丹江口大壩加高后工作性態分析

鄭光俊 顏天佑 田振宇 雒翔宇

摘要：丹江口大壩加高工程包括混凝土壩和左右岸土石壩。將工程完工蓄水后的運行監測資料和有限元仿真計算成果進行了對比，分析了混凝土壩的壩體穩定、應力、變形、新老混凝土結合狀態及初期工程缺陷處理效果，以及土石壩的壩體變形、滲流場和滲漏等，綜合評價了壩體的工作性態。結果表明：丹江口大壩加高后工作性態總體正常，滿足正常蓄水要求。

關鍵詞：丹江口大壩;? 大壩加高; 工作性態; 混凝土壩; 土石壩

中圖法分類號：TV64 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.014

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0073 - 07

0 引 言

丹江口水利樞紐位于湖北省丹江口市漢江干流與支流丹江的匯合口下游約800 m處，是開發、治理、保護漢江的關鍵性控制工程，大壩加高后其工程任務為防洪、供水、發電、航運等綜合利用[1]，是南水北調中線一期工程的水源地。大壩加高工程是在初期工程的基礎上改建、擴建而成，具體包括混凝土壩及左右岸土石壩（圖1），總長3 442 m。大壩加高后，壩頂高程由初期的162.0 m加高14.6 m至176.6 m，水庫正常蓄水位由157.00 m提高至170.00 m，設計洪水位172.20 m，校核洪水位174.35 m，水庫總庫容增加到339.1億m3。初期工程于2005年9月開工，2013年8月通過蓄水驗收。

丹江口大壩加高無規程規范可依，國內很少有工程實例可供借鑒。該工程的主要特點為在運行情況下進行的加高，新老壩體結合狀態復雜，加之初期大壩缺陷種類多，檢查及處理難度大[2]。鑒于丹江口大壩加高規模大、技術難度高，“十一五”國家科技支撐計劃將“丹江口大壩加高工程關鍵技術研究”列為重大項目課題進行了研究。大壩加高后的工作性態備受關注。已有研究結果表明：大壩穩定、應力、變形及新老壩體結合狀態等均滿足設計要求，初期大壩裂縫經處理后處于穩定非擴展狀態，大壩工作性態總體正常[3-4]。

2021年10月10日，丹江口水庫首次蓄水至正常蓄水位170.0 m，大壩的工作性態再次成為社會各界關注的焦點。本文以截至2021年10月17日的丹江口大壩監測數據為基礎，結合仿真計算結果，分析評價了大壩加高后的工作性態。

1 技術路線及分析方法

選取丹江口大壩典型壩段進行大壩運行狀態分析和評價。首先，根據大壩運行監測成果率定獲得的大壩三維有限元結構設計計算模型及參數[5-6]，按照運行過程中實測的水溫、氣溫等邊界條件，開展大壩工作狀態的仿真計算，獲得相關壩段關鍵部位的應力、變形、滲流成果和可能的變化區間;其次，將仿真分析計算結果與運行監測成果進行比較分析，驗證設計計算模型及參數，開展大壩設計條件及工況下的應力與變形分析，對大壩工作狀態進行總體評價。

1.1 混凝土壩模型及參數

根據壩段的結構特點、位置及功能等不同，在混凝土壩工作性態研究中分別選取右聯轉彎1壩段、右聯7壩段、深孔10壩段、18壩段等作為研究對象，以三維有限元法為主進行研究。

先建立有限元仿真分析模型，并以7壩段和18壩段為代表（圖2），根據實際施工資料，考慮水位變化和年氣溫變化，結合監測資料的實測溫度值和變形量，分析研究導溫系數、新老混凝土壩的彈性模量、新老混凝土結合面結合度等參數的取值，并對溫度邊界條件進行率定;再利用確定的參數和邊界條件，進行大壩工作性態研究。

