太平灣混凝土重力壩變形時空分布規律分析

荊 凱 ，常 亮 ，王 千 ，常洪軍

(1. 國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2. 太平灣發電廠，遼寧 丹東 118216)

憑借材料的優越性，混凝土重力壩的建設規模不斷發展壯大，特別是國內在建或已建的大型水利樞紐工程，混凝土壩已基本成為首選壩型。變形作為考量混凝土壩安全狀態的重要指標之一，對它的關注滲透到設計、施工、運行等各個環節。太平灣水電站位于遼寧省丹東市，混凝土重力壩建立在鴨綠江干流下游，壩址區河谷平坦，大壩不高但軸線較長，主河床設28個開敞式溢流孔，從結構布置上來看大壩軸向剛度較小。受氣候的影響壩區冰凍期長、氣溫變幅大，大壩變形在時空分布上的規律有自身特殊性。本文結合實測壩體變形資料，重點分析太平灣大壩近些年來變化特征，揭示變化規律，指導大壩安全運行，同時能為國內類似工程提供技術借鑒。

1 工程概況

鴨綠江流域水資源豐富，由中朝兩國共享，已建的4個梯級電站中太平灣水電站處在流域的最下游。壩址以上集水面積53 576 km2，與水豐大壩區間面積664 km2，水庫死水位28.8 m，正常蓄水位29.5 m，調洪庫容1.29億m3，調節庫容0.18億m3，為一日調節水庫。混凝土重力壩由溢流壩、擋水壩、河床式廠房及變電站等組成，壩頂全長1 185.5 m，共計68個壩段，壩頂高程36.5 m，最大壩高31.5 m，下游面立視圖見圖1。

大壩左岸為朝方側，右岸為中方側，壩后式廠房布置大壩右側，與右岸山體間用3個擋水壩段連接。溢流壩布置在主河床，右側與廠房連接，共設置28個開敞式溢流孔，左岸共29個擋水壩段。

圖1 太平灣大壩立視圖

大壩變形監測主要依靠布置在壩頂的真空激光準直系統，同時垂線和雙金屬標用于監測壩體撓度變化和校核激光絕對位移。真空激光觀測系統在每個壩段設置一個測點，可同時監測壩頂順河向水平位移和垂直位移，該系統從1998年開始運行，近20年來系統運行穩定，監測精度高，積累了較長觀測數據序列，為了解分析壩體變形時空分布規律奠定基礎。

2 水平位移時空分布規律分析

2.1 影響物理量

大壩在運行中受到上下游水壓力、溫度荷載、揚壓力、泥沙壓力、冰壓力、時效因素等而產生變形，在上述因素中，水壓和溫度荷載是影響太平灣大壩變形的主要因素。通常認為水壓力使壩體產生位移表現在3個方面[1-2]，即庫水壓力使壩體變形產生的位移；水壓力使壩基變形產生的位移；庫水重使壩基面轉動引起的壩體位移。溫度荷載產生的壩體位移主要表現在氣溫及水溫作用在大壩表面，使壩體混凝土產生溫度梯度，壩體溫度場分布狀態發生改變，混凝土在熱膨脹和冷收縮的效應下產生變形。

地處東北地區的混凝土重力壩，壩體混凝土結構、變形以及滲流更易受到低溫、冰凍的影響[3-5]。太平灣大壩水庫為日調節形式，上庫水位年變幅不大，上游水位和氣溫測值過程線見圖2。經對2007—2016年近10年的上游水位統計，其平均年變幅為0.6 m，最大年變幅僅為0.87 m。壩址區氣溫平均值為9.58 ℃，平均年變幅為41.72 ℃，其中最大為44.7 ℃，最小為40.57 ℃。分析可知水壓基本恒定，氣溫年均值低、年變幅大，壩體溫度場在不同季節工況下分布狀態差異性明顯。

