柬埔寨達岱水電站面板堆石壩變形分析

趙文勝，徐 軼

(1. 柬埔寨達岱水電有限公司，柬埔寨王國 金邊，12152；2. 長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430010；3. 國家大壩安全工程技術研究中心，武漢 430010)

0 引 言

混凝土面板堆石壩因其較優的安全性、經濟性和地基適應性，在國內外工程建設中得到了大力發展和廣泛應用[1,2]。但與一般土石壩相比，該壩型對筑壩堆石料要求較高。工程界常以飽和無側限抗壓強度30 MPa為限將巖石分為硬巖和軟巖[3]，為減小壩體變形、控制面板裂縫的產生，以往較多工程均要求采用硬巖筑壩。但軟巖料分布更為廣泛，開采成本低，利用當地軟巖開挖料進行堆石壩填筑，不僅能降低造價，加快工程建設，而且也有利于保護生態環境，具有重大的經濟和社會效益。隨著筑壩技術的進步，軟巖料筑面板堆石壩的應用不斷增多。如國內的天生橋一級、董菁、大坳、盤石頭、魁龍等工程，都大量利用或部分利用軟巖料筑壩[4,5]。

由于軟巖料強度偏低，具有高壓縮性，受荷后變形較大；且軟巖料含泥量高，受溫度循環、干濕交替等因素影響易發生風化崩解，流變特性顯著。利用軟巖構筑面板堆石壩，壩體的變形控制需特別注意，尤其是大壩長期變形特性對其安全性的影響[6]。隨著高面板堆石壩建設的快速發展和對生態環境要求的不斷提高，軟巖料的使用范圍和利用量將進一步加大，軟巖筑壩安全也越來越受到重視。由于面板堆石壩的設計、施工很大程度上仍然依賴于工程經驗，結合工程實踐開展軟巖面板堆石壩的變形特性和安全性研究，將有助于軟巖筑壩技術的提高和發展。

本文以柬埔寨達岱水電站工程為背景，通過變形監測資料分析及三維有限元仿真反演分析，探究軟巖筑面板堆石壩的變形性狀及其長期安全性。達岱水電站軟巖筑面板堆石壩的成功經驗及其變形性狀的基本規律，對于同類工程具有一定的借鑒與參考意義。

1 筑壩材料特性及施工過程

達岱水電站位于柬埔寨王國國公省境內的達岱河上，水庫總庫容4.5 億m3，是以發電為主的Ⅱ等大(2)型工程，裝機容量246 MW，年發電量8.58 億kWh。水庫校核洪水位217.75 m，正常蓄水位215.0 m，死水位180.0 m。樞紐建筑物主要由主壩、副壩、岸邊溢洪道、引水隧洞和岸邊地面廠房等組成。主壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程220.0 m，河床趾板高程105.0 m，最大壩高115 m，壩頂軸線長882.2 m，壩頂寬度9 m，上游壩坡坡比1∶1.4，下游壩坡綜合坡比1∶1.5。大壩堆石體分區及典型橫剖面圖見圖1。

圖1 柬埔寨達岱水電站主壩典型橫剖面圖(單位：m)Fig.1 Typical profile of the main dam of the Stung Tatay hydropower station in Cambodia

主壩壩體堆石料填筑方量713 萬m3，料源為Ⅱ#低位石料場(位于主壩右岸引水明渠出口)開采料及溢洪道、引水明渠開挖料(與Ⅱ#低位石料場地層巖性相同)。料場地層巖性為侏羅系中統沉積巖，主要為長石石英砂巖、泥質粉砂巖及泥巖，為軟硬巖水平薄互層結構。根據試驗資料，長石石英砂巖飽和單軸抗壓強度平均值為93.6 MPa，泥質粉砂巖為21.48 MPa(見表1)，經開挖混合后，形成軟硬巖混合石料。

