張巍

（緊水灘水力發(fā)電廠，浙江麗水，323000）

低溫高水位對(duì)緊水灘拱壩性態(tài)影響實(shí)測(cè)分析

張巍

（緊水灘水力發(fā)電廠，浙江麗水，323000）

介紹了緊水灘拱壩在低溫高水位情況下的結(jié)構(gòu)性態(tài)反應(yīng)，并根據(jù)變形及滲流的實(shí)測(cè)成果就不利工況對(duì)拱壩性態(tài)的影響進(jìn)行了分析。

緊水灘拱壩；低溫高水位；實(shí)測(cè)性態(tài)分析

0 前言

緊水灘水電站的擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，最大壩高102 m，壩頂高程194 m，壩底寬24.5 m，壩頂寬5 m，壩頂弧長(zhǎng)350 m，共分20個(gè)壩段。電站水庫1986年開始蓄水并投入運(yùn)行，水庫總庫容為13.92×108m3，屬不完全年調(diào)節(jié)水庫，防洪標(biāo)準(zhǔn)按重現(xiàn)期1 000年設(shè)計(jì)、重現(xiàn)期10 000年校核，正常高水位184 m，死水位164 m。

影響大壩安全的環(huán)境因素有很多，除了特大洪水、大地震等自然災(zāi)害外，在正常運(yùn)行情況下主要有溫度和壩前庫水位。壩體溫度以及壩前水位的變化都會(huì)引起大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)的改變，當(dāng)溫度與壩前水位的變化形成不利組合時(shí)，會(huì)對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)性態(tài)造成不良影響。

緊水灘拱壩運(yùn)行過程中曾幾次遭遇低溫高水位情況，使實(shí)測(cè)壩體變形及基礎(chǔ)滲流量顯著增大，并達(dá)到歷史極值。根據(jù)低溫高水位期間的實(shí)測(cè)成果，對(duì)緊水灘拱壩實(shí)測(cè)變形及滲流狀況進(jìn)行分析，以反映其對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)性態(tài)的影響。

1 緊水灘拱壩主要效應(yīng)量監(jiān)測(cè)及其一般變化規(guī)律

反映緊水灘拱壩在各種環(huán)境因素作用下結(jié)構(gòu)性態(tài)狀況的主要效應(yīng)量——變形及滲流等，工程上對(duì)其進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)揭示了拱壩變形及滲流的一般變化規(guī)律，并可根據(jù)它們的異常變化及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

1.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及布置

緊水灘拱壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目齊全，運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理規(guī)范，至今積累了豐富完整的運(yùn)行監(jiān)測(cè)成果。2004年在人工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上建成并投運(yùn)了大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，在特殊工況下能夠針對(duì)性地實(shí)施快速加密監(jiān)測(cè)，發(fā)揮了人工觀測(cè)無法起到的作用。

1.1.1 變形監(jiān)測(cè)

壩體撓曲變形采用正、倒垂線組監(jiān)測(cè)。在拱冠11號(hào)壩段、左右1/4拱弧的7號(hào)和13號(hào)壩段、左右岸壩肩的4號(hào)和17號(hào)壩段各布置1組共5組正、倒垂線組，通過設(shè)置在相應(yīng)壩段不同高程的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)拱壩沿徑向和切向的撓曲變形情況。

拱壩基巖變形主要通過在拱冠附近10號(hào)壩段、以及以拱冠為軸對(duì)稱的2號(hào)和19號(hào)壩段、3號(hào)和18號(hào)壩段、5號(hào)和16號(hào)壩段的壩踵及壩趾部位各設(shè)1對(duì)（共7對(duì)）基巖變形計(jì)和測(cè)縫計(jì)，監(jiān)測(cè)基巖變形以及壩體與基巖接縫變形情況。

1.1.2 滲流監(jiān)測(cè)