1.2 土石壩模型及參數

選擇最不利斷面作為丹江口土石壩的工作性態分析與評價的典型斷面。選擇樁號1+140斷面（圖3）進行左岸土石壩滲流計算;該斷面在初期工程運行階段進行了加固，并且出現過測壓管測值異常[7]。選擇土石壩與混凝土結合部位樁號0+000斷面（圖4）進行右岸土石壩分析評價;該斷面較其他斷面沉降量大，且尚未收斂。

先以二維分析方法建立有限元模型，考慮水位變化，根據滲壓監測資料，分析研究各滲透分區參數的取值;然后，據此開展土石壩二維及三維數值模擬分析，評價土石壩工作狀態。

2 混凝土壩工作性態

2.1 混凝土壩穩定

在丹江口混凝土壩段結構設計穩定分析中，壩基揚壓力是一項主要荷載，也是大壩監測的重要內容之一。工程蓄水后的監測結果表明：混凝土壩的壩基防滲帷幕、排水孔等綜合措施對降低壩基揚壓力效果明顯，壩基揚壓力折減系數遠小于設計取值;2021年水位抬升到正常蓄水位的過程中，典型壩段壩基滲透壓力折減系數與上年度相比基本無變化。

典型壩段壩基滲壓力折減系數設計值、監測值及抗滑穩定安全系數如表1所示，壩基抗滑穩定計算中，建基面力學參數同初期工程大壩設計取值。由表1數據可知，滲壓力折減系數實測值（最大值）小于設計采用值，因此穩定復核成果表明混凝土壩段的抗滑穩定是安全的。

2.2 混凝土壩變形

選擇右聯轉彎壩段1壩段、右聯7壩段、深孔10壩段和18壩段等作為典型壩段進行了研究。仿真計算結果表明：各壩段在運行過程中的位移變化規律與監測數據相同，計算值略大于監測值。7壩段2020～2021年典型時刻壩頂順流向位移仿真計算值與監測值對比統計如表2所示。

仿真計算成果表明：2020年12月至2021年8月上旬，水位從164.0 m降低至161.0 m，仿真計算得到的壩體順流向位移增量（包含溫度場的影響）如圖5（a）所示：壩頂向上游位移值為5.1 mm，而監測值為4.5 mm;2021年8月上旬至10月上旬，水位從161.0 m抬升至170.0 m，仿真計算得到的壩體順流向位移增量（包含溫度場的影響）如圖5（b）所示：壩頂向下游位移值為3.6 mm，而監測值為3.1 mm。

從以上數據可以看出，在各期變化中，仿真計算的位移變化規律與監測數據相同，位移計算值略大于監測值。

2.3 混凝土壩應力

大壩加高工程完工及蓄水后，壩踵及新老壩趾處的豎向應力變化是評價壩體安全性的重要指標。以右聯轉彎1壩段、右聯7壩段、深孔10壩段和18壩段等為典型壩段進行了研究，結果表明：與大壩加高前相比，在大壩加高后和水庫水位抬升過程中，壩踵附近的壩體應力呈受壓趨勢，應力狀況沒有惡化;老壩趾和新壩趾處豎向應力均有所增大，呈受壓趨勢。

右聯7壩段從大壩加高當年（2006年）至2020年10月底，高程104 m（壩踵以上5 m）上游面、距表面0.5 m和2.0 m處的豎向應力變化過程如圖6所示。由圖可知，大壩加高完建后，104 m高程上游面最大豎向應力從約-0.5 MPa增加至約-3.0 MPa，壓應力增幅為2.5 MPa左右。大壩加高后的運行期壩體壓應力基本呈周期性變化，隨著水位抬升，壓應力略有減少，最大為3.1 MPa、最小為1.4 MPa。

