里底水電站壩頂上下游水平變形機(jī)制分析

張?jiān)茝V,張會(huì)員,湯榮平,龍耀東,段 彬,李明樂

(1. 華能瀾滄江水電股份有限公司,昆明 665000;2. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;3. 西安建筑科技大學(xué),西安 710005)

0 前 言

河床式水電站是水力發(fā)電站布置的重要形式之一,其進(jìn)水口是壩體的一部分,起擋水作用。然而由于廠房壩段上部結(jié)構(gòu)即進(jìn)水口結(jié)構(gòu)與相鄰壩段在結(jié)構(gòu)剛度和水壓力上存在比較明顯的差異性,如此在水壓力和溫度作用下易產(chǎn)生不同步的上、下游水平變形[1],類似現(xiàn)象也會(huì)出現(xiàn)在混凝土重力壩上[2]。探討此種變形規(guī)律,主要依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型[3-5],如魏超等通過建立統(tǒng)計(jì)模型,分析了水壓分量、溫度分量、時(shí)效分量對(duì)李家峽拱壩徑向位移影響率得出,在2004年徑向位移年變幅中,3個(gè)分量的影響率分別占10%～35%、60%～80%,時(shí)效分量占5%以下。

為了探究荷載作用和邊界條件、力學(xué)模型等對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形特征、穩(wěn)定性影響以及其影響幅度,目前主要采用三維有限元方法[6-11],如石廣斌等通過建立4種邊界條件的三維有限元法數(shù)值模型,分析其對(duì)高水頭河床式水電站進(jìn)水口結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形影響,結(jié)果表明不同力學(xué)模型對(duì)進(jìn)水口閘墩前沿豎向拉應(yīng)力影響非常明顯,而對(duì)進(jìn)水口下游擋水墻水平拉應(yīng)力分布規(guī)律和量值影響很小;蘇晟輝等應(yīng)用三維有限元計(jì)算分析設(shè)計(jì)反應(yīng)譜特征周期和下降段衰減系數(shù)變洞河床式水電站廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響,得出影響比較明顯。

本文探討的里底水電站于2018年9月水庫(kù)蓄水,截止2021年6月15日,監(jiān)測(cè)到廠房壩段壩頂向下游的最大水平變形達(dá)到 25.0 mm,相對(duì)相鄰的溢流壩段和底孔壩段,此值稍有偏大,在壩體上游面頂部表現(xiàn)出明顯的錯(cuò)臺(tái)。因此,本文從壩頂水平變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化影響因素的關(guān)聯(lián)性著手,同時(shí)借助了三維有限元法數(shù)值模型計(jì)算分析荷載作用對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響,期望辨析出發(fā)生如此大的水平變形原因,同時(shí)可為工程安全評(píng)價(jià)和后期電站安全運(yùn)行提供一定的技術(shù)支撐。

1 工程概況

里底水電站為瀾滄江上游水電開發(fā)規(guī)劃7個(gè)梯級(jí)電站中的第3個(gè)梯級(jí)。壩頂總長(zhǎng)351.9 m,攔河壩共分16個(gè)壩段,從左到右依次為左副壩,壩長(zhǎng)40.6 m;溢流壩段,長(zhǎng)33.0 m;縱向?qū)味?長(zhǎng)18.0 m;河床式廠房機(jī)組壩段長(zhǎng)85.8 m;底孔壩段長(zhǎng)45.0 m;右岸副壩(0～6號(hào)壩段)為擋水壩段,壩段長(zhǎng)129.5 m。主河床布置3個(gè)機(jī)組壩段,機(jī)組段寬度28.6 m,機(jī)組段總寬度85.8 m,順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度76.0 m,廠房最大高度78.3 m,電站進(jìn)水口底板高程1 774.40 m。

廠房壩段基巖主要為絹云母石英千枚巖,巖體為微新層狀巖體,斷裂以中等～高傾角裂隙為主,緩傾角斷裂不發(fā)育,巖體完整性較好,綜合判定廠房壩段巖體應(yīng)屬Ⅲ類。

2 壩頂水平變形特征分析

2.1 監(jiān)測(cè)儀器布置

廠房壩段變形監(jiān)測(cè)包括壩基變形監(jiān)測(cè)和壩體變形監(jiān)測(cè),壩基變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括倒垂、基巖變位計(jì)、測(cè)縫計(jì)等,壩體變形監(jiān)測(cè)主要包括正垂線、引張線、水準(zhǔn)點(diǎn)。另外其它輔助監(jiān)測(cè)如上下游水位、庫(kù)水水溫等。