圖2 上游水位和氣溫測值過程線

圖3 17、46和55號壩段水平位移測值過程線

圖4 61號壩段垂線測值過程線

2.2 歷時分析

壩頂真空激光觀測系統長期觀測結果表明，沿壩軸線總體可分為3個區域，其水平位移年際變化規律各不相同(見圖3、圖4)。

a.0～45號壩段實測水平位移量隨時間變化規律與氣溫呈負相關關系，即高氣溫工況下壩體向上游變形，7月或8月達到最小值；低溫工況下壩體向下游變形，12月或次年1月達到最大值，基本與氣溫同步變化，無滯后作用。

b.左岸51～59號擋水壩水平位移變化規律與右岸相反，即高溫工況下壩體向下游變形，低溫工況下壩體向上游變形，與氣溫呈正相關關系。這種變形隨時間變化規律越靠近左岸岸坡周期性越明顯。

c.46～50號壩段處于2種相異變形區的過渡區，這個區域水平位移周期性變化規律減弱，年變化幅度小。年度極值出現時間與上述兩個區域也有明顯差異，即最小值一般在2月或3月出現，最大值一般在10月或11月出現。

以上分析可知，大壩水平位移在左右呈相反的規律分布，即可以認為沿軸線方向壩體出現一定程度的“扭曲變形”。經分析，這種相反的變化規律不是在某一壩段突變形成，而是從46～50號壩段的一個過渡過程。左岸壩肩61號壩段布置有倒垂線，實測結果同樣有低溫工況壩體向上游、高溫工況向下游變形的變化規律，與真空激光觀測結果吻合。

2.3 一維分布分析

為分析壩體水平位移沿壩軸線分布規律，特別是高溫和低溫2種工況下壩體變形的差異性，統計了2007—2016年近10年每年1月和8月水平位移觀測量的平均值，其在壩軸線方向分布情況見圖5。

圖5 不同氣溫工況下水平位移平均值分布圖

a. 兩岸岸坡壩段(包括0號、2號、安裝間壩段和59號壩段)變形幅度小，壩體低矮、與壩肩山體相連是主要原因。

b. 低溫工況下，水平向位移量沿壩軸線呈階梯狀分布。第一個階梯為廠房和溢流壩，此區域在低溫作用下大壩向下游變形量最大，1～30號壩段平均變形量為3.54 mm；第二個階梯為34～50號擋水壩，平均變形量為-0.32 mm。兩個階梯間31～33號壩段為溢流壩轉變為擋水壩的過渡區域，其實測變形量呈漸變式減小，30號壩段比34號壩段實測平均位移量大5.03 mm；第三個階梯為51～59號擋水壩，變形量沿壩軸線呈“V”形分布，其平均變形量為-1.59 mm。

c. 高溫工況下，第一階梯壩體向上游回彈變形明顯，第二階梯變化量小，第三階梯大壩總體向下游變形，因此產生第一和第三階梯向第二階梯“靠攏效應”，各階梯平均水平變形量接近，階梯間的變形差變小，大壩水平變形在軸向趨于協調。

3 垂直位移時空分布規律分析

真空激光觀測系統長期觀測結果表明，大壩垂直位移隨時間變化狀態呈較為規則的年周期性變化，其過程線見圖6。除右岸0號壩段以外，其余擋水壩和溢流壩垂直位移呈低溫工況下壩體下沉，溢流壩年度最大下沉量一般發生在12月或1月，擋水壩年度最大下沉量一般發生在1月或2月；高溫工況下壩體上抬，溢流壩年度最大上抬量一般發生在7月或8月，擋水壩年度最大上抬量一般發生在8月或9月。總體上，溢流壩垂直位移變化與氣溫基本同步，擋水壩滯后氣溫1個月左右。0號壩段與右壩肩山體相連，壩體不高，垂直位移變化規律與其他壩段相反。上、下游水位對垂直位移變化影響不明顯。

圖6 15、40和55號壩段垂直位移測值過程線

統計了2007—2016年每年1月和8月實測垂直位移量的平均值，并在圖7中繪制在高溫及低溫工況下垂直位移沿壩軸線一維分布情況。

圖7 不同溫度工況下垂直位移分布圖

a. 除右岸0號壩段外，大壩整體上遵循了低溫工況下沉、高溫工況上抬的基本規律。相同壩體結構間各相鄰壩段總體變形協調，1月(低溫工況)在壩型過渡區存在的沉降差更為顯著，其中右岸0號壩段至1號廠房壩段平均沉降差約3.9 mm；4號廠房壩段與5號溢流壩沉降差約1.629 mm；31號溢流壩至33號擋水壩平均沉降差約2.6 mm；左岸擋水壩中，52～56號壩段間的沉降差約1.4 mm。

b. 8月年平均氣溫最高，大壩出現上抬回彈變形。實測位移量沿壩軸線分布狀態表明，高溫工況下壩型過渡區的沉降差普遍出現減小或消失，左岸52～56號擋水壩的沉降差基本消失，大壩變形在軸向收斂、趨于協調。

c. 這種變形差主要是由于壩體結構布置和混凝土體積的差異性造成，如溢流壩為敞開式過流結構，單寬混凝土體積相對要小，但外露表面積較大，因此其結構剛度和溫度場分布與擋水壩均有差別。另外溢流壩上部布置啟閉機和工作橋等功用結構，在一定程度上將對壩體變形產生一定的影響。