新、老壩趾處的豎向應力變化曲線如圖7所示。由圖可見，從大壩加高工程完建后，老壩趾的豎向應力從-0.2 MPa增加至-2.5 MPa。大壩加高完成、庫水位抬升之后，豎向應力年變化在-1.5～-2.5 MPa之間，老壩趾壓應力約增加0.2 MPa。大壩加高工程完成至水庫水位上升之前，新壩趾的豎向應力年變化在0～-0.6 MPa之間;水庫水位抬升期間，由于庫水壓力使新壩趾有受壓的趨勢，而溫度荷載變化不大，所以新壩趾處的最大豎向壓應力有所增大，增幅最大為0.4 MPa。因此，大壩蓄水期間，新壩趾呈受壓趨勢。

在貼坡新澆混凝土內的106 m高程（近壩趾）處埋設1支應力計，距下游面約5 m。該處豎向應力實測值結果表明：2021年8～10月水位由161.0 m抬升至170.0 m期間，壩趾應力為壓應力，變幅約為0.1 MPa。通過仿真計算，得到如圖8所示對應測點位置的應力計算值變化曲線。圖8表明：壩趾應力為壓應力，水位抬升后，壓應力略有增加，從8月上旬的約-0.60 MPa增加至10月的-0.85 MPa，增幅約為0.25 MPa。可見，壩趾處應力的監測值和計算值均為壓應力，應力變化幅值接近。

2.4 新老混凝土結合狀態

丹江口大壩加高工程中，新老混凝土結合面的結合比例設計控制指標為不小于20%。為監控新老混凝土結合狀態，分別在右1，7，10，17，21，31和34壩段布置了測縫計（測值誤差范圍±0.2 mm），共計60支。根據 2020年8月27日（夏季）測值，在60支測縫計中有26支測縫計開合度小于0 mm，縫面閉合比例為43. 3%。監測結果表明新老混凝土結合比例大于40%，滿足設計要求。

采用仿真計算方式得到的7壩段水位抬升前后新老混凝土結合面接觸狀態示意如圖9所示，圖中白色表示接觸，紅色表示脫開;新老混凝土結合面開合情況統計如表3所示。

由圖10及表3可知，2021年8月上旬至10月上旬水位抬升期間，結合面接觸面積略有增大，結合面平均開度、最大開度略有減小，結合面有壓緊的趨勢。其中，相對于161.0 m水位，170.0 m水位的結合面斜坡、直立段接觸面積比例分別增加1.5%， 1.4%，結合面平均張開度總體減小0.02 mm。

圖10為7壩段壩坡不同高程監測點的新老混凝土結合面開度歷程曲線。由圖可知：蓄水期間，大部分區域開度減小，僅在斜坡段表現為兩側局部略有增大，但開度變化不大，主要是由蓄水過程中的外界溫度下降引起;結合面開度變幅在0.1 mm以內。與監測值對比，開度計算值變化規律與監測值相同;水位抬升后，新老混凝土結合面有壓緊趨勢，開度變化均小于0.1 mm。

2.5 缺陷處理效果

丹江口大壩加高施工期間，檢查發現初期大壩表面裂縫較多，其數量較運行期歷次檢查中的數量有所增加，大壩表面Ⅱ類及以上裂縫統計條數為3 242條，總長度為34 536.25 m（包括廊道裂縫）[8]，部分裂縫規模有所發展。在大壩加高期間，對初期大壩存在的裂縫開展了成因和危害性分析，并進行了全面的檢查和處理。經處理的裂縫大體可分為兩類：① 加高后裂縫位于加高工程內部;② 加高后裂縫部分區域仍暴露在大氣或庫水位中。根據監測資料分析：① 類的溫度環境相對穩定，裂縫開度基本穩定;② 類裂縫局部處于活動狀態，與氣溫變化有一定關系，但與庫水位相關性不明顯。總體而言，老壩存在的裂縫及水平弱面等缺陷均處于閉合狀態或穩定的非擴展狀態。

表4所示為初期大壩中規模相對較大的典型缺陷（右聯轉彎壩段143.0 m高程水平縫、右聯7壩段縱向縫和18壩段豎向裂縫）基本情況及處理后的效果。結果表明，對初期大壩混凝土缺陷的處理效果達到了設計要求。