廠房壩段水平變形采用垂線系統(tǒng)和引張線共同監(jiān)測(cè)。垂線系統(tǒng)由正垂線PL2 和倒垂線IP2組成,布置于9號(hào)廠房壩段的垂線室,如圖1所示。垂線室位于高程1 753.00 m的灌漿廊道下游側(cè)。正垂線PL2由垂線室壩下0+011.60 m 位置垂直向上延伸至壩頂1 820.50 m;倒垂線IP2由垂線室壩下0+009.60 m 位置垂直向下延伸至高程1 706.00 m。

圖1 變形監(jiān)測(cè)儀器布置

為了監(jiān)測(cè)壩體垂直變形,在9號(hào)壩段設(shè)置了3個(gè)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn),其中LDW11位于尾水平臺(tái),LD12 和LDX11布置在進(jìn)水口頂部。另外,在9號(hào)廠房壩段壩踵和壩趾分別布設(shè)MD1-CF和MD2-CF基巖變位計(jì)監(jiān)測(cè)基巖變形,監(jiān)測(cè)深度為15 m。變形監(jiān)測(cè)儀器布置如圖1所示。

2.2 壩頂水平變形特征

里底水電站自2018年9月15日開始下閘蓄水,經(jīng)歷13 d(到2018年9月28日),水位升至高程1 815.75 m,到2021年6月15日,已有1 001 d(約合2.74 a)。圖2為廠房9號(hào)壩段上、下游水平位移監(jiān)測(cè)值與庫(kù)水位關(guān)系時(shí)程曲線。從圖2中可以清楚看出,在2018年9月28日至2021年6月15日期間,監(jiān)測(cè)變形經(jīng)歷了3個(gè)波峰和2個(gè)波谷。壩頂水平變形峰值變化趨勢(shì)曲線如圖3所示。從圖3可以得出,前2個(gè)波峰之差為3.29 mm,時(shí)長(zhǎng)為392 d,變化率為0.008 39 mm/d;后2個(gè)波峰之差為1.21 mm,時(shí)長(zhǎng)為392 d,變化率為0.003 09 mm/d。第2波峰之間的變化率明顯小于第1波峰之間的變化率,前者約是后者的2.7倍,表明壩頂變形趨于收斂狀態(tài)。

圖3 壩頂水平變形峰值變化趨勢(shì)

溫度變化對(duì)變形影響具有一定的滯后效應(yīng),壩頂水平變形監(jiān)測(cè)值與溫度時(shí)程曲線如圖4所示。從圖4中可以清楚看出,壩頂上、下游水平變形與溫度變化具有很高的關(guān)聯(lián)性,溫度升高時(shí),變形向上游發(fā)展;溫度降低時(shí),變形向下游發(fā)展。壩頂水平變形達(dá)到極值時(shí)間要比溫度達(dá)到極值時(shí)間滯后約2—3月。

圖4 壩頂水平變形監(jiān)測(cè)值與溫度時(shí)程曲線

里底水電站壩頂上、下游水平變形在每年3—4月份達(dá)到最大,9—10月份達(dá)到最小,呈現(xiàn)出正弦函數(shù)式來回、緩慢增加狀態(tài),未來數(shù)年的變形增加值較小,約為4.0 mm,包括庫(kù)水位上升和累積時(shí)效變形。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

3.1 模型的建立

在水壓力、揚(yáng)壓力、溫度等荷載作用下,大壩任一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生位移,因此,構(gòu)建壩體的變形統(tǒng)計(jì)模型時(shí),其位移δ主要由水壓分量δH、溫度分量δT和時(shí)效分量δθ組成[3-5]即

δ=δH+δT+δθ

(1)

溫度對(duì)模型的精度以及未來的預(yù)測(cè)精度起到至關(guān)重要的作用。里底水電站廠房壩段混凝土結(jié)構(gòu)孔洞較多,從澆筑到機(jī)組運(yùn)行有一年多, 混凝土體的溫度場(chǎng)已基本穩(wěn)定。考慮邊界溫度對(duì)壩體不同部位混凝土的熱傳導(dǎo)滯后效應(yīng),并參考獻(xiàn)[2]的分析結(jié)果,在建立回歸統(tǒng)計(jì)模型時(shí),溫度項(xiàng)采用溫度周期,式(1)的δH、δT和δθ表達(dá)如下:

(2)

(3)

δθ=c1(θ-θ0)+c2(Inθ-Inθ0)

(4)

式中:a1i為水壓因子回歸系數(shù);Hu、Hu0為檢測(cè)日、始測(cè)日所對(duì)應(yīng)的上游水頭,即水位測(cè)值與壩底高程之差;b1i、b2i為溫度回歸因子;t為位移監(jiān)測(cè)日到起始檢測(cè)日的累計(jì)天數(shù);t0為建模資料系列第1個(gè)檢測(cè)日到始測(cè)日的累計(jì)天數(shù);c1、c2為時(shí)效因子回歸系數(shù);θ為位移監(jiān)測(cè)日至始測(cè)日的累計(jì)天數(shù)t除以100;θ0為建模資料系列第1個(gè)測(cè)值日到始測(cè)日的累計(jì)天數(shù)t0除以100;α0為常數(shù)項(xiàng)。

