大壩蓄水后近壩山體抬升現象研究

王曉光

(遼寧省盤錦市雙臺子區農業發展服務中心，遼寧 盤錦 124000)

某大壩蓄水后監測資料顯示大壩、壩區山體均發生了豎向抬升。大壩發生抬升現象較為罕見，自發現大壩抬升，便逐漸開展對大壩抬升的研究[1- 2]。相關研究結論主要認為水位上升導致承壓熱含水層水頭升高，不僅會引起上覆隔水層揚壓力增大，更會導致含水層有效應力降低，使得含水層卸荷回彈擴容，成為導致大壩抬升的主要影響機制[3]。

本研究基于上述理論，通過分析大壩位移監測資料[4]，基于回彈擴容機制分析大壩發生位移的原因，同時對大壩的安全性進行預測。

1 工程概況

某大壩地處U形峽谷，峽谷寬70～95m，左右岸頂標高為700～800m，大壩左岸邊坡坡度平均值為43°，右岸邊坡坡度平均值為52°，大壩兩側地形基本一致，呈對稱分布。大壩基巖為二疊紀石灰巖，大壩上游分布有砂巖、粉砂巖等，大壩下游分布有灰巖、頁巖、白云質灰巖等。大壩巖層傾角范圍為35°～45°，未見斷層分布，壩體兩側邊坡可見大面積基巖，邊坡穩定性較好，持力層為二疊紀石灰巖，持力層巖石力學性質較好，強度滿足設計要求[5- 6]。壩址地質條件與水文地質條件特點如下。

(1)大壩所在區域地層含隔水層彼此間隔分布。

(2)由于含隔水層間隔存在，故而各層含水層水力聯系較少，獨立性較好，地下水滲流通道主要為巖層發育的巖溶裂隙。

(3)該蓄水大壩獨有的地質現象有：壩基下部為向下游傾斜、透水性好的D2y石英砂巖層，該層含水層為承壓熱含水層。承壓熱水含水層(D2y)所在地層位于江埡向斜下部，于向斜核部最大埋深1800m。地下承壓熱水水滲徑長度約為20～25km，出露平均高程為127m。

2 位移監測資料

2.1 監測點布設

自大壩發生豎向位移以來，大壩相關位移監測設備逐漸完備。目前關于大壩相關監測系統有：大壩豎向位移監測系統、山體豎向位移監測系統、地下水流場監測系統。分別在壩頂、廊道、大壩兩岸山體設置監測網，監測網在大壩下游設2個工作基點和1個校核基點，監測網定期聯測國家水準點。直至2020年1月，該大壩的廊道、壩頂各自測了56、51次。

2.2 位移監測結果

2.2.1壩體抬升位移

大壩廊道內設7個位移監測點(1～7)。為整體分析大壩20a內抬升情況，以10a為一階段，選取7個監測點位移，大壩廊道位移數據分析結果見表1，如圖1所示。

表1 20a內豎向位移分析結果 單位：cm

圖1 廊道豎向位移典型過程線

根據廊道位移統計結果與豎向位移典型過程線可知，廊道抬升變化特征如下。

(1)廊道豎向位移趨勢表現為連續上升，且上升速度逐漸減少，但未趨于0。

2010—2020年位移變化量是2000—2010年間位移變化量的4%～11%，由此可以得出近10a來，大壩廊道豎向位移量已大幅度減少。

(2)廊道豎向位移與水庫水位呈正相關關系，大壩豎向位移逐漸上升時間段內，廊道豎向抬升與水庫水位線同步變化。水庫水位不變后，其他影響因素對大壩廊道位移變化影響逐漸突出。

(3)大壩廊道中心測點位移較大，兩端測點位移較小，說明廊道中間部位位移變化最為明顯。

大壩抬升現象被發現以來，在壩頂設置位移監測系統，共12個監測點。整理壩頂位移監測數據得到壩頂豎向位移統計結果與過程曲線，見表2，如圖2所示。

由表2和圖2可知，溫度影響壩頂位移更明顯，故壩頂位移比廊道位移更明顯，與廊道位移變化趨勢相同，壩頂豎向位移量逐漸降低，表明大壩整體都發生豎向位移。

表2 壩頂豎向位移統計結果 單位：cm

圖2 壩頂豎向位移典型過程線

為了解壩區豎向位移變化情況，在大壩左右兩岸、壩肩、壩趾布置34個監測點，根據各監測點數據，發現大壩兩側豎向位移變化趨勢保持一致，左岸山體監測點的豎向位移如圖3所示。

圖3 大壩左岸豎向位移過程線

兩岸山體豎向位移變化幅度較大，這與水位、水溫均相關，豎向位移變化量逐漸降低，但并未完全停止。左右岸山體豎向抬升量波動與水庫水位以及溫度相關性較高，豎向位移持續變化、且速率逐漸減小但并未趨近于0。兩岸山體豎向位移抬升規律：壩體、河流近處豎向位移量較大，壩體、河流遠處豎向位移量較小，說明大壩附近山體豎向位移變化與蓄水大壩抬升保持一定的同步性。

