二灘拱壩運(yùn)行期壩體水平位移分析

閔 四 海

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000)

1 引 言

二灘水電站位于四川省攀枝花市雅礱江干流，系雅礱江梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第一座電站，電站以發(fā)電為主，總裝機(jī)3 300 MW，是20世紀(jì)我國(guó)建成的最大水電站。電站樞紐由混凝土雙曲拱壩、泄洪建筑物、消能建筑物、輸水建筑物和地下廠房等組成。

二灘拱壩壩高240 m，壩頂弧長(zhǎng)774.69 m，作為我國(guó)建成的第一座200 m級(jí)特高拱壩，已成功運(yùn)行十多年，對(duì)目前我國(guó)新投入運(yùn)行的錦屏一級(jí)(305 m)、溪洛渡(壩高285.5 m)等特高拱壩的安全運(yùn)行具有一定的參考作用，因此，分析二灘拱壩運(yùn)行期的壩體變形具有重要的工程參考價(jià)值。

二灘拱壩從1998年下閘蓄水以來(lái)，取得了大量的壩體變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為掌握200 m以上特高拱壩壩體變形的影響因素、變化規(guī)律及特征等提供了寶貴的第一手資料。

2 水平位移監(jiān)測(cè)儀器布置

二灘拱壩水平位移監(jiān)測(cè)，主要利用拱壩垂線系統(tǒng)和外部變形觀測(cè)網(wǎng)，其中垂線系統(tǒng)采用人工讀數(shù)盤(人工)和垂線坐標(biāo)儀(自動(dòng))觀測(cè)，外部變形觀測(cè)網(wǎng)采用大地測(cè)量法觀測(cè)。水平位移監(jiān)測(cè)布置圖(如圖1)。

為監(jiān)測(cè)拱冠、拱肩及1/4拱圈等部位的水平位移，在#4、#11、#21、#33和#37壩段5個(gè)斷面布置了8條倒垂線和10條正垂線，組成5組正倒垂線組，共計(jì)20個(gè)測(cè)點(diǎn)。正、倒垂線測(cè)點(diǎn)布置情況(詳見(jiàn)表1)。

圖1 水平位移測(cè)點(diǎn)布置圖(上游立面)

二灘拱壩垂線系統(tǒng)的觀測(cè)頻次(人工每周1次，自動(dòng)化每天2次)要高于外部變形觀測(cè)網(wǎng)的觀測(cè)頻次(大地測(cè)量每季度1次)，垂線的監(jiān)測(cè)成果能夠更加全面地反映壩體水平位移的變化規(guī)律。垂線人工與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果總體趨勢(shì)是一致的，但由于垂線坐標(biāo)儀和采集單元不同程度進(jìn)行過(guò)維護(hù)和改造，導(dǎo)致自動(dòng)化測(cè)值中不可避免地混入了部分系統(tǒng)誤差和人為誤差，可認(rèn)為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果的可靠性總體上要低于人工監(jiān)測(cè)成果。因此，本文以垂線人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為壩體水平位移分析的主要依據(jù)。

表1 正、倒垂線測(cè)點(diǎn)布置一覽表

表2 壩體徑向水平位移特征值統(tǒng)計(jì)表

3 特征值分析

3.1 徑向水平位移

統(tǒng)計(jì)壩體徑向水平位移特征值(見(jiàn)表2)。因初期蓄水階段部分測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)不夠連續(xù)完整，故表中相應(yīng)測(cè)點(diǎn)特征值的統(tǒng)計(jì)時(shí)段不包括蓄水初期。

由上表可以看出：(1)各測(cè)點(diǎn)徑向水平位移的最大值多發(fā)生在低溫高水位季節(jié)(10～12月份)，壩頂徑向位移最大值在3.86～134.58 mm之間，最大年變幅在4.40～67.70 mm之間；最小值一般發(fā)生在高溫低水位季節(jié)(4～6月份)。(2)同一高程不同壩段，靠拱冠越近，徑向位移越大。(3)同一壩段不同高程，高程越高，徑向位移越大。

3.2 切向水平位移

統(tǒng)計(jì)壩體切向水平位移特征值(見(jiàn)表3)。因初期蓄水階段部分測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)不夠連續(xù)完整，故表中相應(yīng)測(cè)點(diǎn)特征值的統(tǒng)計(jì)時(shí)段不包括蓄水初期。

表3 壩體切向水平位移特征值統(tǒng)計(jì)表

由上表可以看出：(1)切向水平位移總體表現(xiàn)為左岸壩段向左岸變形、右岸壩段向右岸變形的特征，左(右)岸壩段向左(右)岸變形的最大值多發(fā)生在低溫高水位季節(jié)，左岸4#壩段、11#壩段壩頂向左岸位移最大值為3.35 mm和21.32 mm，右岸33#壩段、37#壩段壩頂向右岸位移最大值為-19.75 mm和-2.90 mm；左(右)岸壩段向右(左)岸變形的測(cè)值較小且一般發(fā)生在高溫低水位季節(jié)。(2)左1/4拱(11#壩段)和右1/4拱(33#壩段)處切向變形較大，而拱端部位(4#壩段、37#壩段)切向位移較小。(3)同一壩段不同高程，高程越高，切向變形越大。

