錦屏一級水電站邊坡變形對拱壩影響分析

邱茂星，位 偉

（武漢大學土木建筑工程學院，武漢430072）

0 引 言

錦屏一級水電站地處四川省境內的雅礱江干流，擁有世界最高雙曲拱壩，壩高305 m，壩頂高程1 885 m，壩頂長度589.3 m。庫區枯期蓄水位1 635.7 m，死水位1 800 m，正常蓄水位1 880 m，自2012年蓄水以來，庫區共經歷了6 次完整的庫水漲落循環。水電站在修建及蓄水過程中會破壞庫岸邊坡原有的水巖平衡狀態，在長期庫水漲落引起的浸泡-風干循環作用下，邊坡巖體力學性質會逐漸劣化，造成宏觀上邊坡穩定性降低［1-3］。巖石在長期荷載作用下也會發生流變現象，進而引起邊坡變形［4］。兩岸邊坡發生變形，擠壓大壩，可能引起壩身局部開裂，形成滲漏通道，影響拱壩的正常運行［5］。

錦屏一級水電站已監測到明顯的谷幅收縮變形。國內已有學者對錦屏一級水電站谷幅收縮規律及庫水漲落循環對邊坡變形的影響機制進行了探討［6，7］，楊強［8］、程立［9］等對錦屏一級水電站邊坡變形對拱壩的影響進行的研究。但目前對錦屏一級水電站不同水位條件下，邊坡當前變形及長期變形對拱壩安全影響的研究較少。本文針對錦屏一級水電站，利用數值模擬的方法，綜合考慮邊坡巖體劣化效應和流變效應，對蓄水以來，錦屏一級水電站不同水位條件下邊坡變形對拱壩的影響進行探討，計算邊坡長期蠕變作用下壩體內部的應力變形分布，闡明邊坡長期變形對大壩安全的影響，為邊坡-大壩系統的長期安全評價提供依據。

1 計算模型、參數與計算工況

1.1 計算模型與參數

錦屏一級水電站模型如圖1 所示。模型的范圍：順河向2 100 m，橫河向2 400 m。以壩底建基面中心為基準，延順河向向上游取1 000 m，向下游取1 100 m；以拱冠梁為基準，向左、右岸各取1 200 m；延壩底建基面向下取480 m（向下游和左岸為X、Y軸正方向）。模型包含331 753個單元，121 408個節點。主要考慮的斷層有F5、F8、F42-9、SL42-1、煌斑巖脈X 等，斷層結構如圖2所示。

圖1 三維數值計算模型（單位：m）Fig.1 3D numerical calculation model

模型在底面采取x，y，z三個方向全部固定約束，在四周邊界面采取法向位移固定約束。壩體混凝土及各類巖體參數如表1所示。

表1 巖體力學參數Tab.1 Mechanical parameters of rock mass

1.2 計算工況

本次計算采用有限元數值模擬方法。計算巖體初始地應力場僅考慮自重作用。水電站在蓄水后長期運行的過程中，計算拱壩變形要考慮的荷載包括：壩體自重、拱壩上下游水位壓力、上游泥沙壓力（1 644.4 m，浮容重5 kN/m3）［9］、兩岸邊坡變形等。本次研究在上游正常蓄水位1 880 m 和死水位1 800 m 兩種不同水位條件下，對不同邊坡變形情況下的拱壩變形和應力分布進行了計算和分析，具體工況及荷載組合如表2所示。

表2 荷載組合工況Tab.2 Load combination conditions

2 邊坡流變反演分析

2.1 邊坡流變參數反演計算

研究參考錦屏一級水電站安全評價報告［10］，考慮了巖體參數的劣化效應［11］，對邊坡變形展開流變參數反演計算。流變采用三參數流變模型，選取有完整監測數據的外觀測點，對蓄水后2013年6月15日至2020年7月28日期間監測數據展開反演，外觀測點水平位移矢量監測值及參與反演的外觀測點如圖3所示（圖中圈出的為參與反演的外觀測點）。以各測點位移計算值和實測值差值的平方和為目標函數，通過試算、迭代和修正，最終得到巖體流變參數反演結果如表3所示。

