某混凝土拱壩異常變形規律原因初探

胡 蕾，馬 琨，李端有，李 波

(長江科學院水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，湖北武漢430010)

某混凝土雙曲拱壩壩頂高程610 m，最大壩高285.5 m，正常蓄水位600 m，自2013年5月4日開始蓄水。一般情況下，蓄水之后壩體將傾向下游變形，但該混凝土拱壩壩體卻出現較為明顯的傾向上游的變形。為了探究這一異?，F象的原因，本文擬通過建立大壩變形監控模型，將變形效應量按照成因分解為多個分量，從而明確各影響因素的作用效果及其與變形效應量之間的關聯程度。

大壩變形監控模型按常規僅考慮水壓和溫度的影響，雖另外分解出時效變形分量，但時效因子的選取也通常是為了反映時效變形“初期增長較快、后期漸趨穩定”的一般規律性，主要憑借經驗選取[1]。然而，除上述影響因素之外，本文所研究的混凝土拱壩還存在一個值得注意的問題，即該混凝土拱壩在壩址上下游側均觀測到了顯著的谷幅收縮變形，自蓄水以來持續增大，該谷幅收縮現象是否是造成前述大壩指向上游的異常變形的主要原因，其所占多大比重是值得澄清的，因此在建立監控模型探索異常變形的驅動機制時，理應考慮谷幅收縮對壩體變形的影響。

1 問題的描述

圖1為混凝土拱壩拱冠梁15號壩段各高程徑向位移，圖2～3為河床16號壩段應力分布。為便于分析，大壩563.25 m高程以下的位移監測成果統一取蓄水開始時間2013年5月4日為基準時間，由于壩頂高程垂線測點于2014年7月4日安裝，該高程位移監測成果統一取2014年7月4日為基準時間。

圖1 拱冠梁15號壩段各高程徑向位移

圖2 河床16號壩段應力分布

圖3 上游庫區722 m高程谷幅收縮變形過程

由圖1可知，無論庫水位高低，大壩整體均呈現為傾向上游的變形，在低水位時尤為明顯。由圖2可知，壩踵垂直向壓應力較大，大于壩趾的壓應力；切向應力均表現為壓應力，但河床壩段上游面切向壓應力小于下游面切向壓應力。上述應力分布規律與壩體傾向上游的變形是相互對應的。另外，自蓄水以來，該混凝土拱壩在壩址上下游均觀測到了顯著的谷幅收縮變形，并且自蓄水以來持續增大，至2017年2月最大谷幅收縮變形已接近80 mm，如圖3所示。實際上，谷幅收縮是目前我國高拱壩普遍面臨的問題，已建成的李家峽拱壩、錦屏一級拱壩等工程都出現了谷幅收縮變形[2- 4]。國內相關研究雖然對高拱壩谷幅收縮變形成因進行了初步探討，但很少關注谷幅收縮變形對大壩結構受力的影響[5]。文獻[6]的研究已確認了該混凝土拱壩在初次蓄水期間存在壩肩向河谷中心變位的趨勢，那么該變位趨勢與壩體異常變形之間是否存在關聯，影響程度如何是值得探討的問題，為了澄清這一問題，本文所建立的監控模型在考慮水壓和溫度影響的同時，擬引入合適的因子形式描述谷幅收縮變形，從而探尋各環境量與壩體異常變形之間的關聯。

2 考慮谷幅收縮變形影響的預置時效因子

該混凝土拱壩壩址上下游谷幅監測各測點的變化規律相似，以上游722 m高程谷幅為例，以時間t(監測日期—基準日期2013年5月4日)為自變量對谷幅收縮量進行擬合，得到谷幅收縮量y與時間t之間的關系為y=0.000 03t2-0.094 6t-2.490 2，過程線如圖4所示。