3.2 壩頂水平變形監(jiān)測(cè)值分析

自2018年9月15日下閘蓄水開始,至2018年9月28日,壩前水位為1 815.75 m。近2.5 a來(2019年1月1日至2021年6月15日),上游水位均值為1 815.96 m,下游水位均值為1 780.88 m;上游水位變化幅度為3.36 m,約為上游最大水頭的4.91%;下游水位變化幅度為4.16 m,約為下游最大水頭的10.09%。根據(jù)選定的統(tǒng)計(jì)模型,各分量影響率計(jì)算結(jié)果如下:

(1) 水壓分量

庫(kù)水位達(dá)到一定高度后,一定范圍水頭的變化對(duì)壩頂上、下游水平變形影響較小。庫(kù)水位升高,壩體向下游變形增大;庫(kù)水位降低則壩體向下游變形減小。2018—2021年的壩頂上、下游水平變形增幅中,水壓分量約占10.0%～15.0%。

(2) 溫度分量

溫度變化對(duì)壩體水平位移影響顯著,溫度升高,壩頂向下游水平變形減小即壩頂上、下游水平變形表現(xiàn)為向上游回縮;溫度下降,壩頂向下游水平變形增加。2018—2021年的壩頂上、下游水平變形增幅中,溫度分量占75.0%～85.0%。

(3) 時(shí)效分量

時(shí)效分量所占比例相對(duì)較小,對(duì)壩頂上、下游水平變形增幅影響率達(dá)5.0%～10.0%,后期可能會(huì)降低到5.0%以下。

(4) 根據(jù)壩體實(shí)測(cè)水平位移資料的統(tǒng)計(jì)模型分析得出,在25.0 m的壩頂向下游水平變形值中,溫度影響占5.52 mm,累積時(shí)效變形占1.95 mm,水壓力和自重等荷載作用產(chǎn)生變形占17.53 mm。

4 荷載作用結(jié)構(gòu)變形計(jì)算分析

4.1 計(jì)算分析模型的建立

廠房壩段混凝土結(jié)構(gòu)體型與受力分析模型如圖5所示。受力模型1為圖5(a),下部大體積混凝土與基巖面設(shè)置為固端約束,即不含一定范圍內(nèi)的基巖,其目的是計(jì)算分析地基接觸面為剛性約束下,荷載對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響。受力模型2為圖5(b),取一定范圍基巖,上、下游及深度方向約為1.5倍壩體高度,其目的是計(jì)算分析坐落在一定范圍的基巖之上的混凝土結(jié)構(gòu),荷載和基礎(chǔ)共同對(duì)其變形影響,基礎(chǔ)對(duì)地基接觸面約束可以稱之為柔性約束。

圖5 結(jié)構(gòu)與受力模型

為了提高單元計(jì)算精度,廠房壩段的進(jìn)水口、梁板柱和墻體混凝土結(jié)構(gòu)、地基均用六面、五面體塊單元模擬,部大體積混凝土采用四面體模擬,混凝土與基巖接觸面用接觸單元模擬。圖5中的Pwu、PwD為上、下游水壓力;G為重力,包括結(jié)構(gòu)混凝土和設(shè)備及流道水重。 基礎(chǔ)模量取值為5.8 GPa,混凝土彈性模量根據(jù)各部位混凝土設(shè)計(jì)等級(jí),按規(guī)范相應(yīng)值采用。

4.2 荷載組合及工況

根據(jù)上、下游水位變化過程監(jiān)測(cè)結(jié)果,計(jì)算采用上、下游水位基準(zhǔn)值分別為1 816.00 m和1 781.00 m。計(jì)算分析主要荷載組合及工況見表1。

表1 荷載組合及工況

4.3 結(jié)構(gòu)變形分析

從結(jié)構(gòu)變形計(jì)算值分布來看,豎向變形較大主要位于大體積上部的板梁,電站進(jìn)水口、廠房下部大體積和尾水出口部位結(jié)構(gòu)變形豎向較小。

順?biāo)鞣较蜃畲笞冃沃饕挥谶M(jìn)水口。僅在結(jié)構(gòu)自重作用下,進(jìn)水口在上、下游方向水平變形較小,并且朝向上游,變形值為4.96 mm;水庫(kù)蓄水后,即在水壓力作用下,壩頂上、下游方向水平變形由向上游轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳掠?其向下游變形值為12.51 mm(工況3),受力模型2工況3結(jié)構(gòu)上、下游水平變形如圖6所示。