表3 流變參數反演結果Tab.3 Rheological parameter inversion results

圖3 2013年6月-2020年7月邊坡外觀測點水平位移矢量監測值及參與反演的外觀測點Fig.3 The monitored values of horizontal displacement vectors of the outer observation points of the slope from June 2013 to July 2020 and the outer observation points participating in the inversion

圖4 為外觀監測值與計算結果的對比，各外觀測點橫河向位移實測值與反演參數計算值變化趨勢一致、變形量值接近，表明反演參數和邊坡流變模型是合理可靠的。

圖4 蓄水期監測值與反演計算值Fig.4 Monitoring value and inverse calculation value during impoundment period

2.2 邊坡變形分析

利用反演參數進行正向計算，預測邊坡長期變形趨勢和變形收斂時間。設定變形速率小于0.03 mm/月時為完全收斂和變形穩定時間。根據圖5外觀測點正向計算橫河向位移隨時間變化曲線分析，確定2034年7月為最終流變穩定時間。圖6 為2009年8月邊坡開挖至2020年7月左岸邊坡拱肩槽橫河向位移分布。圖7為2009年8月至長期變形穩定時左岸邊坡拱肩槽橫河向位移分布。

圖5 外觀測點正向計算橫河向位移隨時間變化曲線Fig.5 Forward calculation of transverse displacement curve with time at outer observation points

圖6 2020年7月左岸邊坡拱肩槽橫河向位移云圖Fig.6 Transverse river displacement of arched shoulder groove of the left bank slope as of July 2020

圖7 長期變形穩定時左岸邊坡拱肩槽橫河向位移Fig.7 Transverse river displacement of arched shoulder groove of the left bank slope under long-term deformation and stability

3 邊坡變形對拱壩的影響

3.1 拱壩變形分析

對各工況條件下拱壩變形情況進行分析。表4為各工況條件下拱壩下游壩面最大位移及出現位置，分析可知，從不考慮邊坡變形到考慮邊坡長期變形，拱壩整體順河向最大位移略有增加，兩拱端橫河向位移減小，變形方向指向河谷。

表4 圍堰抗滑穩定計算成果表Table 4 Calculation results of anti-sliding stability of cofferdam

表4 拱壩下游壩面最大位移及出現位置 mmTab.4 Maximum displacement and position of downstream dam surface of arch dam

3.1.1 正常蓄水位1 880 m三種工況拱壩變形分析

圖8～圖10分別為工況1～工況3拱壩下游壩面位移圖，分析可知：

圖8 工況1下游壩面位移圖（單位：mm）Fig.8 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 1

圖9 工況2下游壩面位移圖（單位：mm）Fig.9 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 2

圖10 工況3下游壩面位移圖（單位：mm）Fig.10 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 3

左拱端：蓄水后至2020年7月，大壩下游面順河向最大位移增量為3.8 mm，位于1 885 m 高程；橫河向最大位移增量為-3.0 mm，位于1 885 m 高程；大壩1 800 m 高程以下橫河向位移改變量較小，最大位移增量為-0.7 mm，位于1 740 m 高程。2020年7月到邊坡長期變形收斂，下游面順河最大變形增加1 mm，位于1 885 m 高程；橫河向最大位移增量為-1.2 mm，位于1 885 m高程。

拱冠梁：蓄水后至2020年7月，大壩下游面順河向最大位移增量為4.1 mm，位于1 710 m 高程；橫河向最大位移增量為-1.7 mm，位于1 885 m高程。2020年7月到邊坡長期變形收斂，拱冠梁順河向和橫河向位移改變量均很小，不超過0.1 mm。

右拱端：蓄水以來至2020年7月，大壩下游面順河向最大位移增量為1.6 mm，位于1 680 m 高程；橫河向位移改變量較小，不超過0.3 mm。從2020年7月到邊坡長期變形收斂，順河向與橫河向位移改變量均不超過0.1 mm。

3.1.2 死水位1800 m三種工況拱壩變形分析

圖11～圖13 為工況4～工況6 條件下拱壩下游壩面位移云圖，分析可知：

圖11 工況4下游壩面位移云圖（單位：mm）Fig.11 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 4