壩基滲流量由大壩基礎(chǔ)廊道防滲帷幕后壩基排水孔來觀測(cè)。在3～18號(hào)壩段基礎(chǔ)廊道幕后各布置1個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)孔，以反映幕后揚(yáng)壓力沿壩軸線的分布狀況，并在4號(hào)、10號(hào)、12號(hào)和15號(hào)壩段徑向基礎(chǔ)廊道各增設(shè)2個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)孔，形成4個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)橫剖面，以反映相應(yīng)壩段基礎(chǔ)揚(yáng)壓力沿上下游的分布狀況。

1.2 一般變化規(guī)律

緊水灘拱壩實(shí)測(cè)撓曲變形變化規(guī)律表明，每年3月份左右，壩體溫度相對(duì)較低，壩體向下游撓曲變形達(dá)到最大，拱冠左、右側(cè)則分別向左、右岸方向切向位移達(dá)到最大；而每年9月份左右，壩體溫度相對(duì)較高，壩體向上游撓曲變形達(dá)到最大，拱冠左、右側(cè)則分別向右、左岸方向切向位移達(dá)到最大。緊水灘拱壩變形的變化過程具有與壩址氣溫相同的年周期，溫度變化主導(dǎo)了拱壩的變形規(guī)律。

由于緊水灘水庫不完全年調(diào)節(jié)的屬性，隨流域汛期與非汛期交替，年內(nèi)水庫有一個(gè)完整的漲落水過程，水位變幅20 m左右。汛期水庫運(yùn)行有快漲快落的特點(diǎn)，這一過程時(shí)段內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，水位變化對(duì)混凝土拱壩變形的影響明顯，壩前水位升高，壩體向下游撓曲變形增大，拱冠左側(cè)的壩體向左岸位移，右側(cè)的壩體則向右岸位移；壩前水位降低，壩體向上游反彈，拱冠左側(cè)壩體向右岸方向位移，右側(cè)壩體則向左岸方向位移。

壩前水位高低會(huì)影響緊水灘壩基揚(yáng)壓力及滲流量大小變化，溫度變化同樣對(duì)壩基滲流狀態(tài)影響明顯。緊水灘拱壩基礎(chǔ)滲流量實(shí)測(cè)成果表明，溫度對(duì)壩基滲流的影響主要是通過壩體變形起作用，當(dāng)壩體溫度由高向低變化時(shí)，大壩向下游撓曲變形，壩踵部位變形會(huì)朝拉伸方向變化，拉伸較大的部位可能會(huì)引起原有縫隙張大或產(chǎn)生新縫隙，這就會(huì)使相應(yīng)的滲流要素——滲壓和滲流量增大。

2 緊水灘拱壩低溫高水位組合情況下結(jié)構(gòu)反應(yīng)

由緊水灘拱壩多年實(shí)測(cè)性態(tài)變化規(guī)律可知，當(dāng)壩體處于較低溫度時(shí)，若此時(shí)壩前水位又較高，這兩種主要荷載疊加后會(huì)使壩體向下游的撓曲變形及壩基滲流量顯著增大。在1995年5月上旬、2010年及2012年的3月經(jīng)歷了3次壩體溫度較低狀態(tài)下壩前水位較高的運(yùn)行工況，后兩次皆發(fā)生在壩體溫度一般為最低的3月上旬，且壩前水位接近184 m正常高水位，分別為183.67 m和183.08 m，因此拱壩撓曲變形及滲流變化十分明顯，其中拱壩向下游徑向位移及壩基滲流量達(dá)到了歷史最大值。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很好地記錄了這期間壩體撓曲變形及壩基揚(yáng)壓力的整個(gè)變化過程。

2.1 大壩撓曲變形

圖1和圖2分別為緊水灘拱壩在2010年3月和2012年3月遇低溫高水位時(shí)壩頂徑向位移及上游水位的整個(gè)變化過程。圖中A4_194X、A7_194X、A11_194X、A13_194X和A17_194X分別為左壩肩4號(hào)壩段、左1/4拱弧7號(hào)壩段、拱冠11號(hào)壩段、右1/4拱弧13號(hào)壩段和右壩肩17號(hào)壩段頂部徑向位移測(cè)值（此工程徑向位移規(guī)定向上游為正）。由過程圖看出，隨著壩前水位升高，壩體向下游位移，因這期間壩體溫度相對(duì)穩(wěn)定，整個(gè)變化過程很好地反映了壩前水位對(duì)壩體撓曲變形的影響。