4 時(shí)間過(guò)程分析

4.1 徑向水平位移

繪制蓄水以來(lái)壩體典型部位徑向水平位移過(guò)程線(見(jiàn)圖2)。

由以上各圖可以看出：(1)壩體徑向位移隨庫(kù)水位呈明顯的年周期性變化，且與庫(kù)水位正相關(guān)，即庫(kù)水位上升，壩體向下游位移，反之則向上游回彈；同時(shí)，持續(xù)高水位作用時(shí)間越長(zhǎng)，徑向位移值越大。(2)蓄水初期，由于壩基地質(zhì)構(gòu)造(斷層、節(jié)理裂隙等)的壓縮變形以及壩體的徐變等，壩體產(chǎn)生了較大的不可逆位移，之后時(shí)效位移發(fā)展趨緩或停止，逐步進(jìn)入彈性工作狀態(tài)。(3)壩基徑向位移同樣受庫(kù)水位變化影響，存在緩慢的向下游的趨勢(shì)性變化。

圖2 典型測(cè)點(diǎn)徑向位移與庫(kù)水位過(guò)程線

4.2 切向水平位移

繪制蓄水以來(lái)壩體典型部位切向水平位移過(guò)程線(見(jiàn)圖3)。

圖3 典型測(cè)點(diǎn)切向位移與庫(kù)水位過(guò)程線

由以上各圖可以看出：(1)壩體切向位移變化規(guī)律不明顯。左右1/4拱部位(11#壩段、33#壩段)有年周期性變化，測(cè)值變幅較大；拱端(4#壩段、37#壩段)測(cè)值變幅較小；拱冠21#壩段年周期性規(guī)律不強(qiáng)，測(cè)值變化平穩(wěn)。(2)切向位移主要受庫(kù)水位變化影響，表現(xiàn)為庫(kù)水位升高，壩體向兩岸位移，反之則向河中回彈；拱冠21#壩段受庫(kù)水位變化影響不明顯。(3)蓄水初期，左右岸壩段分別產(chǎn)生了向兩岸的不可逆變形，此后時(shí)效位移逐漸收斂，基本趨于穩(wěn)定。

5 統(tǒng)計(jì)模型分析

通過(guò)以上定性分析可知，壩體水平位移具有一定的時(shí)空分布及變化規(guī)律，主要受庫(kù)水位和溫度等荷載因素及不可逆變形的影響，此外還與自身結(jié)構(gòu)特性(壩基條件、體型、材料特性等)有關(guān)。為進(jìn)一步確定各種因素的影響程度，選取測(cè)值規(guī)律性較好的典型測(cè)點(diǎn)建立統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行定量分析。考慮前期數(shù)據(jù)不太完整，本次確定的建模時(shí)段為2001年5月～2013年6月。

5.1 統(tǒng)計(jì)模型

影響大壩位移量的主要作用因子是水壓荷載、溫度荷載，主要因素是壩體混凝土材料特性、壩基材料特性以及各種作用效應(yīng)的時(shí)效及殘余變形分量等，采用以下數(shù)學(xué)模型表示壩體某一點(diǎn)的位移δ：

δ=δH+δT+δθ

式中δH為大壩上、下游水位引起的彈性位移分量；δT為溫度變化引起的彈性位移分量；δθ為非彈性位移分量，即時(shí)效位移分量。

根據(jù)壩工理論分析成果，拱壩壩體任一點(diǎn)的水壓位移一般與壩前水深H及其二、三、四次方成比例，可以將水壓位移分量δH表示成上述因子的線性組合形式：

式中a0、ai為水壓因子回歸系數(shù)。

二灘拱壩內(nèi)部溫度場(chǎng)已趨向穩(wěn)定，混凝土水化熱已釋放完畢，而壩體邊界溫度的變化是由于環(huán)境氣溫的季節(jié)性變化引起的，考慮壩體混凝土溫度滯后邊界溫度的相位，溫度位移分量δT采用多段平均氣溫的線性組合形式表示：

δT=b0+b1T0+b2T7+b3T10+b4T20+b5T30

式中T0、T7、T10、T20、T30為當(dāng)天、前7天、10天、20天、30天的平均氣溫；b0、b1、b2、b3、b4、b5為溫度因子回歸系數(shù)。

對(duì)于運(yùn)行正常的大壩來(lái)說(shuō)，時(shí)效位移的一般規(guī)律是：初期變化快，后期變化慢，最終趨于穩(wěn)定。結(jié)合二灘拱壩具體情況，擬定時(shí)效因子為θ和ln(1+θ)，即時(shí)效位移分量δθ表示為：

δθ=c0+c1θ+c2ln(1+θ)