圖12 工況5下游壩面位移云圖（單位：mm）Fig.12 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 5

圖13 工況6下游壩面位移云圖（單位：mm）Fig.13 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 6

左拱端：蓄水后至2020年7月，大壩下游面順河向最大位移增量為4.2 mm，位于1 885 m 高程；橫河向最大位移增量為-3.2 mm，位于1 885 m 高程；大壩1 800 m 高程以下橫河向最大位移增量為-0.6 mm，位于1 770 m 高程。從2020年7月至邊坡長期變形收斂，下游面順河最大變形將增加1 mm，位于1 885 m高程；橫河向最大位移增量為1.2 mm，位于1 885 m高程。

拱冠梁：蓄水后至2020年7月，大壩下游面順河向最大位移增量為14.7 mm，位于1885 m 高程；橫河向最大位移增量為-0.7 mm。從2020年7月至邊坡長期變形收斂，拱冠梁順河向和橫河向位移改變量均很小，不超過0.1 mm。

右拱端：蓄水后至2020年7月，大壩下游面順河向最大位移增量為1.7 mm，位于1650 m高程；橫河向位移改變量很小，不超過0.4 mm。從2020年7月至邊坡長期變形收斂，順河向和橫河向位移改變量均不超過0.1 mm。

綜上所述，壩體順河向位移具有良好的對稱性，量值在同一高程從拱冠梁至左右拱端逐漸減小。水庫蓄水以來，拱壩受左岸邊坡變形影響而發生變形調整。蓄水作用主要影響大壩上游邊坡變形，壩肩邊坡受蓄水影響小。蓄水后，拱壩各部位順河向均表現出指向大壩下游的位移增量；橫河向變形，大壩左拱端表現出向右岸的變形增量，右拱端表現出向左岸的變形增量，大壩拱冠梁附近位移量改變量較小。1 800 m高程以下邊坡由于巖體條件較好，且初次蓄水后一直處于蓄水位以下，邊坡受蓄水影響較弱，因此1 800 m以下大壩位移增量較小。

3.2 拱壩應力分析

拱壩應力分布情況是衡量拱壩穩定的重要參考依據，尤其是壩面拉應力分布情況，表5 和表6 分別給出了蓄水到1 880 m和1 800 m水位時各三種工況條件下大壩主應力最大值。

3.2.1 正常蓄水位1 800 m三種工況應力對比

圖14 和圖15 給出了工況1 和工況2 條件下拱壩的拉應力云圖，結合表5分析可知：

圖14 工況1拱壩拉應力云圖Fig.14 Tensile force diagram of arch dam under condition 1

圖15 工況2拱壩拉應力云圖Fig.15 Tensile force diagram of arch dam under condition 2

表5 正常蓄水位1 880 m三種工況下大壩主應力最大值Tab.5 Maximum principal stress of dam under three working conditions of normal water level 1 880 m

從拉應力分布范圍看，蓄水以來至2020年7月，大壩上游壩面右拱端拉應力區在高高程分布范圍減小；下游壩面拉應力區在右拱端高高程分布范圍略有減小，左拱端無明顯變化；建基面拉應力區在右拱端高高程分布范圍明顯減小，其他區域變化不明顯。2020年7月至長期變形收斂，大壩拉應力區分布范圍無明顯變化。

從拉應力量值看，工況1 時大壩上游壩面拉應力最大值位于1 742 m 高程右拱端；蓄水后至2020年7月，上游壩面最大拉應力由1 742 m 高程右拱端1.67 MPa 增大為1 592 m 高程右拱端1.82 MPa。下游壩面工況1 時最大拉應力位于1 885 m 高程右拱端，值為0.33 MPa，至工況2 時（2020年7月），最大值減小為0.28 MPa；建基面拉應力最大值和位置與上游壩面相同。2020年7月至長期變形收斂，大壩拉應力最大值出現位置未發生變化，上游壩面拉應力最大值變為1.9 MPa，增大0.08 MPa，下游壩面拉應力最大值變化很小，僅0.01 MPa。