7壩段在門庫左右側豎直裂縫處各埋設一支裂縫計，編號分別為J07YL7， J08YL7。兩支儀器測值過程線見圖11和圖12。測值表明：縫面未呈現張大趨勢，受氣溫影響不明顯。2021年8～10月蓄水期間，兩支裂縫計開度增量不超過0.1 mm。

采用仿真計算得到7壩段在水位161.0～170.0 m縱向裂縫縫面狀態如圖13所示，圖中白色表示接觸，紅色表示脫開。由圖可知：縫面大多接觸良好，水位抬升后，接觸面略有增大，開度變化值在0.05 mm以內。經對比分析可知，計算結果和監測結果規律一致。裂縫經過處理之后，其在蓄水期間，縫面開度趨于穩定狀態，裂縫有壓緊趨勢。

3 土石壩工作性態

3.1 左岸土石壩

根據監測結果，左岸土石壩左右岸方向累計位移量在-18.13～8.40 mm之間，最大累計位移量測點為TP18ZT01（壩頂0+026斷面）;上、下游（Y）方向累計位移量在-23.38～19.61 mm之間，最大累計位移量測點也在TP18ZT01。左岸土石壩水平向變形基本正常，各測點變化趨勢未現異常，且測點變形均較小。

左岸土石壩垂直位移監測點累計位移量在-6.44～95.39 mm之間，與混凝土壩接縫部位距離越近，沉降量越大，且向左岸逐漸減小。位于混凝土壩與土石壩結合處的LD02ZT01實測最大值為95.39 mm且此時仍呈增大趨勢，但速率明顯變緩，符合一般土石壩的變形規律。

采用左岸土石壩1+140斷面進行滲流計算，對正常蓄水位、設計水位及校核水位工況下土石壩的滲流安全狀況進行預測分析，計算結果見表5。根據所選斷面分析：黏土心墻承受的最大比降、反濾料承受的最大比降均未超過各滲透分區的允許比降[9]，表明各滲透分區的滲流狀況是安全的。

2021年10月10日，先鋒溝實測滲漏量0.69 L/s，左岸土石壩與混凝土壩結合部實測滲漏量僅為0.37 L/s，左下擋墻量水堰全年處于無水狀態。左岸土石壩滲漏總體正常，滲漏監測值主要受庫水位與降雨影響。

綜上所述，根據監測數據及仿真計算分析：左岸土石壩壩體變形正常，各滲透分區承擔的最大比降小于其允許比降，滲流狀況穩定，滲漏量小，工作性態正常。

3.2 右岸土石壩

右岸土石壩實測壩頂水平位移監測點左右岸方向累計位移量在-88.58～22.14 mm之間;實測上下游方向累計位移量在-119.46～21.99 mm之間，最大累計位移測點均為AL02YT01（結合部0+032斷面），變形尚未收斂。其它各測點測值均較小。

壩頂垂直位移監測點累計位移量在-2.27～439.60 mm（截至2021年10月17日），最大累計位移量測點為右岸土石壩與混凝土壩結合部的測點LD02YT01。由圖14的右岸土石壩壩頂在不同樁號點對應的沉降分布可知：右岸土石壩沉降表現為距結合部越近，沉降量越大，與左岸土石壩表現一致。沉降變形主要集中在0+000～0+122斷面區間，其他斷面沉降較小。結合部沉降變形尚未收斂。2017年9月28日至11月2日，丹江口水庫首次蓄水至167.0 m，歷時35 d，AL02YT01測點沉降量22.59 mm，沉降速率為0.65 mm/d;2021年9月13日至10月17日，丹江口水庫首次蓄水至170.0 m，歷時34 d，AL02YT01測點沉降量6.45 mm，沉降速率為0.19 mm/d。庫水位兩次創新高過程的時間周期相近，最大位移測點測值同比減少約71%，由此可見結合部沉降變形收斂趨勢明顯。