2.2.2其他監測情況

除位移監測外，還開展了其他監測項目，所得成果如下。

(1)接縫開合度與溫度相關性較高，接縫開合度與溫度具有一定的相關性，呈周期性變化，開合度位移變化較小。大壩接縫處開合度變化較為均勻，且已逐漸穩定。

(2)壩體滲壓與時間相關性較高，滲壓水位的變化規律呈現出隨時間推進逐漸減小，且變化速率也逐漸減小，高程一定情況下，大壩下游滲壓水位較上游更小，所有監測點滲壓水位規律保持一致。

(3)沿軸線壩基滲壓水位無一般規律。壩基測壓管、滲壓水位呈周期性變化，壩基防滲以及排水效果較好，壩體和壩基總體地下水滲流量偏小，穩定時與水庫蓄水情況有關，地下水流量整體上趨勢呈逐漸減小。

3 壩體抬升成因分析

3.1 模型構建

混凝土重力壩受溫度、水壓等因素作用，大壩任意位置的位移，均可分解為3個分量，即水壓位移分量—δh、溫度位移分量—δT、時效位移分量—δt，其公式可表示為：

δ=δh+δT+δt

(1)

3.1.1水壓位移分量

受水荷載作用，大壩任意位置發生的位移形變可分為壩體本身位移、壩基面變形導致的位移、水自身重力導致的位移。基于壩工理論，水荷載導致的變形δh與水位hi(i=1，2…m，m為冪次數)關系表現為線性相關，其公式可表達為：

(2)

根據大壩形狀選取不同冪次數m，該大壩為混凝土重力壩，冪次數m可取值為3，豎向位移基準值取值為當天水庫蓄水位。

3.1.2溫度位移分量

壩體以及壩基溫度導致的位移組成了溫度位移分量δT?；趶椥岳碚?，蓄水大壩任意位置位移δT和各監測點溫度變化值線性相關，當溫度計數量足夠多時，可將各測點溫度計值定為溫度分量因子，其公式表達式為：

(3)

式中，ci—系數；Ti—第i支溫度計的溫度變化值；n—溫度監測點個數。該大壩內部、壩基處、近壩處均設置有溫度監測點，考慮到部分溫度監測點的溫度計已發生損壞，本次建模在大壩各個部位選取1支數據完整的溫度樣本值。

3.1.3時效位移分量

水壓位移分量和溫度位移分量造成大壩發生彈性位移，大壩除發生彈性位移外，還將產生時效位移，時效位移是隨荷載和時間發生變化的位移，混凝土重力壩時效模型為：

δt=f1t+f2lnt

(4)

式中，f1、f2—系數；t—時間，d。

實際上任意時間大壩承受的荷載都有所不同，大壩在不斷發生卸荷和蠕變。故而，大壩承受各種變化荷載，補充時效位移后公式可轉化為：

(5)

式中，f1、f2—系數；m取值范圍為1～2，本次分析m值取2。

3.2 因子分析

選擇廊道、壩頂位移監測點做非線性回歸分析，結果見表3?；貧w擬合曲線如圖4—5所示。由表3和圖4—5可知，回歸擬合效果較好，相關系數都高于0.95，說明建模結果較為合理有效。

圖4 壩頂豎向位移模型擬合曲線

圖5 廊道豎向位移模型擬合曲線

表3 壩頂、廊道豎向位移回歸結果

利用主成分分析法對壩頂和廊道位移監測點進行主成分分析，分析結果見表4。經檢驗，各監測點的顯著度均小于0.05，說明各變量之間聯系較為緊密，可進行因子分析。

表4 壩頂、廊道因子分析結果

各因子與主成分關系越緊密，其在主成分上占比越大。由此可知，溫度位移分量、時效位移分量與主成分聯系度比較大，水壓位移分量與主成分聯系度較低。

由大壩廊道豎向位移變化曲線可知，大壩抬升主要時間在2015—2017年間，抬升過程中，豎向位移量與水庫水位變化趨勢保持一致，大幅度抬升后，豎向位移量與水庫水位變化同步性降低。由此推測，水庫水位使得大壩豎向抬升的變形主要在水位線上升過程中發生，水位線基本穩定后，壩體豎向抬升為蠕變，水荷載趨于穩定后，溫度成為大壩變形的主要影響因素，這一點與其他學者[5]的研究結果相符合?；诖?，推測水庫水位線降低時卸荷無法恢復，此時水位影響大壩位移程度較小，此預測結果與大壩位移分析結果相同，也證實了擴容抬升機制的合理性。

4 結論

本研究基于上述理論，通過分析大壩位移監測資料，基于回彈擴容機制分析大壩發生位移的原因，同時對大壩的安全性進行預測。主要得到以下結論。

(1)現階段大壩豎向抬升還未完全停止，但是豎向位移速率較蓄水初始時期更慢，大壩整體形變基本保持穩定。

(2)基于廊道以及壩頂位移變化因子分析結果表明，水庫水位變化導致大壩變形主要發生于水位上升時期，水位線保持不變后，影響大壩位移的因素為時間、溫度，進一步證實了孔隙水壓增大導致引發巖層擴容抬升機制的合理性。

(3)大壩位移、裂縫開合度、滲壓、滲流場的監測數據表明，大壩抬升并未危及大壩的安全，不影響水庫大壩的安全使用。