式中θ為從正式蓄水日1998年5月1日至觀測(cè)日的累計(jì)天數(shù)除以100；c0、c1、c2為時(shí)效因子回歸系數(shù)。

綜上，由各位移分量疊加得到壩體位移表達(dá)式為：

式中C為合并各位移分量回歸系數(shù)中的常數(shù)項(xiàng)，即C=a0+b0+c0。

5.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)壩體水平位移典型測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸分析，通過(guò)分析計(jì)算，水平位移分量分解及統(tǒng)計(jì)成果(見(jiàn)表4、表5)，典型壩段測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值、擬合值及各分量過(guò)程線(見(jiàn)圖4)。

根據(jù)上述成果表和過(guò)程線圖，可以看出以下特征：

(1)水壓位移分量

影響壩體水平位移的主要因素是庫(kù)水位，各測(cè)點(diǎn)徑向位移水壓分量變幅在2.29～53.22 mm之間，約占總變幅的45%～69%，平均占55%；切向位移水壓分量變幅在2.22～7.54 mm之間，約占總變幅的44%～81%。水壓位移分量的空間分布規(guī)律表現(xiàn)為：同一高程徑向位移水壓分量呈“拱冠最大，11#壩段次之，33#壩段最小”分布；切向位移水壓分量左岸略大于右岸；同一壩段水壓位移分量隨高程增大而增大；這與二灘拱壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相符。

(2)溫度位移分量

環(huán)境溫度變化對(duì)壩體水平位移有一定影響，各測(cè)點(diǎn)徑向位移溫度分量變幅在0.62～15.95 mm之間，約占總變幅的9%～30%，平均占17%；切向位移溫度分量變幅在0.39～1.96 mm之間，約占總變幅的9%～22%。溫度位移分量的變化規(guī)律表現(xiàn)為：溫降壩體向下游位移的同時(shí)向兩岸位移，溫升壩體向上游位移同時(shí)向河床回彈，這與定性分析的結(jié)論一致。

(3)時(shí)效位移分量

前期時(shí)效位移對(duì)壩體水平位移有重要影響，隨著時(shí)間推移和加卸載次數(shù)增加，這種影響逐步減小；2001年5月至2013年6月，壩體徑向位移時(shí)效分量變幅在0.74～36.64 mm之間，約占總變幅的16%～43%，平均占28%；左岸11#壩段切向位移已無(wú)時(shí)效分量，右岸33#壩段切向位移時(shí)效分量變幅在1.90～6.89 mm之間，約占總變幅的42%～45%，左右岸有差異，很可能是因?yàn)橛野秹位浫跷g變帶和斷層的壓縮變形所致。時(shí)效位移分量的變化規(guī)律表現(xiàn)為：在持續(xù)水壓荷載作用下，壩體產(chǎn)生向下游和兩岸的時(shí)效位移，前期增長(zhǎng)較快，后期趨緩并逐步收斂；至2013年，壩基徑向位移(TCN5、TCN12、TCN17)已基本穩(wěn)定，壩頂徑向位移尚未完全穩(wěn)定，左岸11#壩段切向位移已經(jīng)穩(wěn)定，右岸33#壩段中上部還有少量的時(shí)效位移。

表4 壩體徑向位移分量分解成果表

表5 壩體切向位移分量分解成果表

圖4 典型壩段壩體徑向水平位移實(shí)測(cè)值、擬合值及各分量過(guò)程線

6 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)二灘拱壩水平位移實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)拱壩徑向水平位移呈現(xiàn)“庫(kù)水位升高或溫降，壩體向下游位移，反之向上游位移”的變化規(guī)律；同時(shí)表現(xiàn)出“靠拱冠越近，位移越大”、“高程越高，位移越大”、“左岸大于右岸”的分布特點(diǎn)；定量分析成果表明，水壓荷載是影響徑向水平位移的主要因素，時(shí)效作用次之，溫度位移相對(duì)較小，三者平均占比依次為55%、28%、17%。

(2)拱壩切向水平位移呈現(xiàn)“庫(kù)水位升高或溫降，壩體向兩岸位移，反之向河床回彈”的變化規(guī)律；同時(shí)表現(xiàn)出“左右1/4拱處位移較大，拱冠和拱端位移較小”、“高程越高，位移越大”的分布特點(diǎn)；定量分析成果表明，左岸11#壩段切向位移主要受水壓和溫度作用影響，水壓分量和溫度分量分別占80%、20%，已無(wú)時(shí)效分量，右岸33#壩段切向位移主要受水壓和時(shí)效作用影響，溫度分量相對(duì)較小，三者平均占比依次為46%、44%、10%，左右岸壩段時(shí)效作用的這種差異很可能是因?yàn)橛野秹位嬖谲浫鯉r帶和斷層。

(3)壩體存在向下游和兩岸的時(shí)效位移，時(shí)效位移初期發(fā)展迅速，增長(zhǎng)較快，之后逐漸變慢并趨于收斂；壩基徑向位移至2013年已基本穩(wěn)定；壩頂徑向位移尚未完全穩(wěn)定；左岸切向位移已基本穩(wěn)定，右岸中上部高程仍未穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M] 北京：高度教育出版社，2003

作者簡(jiǎn)介:

閔四海(1976-)，男，湖南常德人，工程師，雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司二灘水力發(fā)電廠水工部副主任.

(責(zé)任編輯：卓政昌)