監測資料表明：右岸土石壩除右壩頭與混凝土結合部沉降未收斂外，其他壩段壩體的變形、滲壓及滲流均處于穩定狀態，工作性態總體正常。2018年以來，現場不僅加強了右壩頭與混凝土壩結合部的觀測，還針對結合部開展了結合面示蹤連通試驗[10]、筑壩材料特性試驗、較大沉降成因分析和工作性態研究。主要研究結論為：① 心墻與混凝土壩的接觸是密實的，沒有大面積脫開或明顯的滲透通道;② 壩頂較大沉降與該部位土壩建基面深、心墻實際深度及斷面大、施工填筑快而沉降未穩定、心墻部位沉降達到穩定過程長及壩體填料受蓄水和外源來水綜合影響等有關，是各方面不利因素集中在局部范圍內的綜合作用結果。

采用仿真計算預測了右岸土石壩與混凝土壩結合部正常蓄水位170.00 m及以上各特征水位大壩滲流安全狀況，計算結果見表6。數據表明：結合部各滲透分區比降及單寬流量隨水位的上升小幅增大，最大比降小于允許比降值。

2021年10月17日，右岸土石壩結合部下游擋墻內量水堰實測滲漏量為1.12 L/s，樁號0+643處量水堰滲漏量測值為1.06 L /s，壩體實測滲漏量較小，測值與上游水位及降雨有關。

根據以上分析，盡管結合部變形尚未收斂，但右岸土石壩變形仍符合土石壩的一般規律，整體變形可控，處于滲流穩定狀態，工作性態正常。

4 結 論

（1） 丹江口大壩加高工程完建蓄水迄今， 混凝土大壩壩體位移量正常，壩體壩基滲流量和揚壓力監測值均小于設計值，壩體穩定安全;蓄水過程中監測數據變化與溫度變化相關性好，對水位變化不敏感、穩定性好，大壩應力、變形發展規律正常;新老混凝土結合狀態良好，左、右岸土石壩變形、滲壓和滲流監測值均在設計允許范圍內。丹江口大壩工作性態總體正常，滿足正常蓄水要求。

（2） 初期混凝土壩缺陷處理后的監測成果表明：在蓄水過程中，老壩裂縫和水平弱面等缺陷均處于閉合狀態或穩定的非擴展狀態，即初期工程采取的處理措施有效可靠，大壩整體安全。大壩加高工程擋水期間，大壩安全監測成果未出現異常情況，大壩運行正常。

（3） 右岸土石壩沉降量相對較大的壩段范圍主要在距結合部樁號0+000～0+122的局部區域內。結合現有資料和研究成果分析得出：結合部土壩變形仍符合土石壩的一般規律，整體變形可控，處于滲流穩定狀態，大壩的滲透穩定滿足安全要求。

（4） 盡管大壩加高期間對初期大壩混凝土缺陷進行了盡可能全面的檢查，但鑒于丹江口大壩是在老壩基礎上加固加高，由于條件限制以及問題復雜性，尚不能徹底排除在進一步蓄水期間暴露尚未查明的混凝土缺陷的可能性;為確保大壩蓄水安全，在大壩后續蓄水運行過程中，尤其當庫水位達到新的蓄水高度時，仍應加強監測和巡查，如發現問題則及時分析、及時應對。

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Analysis on working behavior of heightened Danjiangkou Dam

ZHENG Guangjun1， YAN Tianyou1， TIAN Zhenyu1， LUO Xiangyu2

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Science China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China）

Abstract： Danjiangkou Dam heightening project includes concrete dam and earth-rock dam on the left and right banks. After the completion and impoundment of the project， the operation monitoring data and the finite element simulation calculation results were compared to evaluate the working behavior of the concrete dam according to the stability， stress， deformation， bonding state of new and old concrete， the treatment effect of initial project defects， and evaluate the earth-rock dam according to its deformation， seepage field and leakage. The results showed that： the working behavior of heightened Danjiangkou Dam was generally normal and could meet the requirements of normal water storage.

Key words： Danjiangkou Dam; dam heightening; working behavior; concrete dam; earth-rock dam