圖6 受力模型2工況3結(jié)構(gòu)上、下游水平變形 單位:m

由圖6可知,壩頂頂部相對(duì)地基面的變形為8.12 mm。自上游水庫(kù)蓄水到達(dá)1 816.00 m時(shí),由計(jì)算變形直接得出壩頂向下游水平變形可達(dá)到17.47 mm,此值廠房壩段變形監(jiān)測(cè)值是基本一致的,因?yàn)橛蓧误w變形監(jiān)測(cè)反饋分析可推測(cè)由荷載作用產(chǎn)生壩頂上、下游水平變形為17.53 mm。

通過結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)分析可得,僅由外水壓力和水重以及自重等荷載作用下產(chǎn)生的上、下游水平變形主要由以下3部分組成,受力模型1工況3 結(jié)構(gòu)上、下游水平變形如圖7所示。

圖7 受力模型1工況3 結(jié)構(gòu)上、下游水平變形 單位:m

(1) 結(jié)構(gòu)自身水平變形

在水壓力作用下,進(jìn)水口壩體自身會(huì)產(chǎn)生的上下游水平變形,此值約8.12 mm。此值與由圖5(a)受力模型計(jì)算的壩體變形7.31 m基本一致。從圖6可以看出,此變形值主要發(fā)生在進(jìn)水口底板高程1 774.40 m以上。

(2) 剛體變形

在外水壓力和水重以及自重等荷載作用下,地基面發(fā)生向下游水平變形為4.76 mm,這與目前倒垂監(jiān)測(cè)到的最大數(shù)值5.27 mm基本一致。由此可導(dǎo)致壩頂向下游發(fā)生4.76 mm的剛體性水平變形。

(3) 傾斜變形

在外水壓力和水重以及自重等荷載作用下,地基面發(fā)生不同程度的沉降。基巖面豎向變形分布如圖8所示。由圖8可以看出,地基面中部沉降變形為4.0～4.8 mm,而壩體的上游前沿沉降變形為2.0 mm,而地基面豎向不均勻沉降變形可導(dǎo)致地基面發(fā)生一定傾斜,其斜率為0.068～0.080。此斜率又會(huì)引起 壩頂向下游發(fā)生剛體性傾斜變形,發(fā)生傾斜變形同時(shí)也必然導(dǎo)致一定水平變形的發(fā)生,此值約為4.80～5.68 mm。

圖8 基巖面豎向變形分布 單位:m

上述(1)、(2)和(3)等3項(xiàng)值之和為17.68～18.56 mm,此值與由壩體變形監(jiān)測(cè)反饋分析推測(cè)荷載產(chǎn)生的壩頂向下游水平變形17.53 mm是基本一致的。

4.4 水位變動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響

目前上游平均水位約為1 816.00 m,下游平均水位約為1 781.00 m,上游水位離最高洪水位1 818.90 m,還差2.9 m ,用圖5(b)的結(jié)構(gòu)受力模型,由三維有限元仿真計(jì)算得出,上游水頭變化對(duì)壩頂上、下水平變形關(guān)系曲線,影響關(guān)系呈線性如圖9所示。上游水頭每變化1.0 m,可引起壩頂發(fā)生1.025 mm的變形;下游水頭每變化1.0 m,引起壩頂發(fā)生0.17 mm的變形。上游水位變化對(duì)順?biāo)鞣较虻淖冃斡绊懸黠@大于下游水位的變化。

圖9 上游水位變化幅度與壩頂上、下游水平變形關(guān)系

5 結(jié) 論

(1) 壩頂上、下游水平變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明,水庫(kù)蓄水達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水位以后,影響壩體水平變形主要影響因素為溫度變化,其次是水位變動(dòng),再次是時(shí)效性,影響率分別75.0%～85.0%、10.0%～15.0%、5.0%～10.0%。

(2) 通過數(shù)值仿真分析揭示了壩頂發(fā)生較大上、下游水平變形機(jī)制,壩頂上、下游最大水平變形由荷載作用變形、溫度變形和時(shí)效變形組成,其中荷載作用變形由荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)自身變形、地基水平變形和地基沉降變形而引發(fā)的混凝土結(jié)構(gòu)自身傾斜變形等3部分構(gòu)成。

(3) 壩頂上、下游水平變形呈現(xiàn)出正弦函數(shù)式來回、緩慢增加變化,未來數(shù)年的變形增加值很小,變形變幅基本是由溫度作用產(chǎn)生的。

(4) 此變形對(duì)電站上部排架柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有一定的危害,將另撰文論述。