從大壩上游面壓應力量值看，工況1 時大壩上游壩面壓應力最大值位于1 743 m高程拱冠梁，最大值為-6.21 MPa；至工況2 時（2020年7月），壓應力最大值增加0.35 MPa。大壩下游壩面，工況1 時壓應力最大值為-10.56 MPa，位于1 597 m 高程右拱端；蓄水后至工況2 時（2020年7月），壓應力最大值增加0.23 MPa。建基面壓應力最大值和位置與大壩下游面相同。2020年7月至長期變形收斂時，大壩上、下游壩面壓應力最大值位置未發生變化，壓應力最大值變化量僅0.01 MPa。

3.2.2 死水位1 800 m三種工況應力對比

圖16 和圖17 給出了工況4 和工況5 條件下拱壩的拉應力云圖，結合表6分析可知：

圖16 工況4拱壩拉應力云圖Fig.16 Tensile force diagram of arch dam under condition 4

表6 死水位1 800 m三種工況下大壩主應力最大值Tab.6 Maximum principal stress of dam under three working conditions of dead water level 1 800 m

從拉應力分布范圍看，蓄水后至2020年7月，大壩上游壩面與下游壩面拉應力區在1 850 m 高程以上分布范圍均明顯減小。從2020年7月至長期變形收斂時，大壩拉應力區分布范圍無明顯變化。

從拉應力量值看，工況4 時大壩上游壩面拉應力最大值為0.98 MPa，位于1 743 m 高程右拱端；至工況5 時（2020年7月），最大拉應力位置不變，最大值減小為0.89 MPa。下游壩面工況4 時最大拉應力位于1 885 m 高程拱冠梁附近，最大值為0.92 MPa；至工況5 時（2020年7月），最大拉應力仍位于1 885 m 高程右拱端，最大值減小為0.28 MPa；建基面拉應力量值及位置與上游壩面相同。2020年7月至長期變形收斂，大壩拉應力最大值位置未發生變化，上游壩面拉應力最大值變為0.9 MPa，下游壩面拉應力無明顯變化。

從大壩上游面壓應力量值看，工況4 時大壩上游壩面最大壓應力出現在1 580 m高程左拱端，最大值為-13.7 MPa；至工況5 時（2020年7月），壓應力最大值位置不變，最大值變為-13.5 MPa。大壩下游壩面，工況4時，壓應力最大值為-8.2 MPa，位于1 597 m 高程右拱端；至工況5 時（2020年7月），壓應力最大值變為-8.5 MPa。建基面壓應力最大值及位置與大壩上游壩面相同。2020年7月至長期變形收斂時，大壩上、下游壩面壓應力最大值位置未發生變化，量值變化較小，不超過0.1 MPa。

總體而言，水庫蓄水后至邊坡長期變形收斂階段，兩岸1 800～1 880 m 邊坡以指向河谷的位移為主。水位在正常蓄水位1 880 m 時，最大拉應力由1 742 m 高程右拱端1.67 MPa 增大為1 592 m 高程右拱端1.9 MPa；水位在死水位1 800 m 時，最大拉應力位于1 743 m 高程右拱端，由0.98 MPa 減小為0.9 MPa。拱壩1 800 m 以上高程拉應力分布范圍和量值明顯減小，邊坡變形對大壩應力分布起到了改善作用。

4 結 論

基于監測資料反演得到的蓄水后邊坡變形成果，分析了邊坡變形對壩體變形和應力狀態的影響，得到如下結論。

（1）蓄水后至2020年7月，在邊坡變形條件下，拱壩變形整體變化較小，左拱端下游側橫河向變形增量小于3.2 mm。壩體壓應力整體變化不明顯，拉應力在右岸1 800 m 高程以上分布范圍和量值有明顯減小，表明現階段邊坡變形條件下大壩受力狀態有局部改善。

（2）2020年7月至邊坡長期變形收斂階段，由于拱肩槽部位邊坡變形較小，其對拱壩變形影響不明顯，左拱端下游側橫河向變形增量小于1.2 mm。拱壩拉應力量值和分布范圍較2020年7月改變不明顯。

（3）水庫蓄水后至邊坡長期變形收斂階段，大壩應力應變量值處于合理區間，錦屏一級高拱壩應力應變總體處于彈性工作的安全運行狀態。 □