大化水電站溢流壩段水平位移異常原因分析

沈 慧，王志遠(yuǎn)，黃武春

(1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003;2.廣西桂冠大化水力發(fā)電總廠，廣西 河池 530800)

大壩變形監(jiān)測(cè)是大壩安全監(jiān)測(cè)的重要組成部分。由于壩體變形直觀可靠，其監(jiān)測(cè)成果可直接評(píng)估大壩安全狀況，故規(guī)范將變形監(jiān)測(cè)規(guī)定為必測(cè)項(xiàng)目。正確掌握大壩變形規(guī)律對(duì)了解大壩工作狀態(tài)，評(píng)估大壩安全狀況有著重要的意義［1-5］。以往，人們對(duì)混凝土壩頂水平位移的常規(guī)認(rèn)識(shí)是“在高溫季節(jié)趨向上游，低溫季節(jié)趨向下游”，這條規(guī)律在多數(shù)水電站大壩中具有普遍性，是合理、正確的;但大化水電站溢流壩段則出現(xiàn)了相反的異?，F(xiàn)象，觀測(cè)資料顯示，溢流壩段水平位移在夏季溫升時(shí)趨向下游，與一般混凝土大壩位移方向相反。由于早期人工觀測(cè)精度低，測(cè)次密度小，難以發(fā)現(xiàn)其中不同的規(guī)律，加之設(shè)于溢流壩頂?shù)囊龔埦€自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)曾出過故障，溢流壩段這種特殊的變形規(guī)律被認(rèn)為觀測(cè)資料“不可靠”而遲遲未得到確認(rèn)。本文在復(fù)核數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)大量實(shí)測(cè)資料的分析判斷，證明大化水電站溢流壩段特殊的變形規(guī)律是真實(shí)存在的，它與壩基地質(zhì)條件及電站運(yùn)行方式有關(guān)，國內(nèi)罕見。有限元計(jì)算也證明下游水位變幅大及壩基較軟弱是造成夏秋季節(jié)大壩向下游變形的主要原因。

1 工程與地質(zhì)概況

大化水電站位于廣西大化縣境內(nèi)紅水河中游，為紅水河梯級(jí)規(guī)劃中的第6個(gè)梯級(jí)電站，是一座以發(fā)電為主、兼有通航等綜合利用功能的樞紐工程。正常蓄水位155.0 m，水庫總庫容8.76億m3，正常蓄水位相應(yīng)庫容4.15億m3，為日調(diào)節(jié)水庫。

溢流壩全長(zhǎng)228.4 m，共分12個(gè)壩段，13個(gè)溢流孔，其中4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)壩段為混凝土空腹重力壩，其余壩段為實(shí)體重力壩，壩頂高程174.5 m，最大壩高74.5 m;廠房位于河床右側(cè)，全長(zhǎng)175 m，分5個(gè)壩段，最大高度83.3 m，基巖以下挖深36 m。由于汛期下游水位高，廠房為全封閉式，是我國擋水最高的河床式水電站之一。

大化水電站于1975年10月開工，工程分兩期施工，1982年5月27日下閘蓄水，1983年12月第一臺(tái)機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電，1985年6月最后一臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行，1986年6月工程竣工。大壩自運(yùn)行以來泄洪頻繁，每年均發(fā)生大于10000 m3/s的洪水流量，閘門年均開啟1100 余次泄洪或進(jìn)行晚峰水位調(diào)節(jié)。壩址區(qū)地層為三疊系下統(tǒng)巖層，巖性為灰色或深灰色薄層泥巖與灰?guī)r互層，性質(zhì)軟弱，抗沖、抗風(fēng)化性能較差。由于構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈，不僅有層間錯(cuò)動(dòng)和層間擠壓破碎帶，而且?guī)r體內(nèi)各種斷裂均較發(fā)育。

溢流壩段基本開挖至弱風(fēng)化巖體，但巖體為薄層狀軟硬相間巖層，受結(jié)構(gòu)擠壓強(qiáng)烈，各類陡傾角斷裂和緩傾角斷裂十分發(fā)育，巖體完整性較差。廠房基礎(chǔ)亦置于微風(fēng)化巖體上，但該處巖層陡立，層間結(jié)合較牢，地基允許承載力能滿足廠房對(duì)地基的要求。河床壩基斷裂仍然發(fā)育，但寬度不大，沿?cái)嗔褞纬傻娘L(fēng)化槽規(guī)模短小，總體看巖體較完整。為提高溢流壩防滲性能，在壩前設(shè)置了防滲鋪蓋，在鋪蓋廊道內(nèi)進(jìn)行帷幕灌漿。

2 水平位移變化規(guī)律分析

2.1 觀測(cè)設(shè)施布置

壩頂水平位移觀測(cè)包括視準(zhǔn)線、引張線和垂線等設(shè)施，其中溢流壩段引張線EX2 全長(zhǎng)249.3 m，設(shè)在高程172.9 m 電纜廊道內(nèi)，共布設(shè)14個(gè)測(cè)點(diǎn)。引張線右端點(diǎn)用PL2和IP5垂線組觀測(cè)，左端點(diǎn)用PL5和IP10垂線組觀測(cè)。5號(hào)墩下游側(cè)(壩下0+38 m)的PL3和IP7垂線組、10號(hào)墩下游側(cè)(壩下0+30 m)的PL4和IP8垂線組單獨(dú)觀測(cè)壩體撓度。引張線和垂線觀測(cè)布置見圖1。