圖1 緊水灘拱壩2010年2～3月壩頂徑向位移及上游水位變化過程Fig.1 Radial displacement of Jinshuitan dam crest and the upstream water level in February and March,2010

圖2 緊水灘拱壩2012年2～3月壩頂徑向位移及上游水位變化過程Fig.2 Radial displacement of Jinshuitan dam crest and the upstream water level in February and March,2012

比較各年同期觀測(cè)成果可看到，在2012年2～3月份低溫高水位期間，上述壩頂測(cè)點(diǎn)向下游側(cè)最大徑向位移皆達(dá)到歷史最大值，其徑向位移量依上述測(cè)點(diǎn)順序分別為-10.66 mm、-21.13mm、-25.68 mm、-32.14 mm和-15.88 mm，比2010年同期分別增大1.96 mm、0.49 mm、0.64 mm、3.11 mm和1.85 mm，相對(duì)2005年同期則分別增大了2.68 mm、3.40 mm、4.85 mm、6.19 mm和2.68 mm。

在對(duì)應(yīng)期間壩體的切向位移變化同樣很明顯，但因溫度荷載和水壓荷載導(dǎo)致的切向位移相反，互相抵消一部分，所以均未超過歷史最大值。

2.2 基巖及接縫變形

壩體向下游側(cè)撓曲勢(shì)必會(huì)影響壩踵基礎(chǔ)及相應(yīng)接縫的變形。因監(jiān)測(cè)相應(yīng)壩踵基巖變形及接縫變形的儀器完好的不多，且當(dāng)時(shí)主要采用人工觀測(cè)，所以未能記錄在相應(yīng)期間壩基及接縫變形的全過程。

通過比較反映拱冠壩踵基巖變形的M1和壩體與基巖面接縫變形的J1各年同期監(jiān)測(cè)成果可知：拱冠壩踵基巖呈拉伸變形，相應(yīng)接縫則呈閉合壓縮狀態(tài)；低溫期間拱冠壩踵基巖拉伸變形大于同年高溫期間的拉伸變形，相應(yīng)壩體與基巖接縫低溫期間的壓縮變形小于同年高溫狀態(tài)下的壓縮變形；在2012年3月13日低溫高水位期間測(cè)得拱冠壩踵拉伸變形為2.57 mm，比2010年3月9日的2.09 mm和2005年的0.54 mm分別增大0.48 mm和2.03 mm，壩踵接縫壓縮變形則變化不大，反映出低溫高水位下壩踵基巖拉伸變形增大明顯。

為判斷低溫高水位工況下壩踵及基巖的受拉變形是否產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損傷，在該工況下對(duì)該部位的壩基排水孔進(jìn)行了檢查，通過孔內(nèi)下橡塞分段觀測(cè)壩基混凝土、壩體與基巖接觸面、基巖各分段滲流量情況以辨識(shí)可能損傷部位。試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明，滲流主要發(fā)生在基巖段，壩踵、壩體與基巖接觸面沒有產(chǎn)生裂縫等結(jié)構(gòu)性損傷。

2.3 壩基排水量

在壩體處于較低溫期間，水位對(duì)壩基排水影響顯著。1995年5月5日首遇低溫高水位時(shí)壩基排水總量達(dá)歷史最大值194.04 m3/d（當(dāng)天8時(shí)庫水位為184.20 m），2010年3月9日再遇低溫高水位時(shí)壩基排水總量達(dá)到303.86 m3/d（當(dāng)天17時(shí)35分庫水位為183.67 m），超過歷史最大排水量；2012年3月10日，低溫高水位時(shí)的壩基排水量439.72 m3/d（當(dāng)日0時(shí)壩前水位為182.93 m），成為運(yùn)行以來的壩基最大排水量。