表1 巖石物理力學試驗成果統計表Tab.1 Results of physical and mechanical tests of rock materials

2010年12月主壩開始壩體填筑，2011年6月填筑至高程170 m度汛，2012年5月填筑至高程200 m度汛，同年9月填筑至高程216 m，填筑基本完成。壩體堆石料填筑技術要求見表2。經施工期質量檢測，大壩填筑材料合格，填筑過程符合設計及規范要求、各種現場試驗檢測合格，施工過程中未發生質量事故。水庫于2013年11月下閘蓄水，2014年8月機組并網發電。自投產至今，達岱水電站已經歷了五個汛期的檢驗，面板堆石壩運行狀態穩定、正常。

表2 壩體堆石料填筑技術要求Tab.2 Technical requirements for rockfill materials

2 變形監測資料分析

2.1 壩體變形監測布置

主壩變形監測設0+294.0 m，0+454.0 m和0+614.0 m 三個典型監測斷面。其中堆石體內部變形監測包括沉降變形和水平位移，主要監測儀器有水管式沉降儀、電磁式沉降儀、引張線式水平位移計。由于儀器變形、水管堵塞等原因，目前堆石體內部沉降變形監測儀器均已失效。表面變形監測主要包括水平位移、垂直位移(沉降)，在壩頂(高程220.0 m)、高程190.0、160.0、130.0 m 馬道布置水平位移和垂直位移測點，分別采用視準線法、精密水準法進行觀測。由于壩后視準線測點破壞嚴重，不具備監測條件，目前只對壩頂水平位移和垂直位移(沉降)進行定期觀測。

2.2 內部沉降變形監測成果分析

選取河床部位0+454.0斷面進行分析，該斷面高程192、162、132 m水管式沉降儀起測時間分別為2012年7月15日，2012年4月25日，2011年12月23日。截至2015年8月19日，各測點的沉降分布見圖2。由圖2可知，壩體內部沉降增量隨高程增加逐漸增大，實測沉降最大值為0.936 m，占最大壩高的0.83%；同一高程各斷面測點沉降在壩軸線處最大，向上、下游方向均逐漸減小，沿壩軸線呈對稱分布，實測沉降分布基本符合壩體變形規律。

圖2 河床壩段0+454.0斷面測點沉降分布Fig.2 Distribution of measured sedimentation at the 0+454.0 section

水管式沉降儀在下游觀測房測點起測后才有監測數據，電磁式沉降儀在填筑后即開始起測，起測時間較早，但2012年12月后電磁式沉降儀已基本失效。根據監測成果，電磁式沉降儀實測沉降最大值發生在0+615.0斷面、高程192 m(約2/3壩高)壩軸線處的ES7-6測點，最大沉降達1 257 mm。主壩河床0+454.0斷面、高程192 m處兩類沉降儀的測點沉降時程曲線對比見圖3。從累積沉降變形來看，兩類監測儀器在相同位置的實測沉降規律相似，由于電磁式沉降儀較早，因此實測沉降值更大；但從增量沉降變形來看，相同時段內水管式沉降儀的實測數據反而較大。從偏安全角度考慮，本文選取水管式沉降儀實測結果進行有限元反演分析。因儀器起測前存在一定漏測值，進行反演分析時應適當加以修正。

圖3 河床壩段0+454.0斷面測點沉降過程線Fig.3 Evolution of measured sedimentation at the 0+454.0 section against time

2.3 表面變形監測成果分析

2015年8月開始對壩頂表面位移進行監測，監測成果見圖4，其中圖4(a)為上下游方向的水平位移，圖4(b)為壩軸線方向的水平位移，圖4(c)為豎向沉降。由圖4可見，壩頂河床斷面變形大于兩岸，符合一般規律。截至2017年7月22日，向下游最大變形為82.13 mm，沿壩軸線變形基本對稱，向左岸的最大變形為24.5 mm，向右岸的最大變形為13.6 mm，壩頂最大沉降171.57 mm。壩頂沉降隨時間不斷增大，但增大速度逐漸放緩，有趨于收斂的趨勢。