52～56號均為擋水壩，但在低溫工況也存在一定的沉降差，由大壩結構分布情況可知壩體高度由主河床向左岸逐漸降低，此壩段區處于壩體高度減小速率較快的區域，壩體混凝土體積減小，溫度荷載作用下產生沉降差。

4 大壩變形性態綜合分析

通過以上分析可知，太平灣混凝土重力壩上庫水位常年變幅小，壩址區平均氣溫較低、年變化幅度大、冰凍期長。因此從理論上來講，大壩產生的變形主要是溫度荷載作用在壩體上的物理反映，與水荷載相關性不大。通過對壩頂真空激光觀測系統實測大壩水平和垂直位移進行的歷時分析、一維分布分析以及特征值統計，表明太平灣大壩變形規律與理論分析相符。但受樞紐布置、壩型結構和東北地區環境等綜合因素的影響，太平灣大壩變形時空分布規律又有其自身特殊性。

a. 對大壩變形安全的不利工況為冬季低溫期，實測結果顯示低溫工況下在壩型過渡區大壩水平和垂直位移均不同程度存在變形差，壩體變形沿軸向分布協調性差。高溫工況下，壩型過渡區的變形差普遍減小或消除，大壩變形向軸線收斂并趨于協調，壩體整體應力水平也會隨之減小。

b. 左岸46～59號壩段水平位移與右岸呈相反的規律變化，即大壩水平向變形在左右岸呈“相異變化”的狀態分布，這種分布狀態在低溫工況下更為顯著。初步分析原因認為，擋水壩自42號壩段向左岸建基面逐漸升高，壩體高度減低速率較快，隨著擋水壩的高寬比減小，大壩的抗彎剛度增加、抗彎能力增強。另外，越向左岸庫水淹沒上游壩面的面積占比減小，水平靜荷載作用力減弱，同時溫度荷載對壩體的作用程度大幅上升。壩體結構的差異性和受力工況的改變，均可作為“相異變形”的考慮因素。

c. 大壩運行近20年來尚未發現因變形導致的裂縫、斷裂等影響大壩安全的缺陷，觀測統計結果表明，在某些區域存在的變形差量值不大，且在高溫工況下大壩可有效回彈變形。因此，目前壩體變形狀態尚未對大壩整體安全造成影響，但應關注壩型過渡區變形差以及左岸“相異變形”的發展趨勢，特別加強冬季低溫季節現場巡視檢查，避免出現事故。

5 結論

根據布置在太平灣混凝土重力壩壩頂的真空激光觀測系統長期觀測結果，表明大壩年周期性變形特征符合一般重力壩規律，氣溫是影響壩體變形的主要因素。左岸壩段水平位移出現“相異變形”，低溫工況下壩型過渡區變形差明顯，左岸因“相異變形”使壩體呈一定的扭曲變形。高溫工況下大壩變形趨于協調，變形差普遍減小或消除。分析認為，低溫工況對大壩安全運行不利，但高溫工況下大壩變形能有效回彈，說明大壩變形仍在彈性范圍內，目前總體上是安全的。

[1] 顧沖時，吳中如．大壩與壩基安全監控理論和方法及其應用[M]．南京：河海大學出版社，2006.

[2] 蔣存仁．混凝土重力壩變形監測資料分析研究[D]．蘭州：蘭州交通大學，2013.

[3] 宋恩來．東北水電站大壩混凝土凍融與凍脹破壞[J]．大壩與安全，1999(1):22-27.

[4] 荊 凱，王 千，戴江鴻，等．低溫高水位工況下白山水電站混凝土重力拱壩變形及滲流分析[J]．水電能源科學，2012，30(8)：59-62.

[5] 宋恩來，路振剛，金燦鎬．云峰大壩變形增大原因分析[J]．大壩觀測與土工測試，1997，21(6)：9-11.