緊水灘拱壩基礎(chǔ)排水量的分布主要集中在8～11號(hào)河床壩段基礎(chǔ)，其中以9號(hào)壩段基礎(chǔ)排水量最大。上述壩段基礎(chǔ)排水量在低溫高水位工況下增量顯著，遠(yuǎn)大于正常工況下的壩基排水量，隨著水位的降低，壩基排水量迅速減小，表現(xiàn)出壩體處于低溫狀態(tài)時(shí)，壩基排水量對(duì)壩前水位的變化很敏感，這主要因?yàn)樯鲜鰤味挝挥诠肮诟浇?，壩較高，壩體撓曲變形較大。

2.4 壩基揚(yáng)壓力

圖3和圖4為緊水灘拱壩在2010年和2012年 2～3月期間8～11號(hào)壩段基礎(chǔ)揚(yáng)壓水位、庫水位及相應(yīng)壩段基礎(chǔ)排水量變化過程。圖中P07～P10依序反映8～11號(hào)壩段基礎(chǔ)防滲帷幕后的揚(yáng)壓水位變化情況，由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由自動(dòng)化采集，有每小時(shí)一次的觀測(cè)值；“8壩段”～“11壩段”分別為相應(yīng)壩段基礎(chǔ)排水量，由于采用人工觀測(cè)，一般每月僅有3～4次觀測(cè)值，但在低溫高水位期間加密了觀測(cè)，每天有1次觀測(cè)值。

由圖可見：緊水灘拱壩在低溫高水位期間，隨著壩前水位升高，河床壩段基礎(chǔ)排水量增大顯著；9號(hào)和10號(hào)壩段幕后揚(yáng)壓水位在這期間沒有明顯升高，隨著所在壩段基礎(chǔ)排水量增大而降低；8號(hào)和11號(hào)壩段幕后揚(yáng)壓水位在初期有升高，但隨著所在壩段基礎(chǔ)排水量增大轉(zhuǎn)為降低。

3 低溫高水位對(duì)拱壩的作用影響及相應(yīng)后果分析

混凝土拱壩處于較低溫度狀態(tài)時(shí)，壩體表現(xiàn)為向下游撓曲變形較大。這主要是自下游面至上游面壩體溫度場(chǎng)溫度呈由低向高分布，使得壩體向下游側(cè)撓曲。在此分布下溫度梯度越大，則向下游側(cè)的撓曲變形也就越大。處于低溫狀態(tài)的拱壩對(duì)壩前水位更加敏感，壩前高水位將使壩體向下游撓曲變形更大，緊水灘拱壩在2012年3月份的低溫高水位期間，壩體徑向位移達(dá)到了歷史最大值。若今后再遇這種情況，變形可能過大而使壩體上游側(cè)相應(yīng)部位拉應(yīng)力超標(biāo)而導(dǎo)致開裂，從而給大壩安全帶來隱患。

低溫高水位對(duì)壩基變形的影響作用也是明顯的。壩體溫度較低時(shí)，壩軸線縮短，使兩岸坡基巖壓縮變形減小，河床部位壩基因壩體向下游撓曲變形較大使得壩趾部位基巖壓縮變形增大，壩踵部位基巖壓縮變形減小或拉伸變形增大。若此時(shí)壩前水位較高，水壓的作用會(huì)使得河床部位壩踵基巖壓縮變形更小或拉伸變形更大。緊水灘拱壩拱冠部位壩踵基巖實(shí)測(cè)變形呈拉伸變形，每遇低溫高水位，該部位壩踵基巖拉伸變形增大顯著，過大的拉應(yīng)力同樣會(huì)使基巖原有的裂隙拉開或出現(xiàn)新縫隙。

圖3 2010年2～3月份緊水灘拱壩河床壩基滲流量、揚(yáng)壓水位及庫水位變化過程Fig.3 Seepage of dam foundation,uplift water level and reservoir water level in February and March,2010

