果，考慮近壩區(qū)、庫(kù)區(qū)概化地質(zhì)分層以及主要地質(zhì)構(gòu)造F1、F2斷裂帶及F7斷層范圍，確定小灣遠(yuǎn)壩庫(kù)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(chǔ)深度10 km，共建立單元934 740個(gè)，節(jié)點(diǎn)958 636個(gè)。

圖6　小灣庫(kù)盤數(shù)值分析模型

根據(jù)小灣庫(kù)區(qū)周邊的水準(zhǔn)實(shí)測(cè)資料，以水準(zhǔn)位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之差的平方和的平方根作為反演的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，即

(1)

式中，δic為庫(kù)盤水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)計(jì)算值；δim為庫(kù)盤水準(zhǔn)實(shí)測(cè)值；N為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；K為復(fù)測(cè)次數(shù)。當(dāng)S達(dá)到最小時(shí)，此組參數(shù)是庫(kù)盤材料參數(shù)的合理值。

庫(kù)盤變模反演時(shí)，需先擬定材料參數(shù)的各種組合，計(jì)算庫(kù)盤水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(jié)合小灣庫(kù)盤水準(zhǔn)實(shí)測(cè)資料，利用優(yōu)化方法，反演小灣庫(kù)盤基巖的分區(qū)分層參數(shù)。建立了目標(biāo)函數(shù)如圖7所示，得到目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小時(shí)的最優(yōu)分配系數(shù)λ=0.576，據(jù)此可得到小灣上游庫(kù)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(kù)盤變形模量；h為庫(kù)盤深度。庫(kù)區(qū)淺表風(fēng)化巖體變形模量取1.9 GPa。

圖7　利用庫(kù)盤水準(zhǔn)資料進(jìn)行小灣庫(kù)盤變模優(yōu)選反演 λ-S關(guān)系曲線

3.3小灣壩體彈性模量反演

在小灣庫(kù)盤變形分析的基礎(chǔ)上，建立小灣近壩區(qū)模型進(jìn)行小灣壩體彈性模量反演(反演原理見文獻(xiàn)[4])，據(jù)此研究庫(kù)盤變形對(duì)小灣高拱壩工作性態(tài)的影響。為精細(xì)模擬小灣近壩區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件，小灣近壩區(qū)模型共剖分779 914個(gè)單元，821 914個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中壩體單元530 173個(gè)。

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(cè)資料的時(shí)空分析可知，大壩變形主要由水壓分量、溫度分量和時(shí)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(shí)效分量。

(1)水壓分量。小灣拱壩任一點(diǎn)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(guān)，故水壓分量為

(5)

式中，Hu、Hu0分別為監(jiān)測(cè)日、始測(cè)日對(duì)應(yīng)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(xiàng)因子模擬壩體溫度場(chǎng)的變化，即

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

(6)

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

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

δθ=d1(θ-θ0)+d2(lnθ-lnθ0)

(7)

式中，θ為監(jiān)測(cè)日至始測(cè)日的累計(jì)天數(shù)t除以100；θ0為建模資料系列第1個(gè)測(cè)值日到始測(cè)日的累計(jì)天數(shù)t0除以100；d1、d2為時(shí)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(jì)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(shí)效分量進(jìn)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(duì)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(shí)，大壩徑向向下游變形具有一定的時(shí)效分量，表明大壩有向下游變形的趨勢(shì)。

3.3.2小灣壩體彈模反演結(jié)果

考慮小灣庫(kù)盤變形影響，進(jìn)行水壓作用下的大壩變形計(jì)算，結(jié)合3.3.1中分離的水壓分量，進(jìn)行小灣壩體彈性模量反演，結(jié)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(jié)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(jié)果

2012年小灣第4階段蓄水期間，曾利用大壩(9號(hào)、15號(hào)、19號(hào)、22號(hào)、25號(hào)、29號(hào)和35號(hào)壩段)錘線實(shí)測(cè)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(kù)盤變形影響)。與表1結(jié)果對(duì)比，在考慮庫(kù)盤變形對(duì)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(duì)高拱壩大庫(kù)工程，由于庫(kù)水壓力對(duì)庫(kù)盤施加荷載造成了庫(kù)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(duì)大壩工作性態(tài)有一定影響，故在對(duì)大壩材料力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反分析時(shí)，建議考慮庫(kù)盤變形，從而得到更為接近實(shí)際的參數(shù)。

3.4庫(kù)盤變形對(duì)大壩工作性態(tài)影響

根據(jù)上述參數(shù)反演結(jié)果進(jìn)行小灣庫(kù)盤變形對(duì)大壩工作性態(tài)影響的計(jì)算分析，小灣庫(kù)盤變形作用下(1 240 m水位)大壩順河向位移如圖9所示。庫(kù)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(jì)算表明，22號(hào)壩段壩頂向上游位移為18.46 mm，壩基倒垂點(diǎn)963 m高程向上游位移為13.26 mm，基巖倒垂基點(diǎn)向上游位移為12.01 mm，故相對(duì)于倒垂基點(diǎn)，小灣22號(hào)壩段壩頂1 245 m高程向上游位移為6.45 mm。

當(dāng)前研究?jī)H是針對(duì)庫(kù)盤變形對(duì)大壩變形的影響，今后將進(jìn)一步開展庫(kù)盤變形對(duì)大壩應(yīng)力及大壩整體穩(wěn)定性的影響分析。

圖9　小灣庫(kù)盤變形作用下大壩順河向位移分布(1 240 m水位)

4結(jié)論

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

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

(2)結(jié)合小灣工程，利用庫(kù)盤沉降和壩體水平位移實(shí)測(cè)資料，反演了小灣庫(kù)盤變形模量和壩體彈性模量，在考慮庫(kù)盤變形對(duì)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(yùn)行過程中出現(xiàn)的壩體、壩基及谷幅變形“疑點(diǎn)”分析提供參考，同時(shí)針對(duì)高壩大庫(kù)工程，由于庫(kù)水壓力對(duì)庫(kù)盤施加荷載造成庫(kù)盤發(fā)生一定的沉降，并對(duì)大壩變形有一定影響，故建議在分析評(píng)價(jià)大壩工作性態(tài)時(shí)，應(yīng)考慮庫(kù)盤變形。

(4)拱壩為超靜定結(jié)構(gòu)，庫(kù)盤變形對(duì)壩體的影響不是簡(jiǎn)單的壩體-壩基整體剛體變形問題。庫(kù)盤變形受庫(kù)區(qū)形態(tài)、地質(zhì)條件、庫(kù)水壓力等多方面影響，問題極其復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外已有一定數(shù)量超過百億庫(kù)容的超高拱壩工程，應(yīng)開展相應(yīng)問題的調(diào)研工作，進(jìn)一步研究工程是否存在“庫(kù)盤變形”的判據(jù)，總結(jié)提煉考慮不同庫(kù)盤地質(zhì)條件、庫(kù)水壓力、水庫(kù)形態(tài)等因素的高拱壩庫(kù)盤變形的一般性規(guī)律。

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(責(zé)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(hào)：TV642.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0559- 9342(2016)01- 0040- 05

作者簡(jiǎn)介：杜小凱(1979—)，男，北京人，高級(jí)工程師，博士，主要從事水工結(jié)構(gòu)研究工作.

收稿日期：2015- 07- 15