圖4 壩頂表面變形監測成果Fig.4 Monitored deformation results at dam crest

隨著運行時間增長，大壩堆石體在自重、水壓循環等各種外荷載作用下發生顆粒重組導致堆石孔隙率變化，從而引起大壩整體變形，但隨著水壓循環荷載的作用，這種顆粒重組逐漸穩定，大壩變形也將趨于收斂和穩定。

3 反演分析

3.1 三維有限元計算分析

主壩壩體變形監測設施已大部分失效，造成監測數據一定程度缺失。為及時準確掌握大壩的變形性態，采用三維有限元計算方法對壩體變形進行反演分析及預測。根據壩址區地質條件和壩體分區特點，建立了壩體三維有限元模型，如圖5所示。其中，Z軸為壩軸線方向，以左岸為Z軸起點，水平方向自上游到下游為X軸，鉛直方向為Y軸。該模型材料分區包括堆石體，混凝土面板、趾板和擠壓邊墻，接觸面及接縫。

圖5 主壩有限元模型示意圖Fig.5 Finite element model of the main dam

面板壩整體結構變形性態預測的合理性和可靠性取決于堆石體本構模型的選取。堆石體變形不僅隨荷載的大小而變化，還與加荷的應力路徑相關，應力應變關系呈現明顯的非線性特性[7]。堆石體本構模型采用鄧肯E-B模型，以切線彈性模量Et和切線體積模量Bt為基本參數，其表達式為[8]：

(1)

(2)

其中：

(3)

卸載時采用回彈模量Eur，其表達式為：

(4)

式中：Pa為單位大氣壓力；Rf為破壞比；c、φ為抗剪強度指標；K、n分別為楊氏模量系數及其隨圍壓而增長的冪次；Kb、m分別為體積變形模量系數及其隨圍壓而增長的冪次；Kur、nur分別為回彈模量系數及其隨圍壓而增長的冪次。

堆石壩采用分層碾壓技術填筑而成，無論是在填筑施工期還是在水庫蓄水期，堆石壩的流變過程都伴隨著應力狀態的變化[9]。考慮壩體堆石料的流變特性，采用滯后變形模型進行大壩的流變計算分析。滯后變形的概念最早由Bjerrum[10]提出，假定材料的黏性只與彈性相聯系，任何一個彈塑性模型加上蠕變項，即得到相應的滯后變形模型。

增量流變模型中，切線流變體積模量Kt和剪切模量Gt分別為[8]：

(5)

(6)

式中：Rsf為破壞比；kv、nv、ks、ns為模型參數，可由室內流變試驗結果確定。

3.2 參數反演

主壩應力變形采用非線性有限元方法計算，根據大壩實際施工分級填筑特點，采用逐級加載方式，模擬壩體填筑及水庫蓄水過程。通過選取相對停工的時段，采用免疫遺傳算法作為優選模型參數的方法，反演堆石料的流變模型參數；通過選取加載增量時段，反演堆石料鄧肯E-B模型參數；通過流變模型參數和鄧肯E-B模型參數的交叉反演，直到對應測點沉降計算值與實測值的誤差達到允許范圍內，確定最終反演參數。參數反演具體方法如下：

(1)確定計算時段，取2012年7月15日到2012年9月24日時段(大壩從205 m填筑至216 m)為加載增量時段；取2012年9月25日到2012年11月17日時段(大壩已填筑到壩頂、未澆注面板，該時段無外荷載產生)為停工流變時段。

(2)參考本工程設計階段的室內三軸試驗資料，擬定堆石料鄧肯E-B模型參數初始值；根據鄧肯E-B模型參數初始值和加載增量時段的實測沉降增量(包括瞬時變形和流變變形)，反演確定流變模型參數初始值。

(3)進行參數敏感性分析，根據計算參數及結果的變異性，選取敏感性較強的測點作為反演分析擬合對象。經分析，確定壩軸線處沿高程分布的水管式沉降儀測點(0+454.00斷面高程132 m處TC5-4，高程162 m處TC4-3，以及高程192 m處TC3-2)為主要擬合對象。