圖4 2012年2～3月份緊水灘拱壩河床壩基滲流量、揚(yáng)壓水位及庫水位變化過程Fig.4 Seepage of dam foundation,uplift water level and reservoir water level in February and March,2012

低溫高水位使得壩基滲流量增大。壩前水位高低除直接以作用水頭大小影響壩基滲流量外，還間接通過壩體變形使壩踵部位基巖的拉壓狀態(tài)變化影響壩基滲流。溫度對(duì)壩基滲流的影響則主要是通過壩體變形所產(chǎn)生的間接影響，即溫度降低使壩體向下游側(cè)撓曲變形增大，河床壩踵部位因壓縮減小或拉伸增大而使?jié)B流量增大。低溫高水位組合對(duì)河床壩基滲流條件造成的改變是對(duì)壩基滲流性態(tài)不利的，若頻頻出現(xiàn)這種工況，會(huì)使壩基滲流對(duì)壩前水位變得更敏感。比較緊水灘拱壩先后3次遇低溫高水位的壩基實(shí)測(cè)滲流情況，滲流量一次更比前一次大，說明低溫高水位組合可能會(huì)引起壩基滲流條件不可逆的不利改變，應(yīng)盡量避免。

4 結(jié)語

分析緊水灘拱壩幾次遭遇低溫高水位運(yùn)行時(shí)的實(shí)測(cè)性態(tài)，可以得到以下認(rèn)識(shí)：

（1）溫度和壩前水壓力是影響混凝土拱壩結(jié)構(gòu)性態(tài)的兩種主要環(huán)境因素。當(dāng)壩體溫度處于最低或最高狀態(tài)時(shí)，拱壩向下游或向上游的撓曲變形增大。壩體處于低溫狀態(tài)時(shí)遇壩前高水位或高溫狀態(tài)時(shí)遇壩前低水位會(huì)導(dǎo)致壩體向下游或向上游撓曲變形出現(xiàn)極值，使壩體相應(yīng)部位拉伸變形增大甚至產(chǎn)生局部拉應(yīng)力過大、滲流條件改變，這可能會(huì)對(duì)壩體結(jié)構(gòu)性態(tài)產(chǎn)生不利影響。

（2）緊水灘拱壩經(jīng)歷了3次低溫高水位組合作用，大壩變形及壩基滲流量皆出現(xiàn)極值。雖然隨著壩前水位降低，拱壩變形及滲流恢復(fù)常態(tài)，但從壩基滲流量及揚(yáng)壓力突變且變得敏感可以推測(cè)壩基防滲帷幕已受到局部損傷，低溫高水位對(duì)壩基滲流條件造成的影響是不可逆的。

（3）運(yùn)行期間影響拱壩溫度變化的主要因素是壩址氣溫，具有固定的年周期變化，規(guī)律是一定的，壩前水位變化則與水庫調(diào)度有關(guān)，非特殊洪水情況可由人為控制，因此在水庫調(diào)度時(shí)，應(yīng)盡量避免在類似低溫高水位工況下運(yùn)行。

[1]李民.緊水灘大壩安全監(jiān)測(cè)資料分析[R].武漢:武漢大學(xué), 2015.

[2]張巍.緊水灘水電站大壩安全第四次定期檢查運(yùn)行總結(jié)報(bào)告[R].麗水:緊水灘電廠,2015.

Influence analysis of low temperature and high water level on behavior of Jinshuitan arch dam

ZHANG Wei

Jinshuitan Hydropower Plant

This paper introduces the structural performance reaction of Jinshuitan arch dam under the condition of low temperature and high water level.Based on monitoring data of deformation and seepage, the behavior of arch dam under unfavorable cases is analyzed.

Jinshuitan arch dam;low temperature and high water level;observed behavior analysis

TV698.1

：B

：1671-1092（2017）04-0042-05

2017-05-08

張?。?966-），男，江蘇無錫人，高級(jí)工程師，從事水庫大壩安全運(yùn)行管理。

作者郵箱：zhang_wei6611@163.com