圖4 上游庫區高程722 m谷幅收縮變形

模型時間實測值/mm擬合值/mm常數項水壓分量/mm溫度分量/mm時效分量/mm復相關系數模型一2014年9月28日19.2417.39-147.511191.54-2.23-24.410.942模型二2014年9月28日19.2417.882015年6月15日-20.44-21.002015年10月19日5.114.702016年5月26日-26.41-27.102016年10月8日-1.54-1.21-1.50352.96-2.77-30.8121.380.10-40.9753.17-2.39-44.5822.221.00-48.8253.02-2.61-50.120.976

從圖4可見，谷幅收縮變形曲線自蓄水以來呈拋物線形狀變化，假定谷幅收縮與其引起的壩體變形之間線性相關，則谷幅收縮引起的壩體變形為

(1)

3 建模結果

(2)

(3)

采用逐步回歸方法得到各分量的回歸系數和回歸常數，模型一和模型二的建模結果分別見式(4)、(5)。

(4)

(5)

表1列出了模型一和模型二建模結果，圖5為模型二各變形分量的過程線。

圖5 模型二各變形分量

4 模型合理性分析

由表1可知，雖然兩個模型的復相關系數均較高，但模型一的回歸常數項較大，遠大于測值。根據統計理論，如果統計模型真實反映了所有環境量對變形的實際影響，則合理的回歸方程常數項應很小，接近于0。

若統計模型無法真實地反映環境量對觀測物理量的影響，可能有兩個原因：①由于外界的干擾或被觀測對象發生了變化，導致環境量與觀測物理量之間的固有關系發生了變化，此時應分時段或分對象建立多個監控模型；②被觀測對象未發生變化且處于相對穩定的環境中，但回歸分析時環境變量的描述不合理。

對于本案例中的監控模型，常數項的大小主要取決于環境變量的描述是否合理。在所有環境變量中，水壓分量和溫度分量的描述因子已經經過大量理論分析和實踐檢驗，可以認為基本是合理的，而時效因子的選取主要憑借經驗，由不合理的時效因子形式所描述的時效分量必然難以反映壩體實際的時效變形，回歸方程存在誤差，誤差只能以常數項的形式反映在回歸方程中，表現形式就是常數項絕對值較大。

因此，當監控模型回歸方程中的常數項較大時，應對預置時效因子進行優化，模型二中的回歸常數項較小，也證明了考慮谷幅收縮影響的預置時效因子較為合理，以此建立的監控模型質量較高。

5 環境量對壩體變形的影響

由于模型二的建模質量較高，結果較為合理，因此基于模型二分析各環境量對壩體變形的影響。

由圖5a可知，溫度變形分量較小，這與運行期混凝土的溫度較為穩定，僅隨氣溫變化有小幅波動的客觀規律是吻合的。

壩體變形主要由水壓分量和時效分量組成，由圖5b可知，水壓變形分量自蓄水以來均指向下游，說明盡管作用于河床庫基巖體的庫盆水壓力使得壩體有向上游變形的趨勢，但與壩面水壓力的作用疊加后，水壓荷載的綜合作用效果是使壩體傾向下游變形，僅因水位抬升消落變化而使水壓變形分量的大小存在波動。

由圖5c可知，在時效因子中考慮了谷幅收縮的影響后，時效變形分量指向上游，自蓄水以來持續增大，當其大于水壓變形分量時，壩體則表現為傾向上游變形，由此基本可以解釋大壩指向上游的異常變形現象。

上述分析表明，在谷幅持續收縮的條件下，兩岸壩肩巖體擠壓拱壩壩體，這很可能是壩體傾向上游變形的主要原因。

6 結 論

為解釋某混凝土拱壩在蓄水后壩體傾向上游變形的原因，本文采用逐步回歸方法，引入考慮谷幅收縮變形影響的預置時效因子建立壩體變形監控模型，結果表明：

(1)考慮谷幅收縮影響的預置時效因子可以較為真實的反映環境量對監測物理量的影響，據此建立的監控模型也較為合理。

(2)進入運行期后，溫度作用對壩體變形的影響較小，水壓荷載的作用效果是使得壩體傾向下游變形，在谷幅持續收縮的條件下，拱壩壩體受到了兩岸壩肩巖體對其顯著的擠壓作用，這很可能是壩體傾向上游變形的主要驅動力。