(4)進行反演分析，取停工流變時段的實測沉降增量，反演堆石料的流變模型參數；取取加載增量時段的實測沉降增量，反演堆石料鄧肯E-B模型參數。根據反演分析測點變形的計算值與實測值，計算目標函數，判斷反演分析的精度，直到滿足條件，停止反演。

參數反演分析結果見表3和表4。

3.3 反演計算成果分析

根據反演參數，考慮流變效應進行大壩三維有限元計算，得到反演測點沉降變形增量計算值和實測值的對比見圖6。

由圖6可知，堆石體瞬時變形增量和流變增量的計算值和監測值趨勢一致，且與反演測點的變形擬合較好，說明反演參數是可靠的。因水管式沉降儀起測時間較晚、大壩相對停工時段也較短，反演計算的時間跨度共4個月。從計算結果來看，大壩三維有限元反演分析成果基本合理。

表3 堆石料鄧肯E-B模型計算參數反演值Tab.3 Inversion parameters of Duncan E-B model for rockfill materials

表4 堆石料增量流變模型計算參數反演值Tab.4 Inversion parameters of incremental rheological model for rockfill materials

圖6 河床斷面壩軸線測點位移計算結果Fig.6 Calculated displacement at measuring points on dam axis

利用該模型預測2011年11月-2017年7月大壩的變形性狀。圖7所示為河床壩段0+454.0斷面高程192.0 m壩軸線處測點沉降變形過程線計算值和水管式沉降儀測點TC3-2實測值的對比。其中，考慮安裝時間滯后引起的漏測，對水管式沉降儀實測值加以修正，將起測時間節點(2012年7月15日)的計算值作為補償量，疊加到實測值中。可以看到修正后的實測值與計算值較為接近，變化規律一致，各測點變形較初次蓄水后有所增加，并逐步趨于穩定，符合大壩運行3年狀態下的變形發展規律，表明反演參數可以較好地反映大壩變形規律。

圖7 河床斷面壩軸線測點沉降過程線Fig.7 Evolution of calculated sedimentation at the 0+454.0 section against time

圖8所示為2015年8月-2017年7月時段內壩頂表面位移累計實測值與計算值的對比。從圖8中可以發現，反演計算壩頂三向變形規律與監測成果規律一致，二者吻合較好，進一步驗證了反演參數計算大壩運行期變形的可靠性。

圖8 壩頂表面變形計算成果Fig.8 Calculated deformation results at dam crest

根據反演計算參數預測運行期大壩應力及變形性態，結果表明，大壩滿蓄運行3年后，最大沉降增加到153.0 cm，流變效應使得壩體體積微縮，向上游方向的變形減小到20.2 cm，向下游變形增加到74.4 cm。預測得到主壩的變形特性與國內若干座軟巖筑面板壩對比見表5。達岱水電站主壩沉降率超過壩高的1%，沉降變形尚處在百米級面板壩沉降正常范圍以內，水平位移符合一般面板壩的變形規律。

表5 國內若干座軟巖筑面板壩變形特性對比Tab.5 Comparison of deformation characteristics of several CFRDs in China

4 結 語

壩體變形是影響軟巖筑面板堆石壩安全的主要因素。本文以達岱水電站115 m級高混凝土面板堆石壩為例，分析了壩體變形監測成果，大壩實測位移分布基本符合面板壩變形規律，且蓄水三年后，大壩變形趨于收斂和穩定；采用三維有限元仿真進行了反演反饋分析，通過反演參數計算得到的大壩變形及流變與實測結果基本吻合，有效預測了運行期大壩長期變形；與同類工程相比，達岱水電站主壩沉降率超過壩高的1%，沉降變形尚處在百米級面板壩沉降正常范圍以內。達岱水電站主壩采用軟硬料填筑，發揮了堆石壩就地取材的優勢，大壩變形性態基本穩定，運行狀況良好，表明該電站利用軟巖料筑壩是成功的。