圖1 引張線及垂線觀測(cè)布置(單位:m)

2.2 水平位移規(guī)律

大化水電站溢流壩段和廠房壩段壩頂均布置了引張線，但測(cè)值過程線形態(tài)相反，粗看大致是“峰谷相對(duì)”。詳細(xì)分析，有以下一些特點(diǎn):

a.溢流壩段夏秋季節(jié)高水位期趨向下游，冬春季節(jié)低水位期在溫降時(shí)趨向下游，溫升時(shí)趨向上游，看上去形似一個(gè)“山”字，每年如此，以2007年最為典型，見圖2。

b.溢流壩段引張線相對(duì)位移只在夏季呈半個(gè)“正弦曲線”，冬季則基本保持水平，見圖3。

c.引張線兩端點(diǎn)的位移測(cè)值(即靠近廠房的1號(hào)壩段右邊墩和12號(hào)壩段左邊墩)與中央溢流段有差異，1號(hào)壩段位移測(cè)值與廠房壩段測(cè)值接近。

d.廠房壩段的變形規(guī)律與一般混凝土壩相同，低溫季節(jié)向下游位移，高溫季節(jié)向上游位移，但變幅與同類型水電站相比特別小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，EX101～EX105 在1996—2011年期間的多年平均年變幅依次為3.85 mm，3.84 mm，3.66 mm，3.24 mm 及2.96 mm，對(duì)一座高度達(dá)83 m的河床式廠房壩段來說，年變幅還不到4 mm;而國內(nèi)河床式電站如浙江富春江電站［6］，廠房段高57.4 m，壩頂位移多年平均年變幅為6.1～7.4 mm(2001—2005年);寧夏青銅峽電站［7-8］，壩高42.7 m，廠房段高42.7m，壩頂位移多年平均年變幅為4.1～9.2 mm(1995—2005年);山西天橋水電站，廠房壩段高度41.5m，壩頂位移多年平均年變幅8.23～8.76 mm(1996—1999年，均同為引張線自動(dòng)化測(cè)值)。

3 異常位移規(guī)律成因分析

3.1 資料可靠性分析

由于溢流壩段異常的位移規(guī)律，也曾懷疑過原始資料的可靠性，因此在分析之前，首先對(duì)水平位移觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行了考察。

圖2 溢流壩引張線絕對(duì)位移過程線(向下游為正)

圖3 水平位移實(shí)測(cè)過程線

溢流壩172.9 m 高程引張線EX2 于1996年安裝，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)［9］，2004年1月至2006年4月，因設(shè)備故障處于停測(cè)狀態(tài)，2006年6月系統(tǒng)改造，恢復(fù)測(cè)量，同時(shí)保留人工比測(cè)。從引張線本身測(cè)值來看(不考慮兩端垂線)，2002年以前測(cè)值變幅明顯偏小，年變幅只有1 mm 左右，雖然它的規(guī)律也是夏季向下游，冬季向上游，但其絕對(duì)值形態(tài)被兩端點(diǎn)垂線的規(guī)律性所掩蓋;加之2004—2006年的測(cè)值中斷，位移規(guī)律似乎是從2002年開始發(fā)生了變化，實(shí)質(zhì)是1996—2001年間系統(tǒng)故障所致，2002年電廠發(fā)現(xiàn)后進(jìn)行了修正，此后恢復(fù)正常。2009年6月27日至2009年7月31日期間引張線線體不自由。除去這些不正常時(shí)期的數(shù)據(jù)，引張線測(cè)值規(guī)律性很好，人工與自動(dòng)化觀測(cè)成果一致，且垂線和引張線兩種相互獨(dú)立的觀測(cè)設(shè)施測(cè)得成果一致，資料可信，詳見圖3(圖中PL3為溢流壩4號(hào)壩段正垂線絕對(duì)位移)，可看出其變化規(guī)律同樣為夏秋季節(jié)趨向下游。

3.2 定性分析

引起混凝土壩變形的主要因素有水壓力、揚(yáng)壓力、泥沙壓力和溫度等，要解釋大化水電站溢流壩段異常的位移現(xiàn)象，可按照統(tǒng)計(jì)模型的分量形式將位移分為3 部分:水壓分量、溫度分量和時(shí)效分量。這里暫不考慮時(shí)效變形，先從溫度和水壓兩方面來分析。

3.2.1 溫度變形

大壩溫度變形值取決于上下游壩面的溫差，亦即上游庫水溫和下游面氣溫的差異。對(duì)絕大多數(shù)河床徑流式水電站來說，由于庫水位變動(dòng)極小，氣溫形成的位移占支配地位，高溫季節(jié)時(shí)壩頂趨向上游，低溫季節(jié)時(shí)趨向下游。大化水電站則不同，下游水位變化幅度很大，并呈明顯的季節(jié)性。觀測(cè)資料顯示，1996—2010年期間在冬季1月和2月歷年最低水位平均值為123.66 m，與庫水位相差30 m 左右，所以這時(shí)上下游壩面溫差較大，溫度位移比較顯著;到7月和8月持續(xù)泄洪時(shí)，下游水位升高，歷年最高水位平均值為147.57 m，上下游水位僅相差10 m 左右，由于水位差小，上下游壩面溫差也小，壩體溫度分布比較均勻，溫度變化影響同樣也小，所以夏秋季節(jié)壩頂溫度位移較小。這點(diǎn)可從廠房壩段位移變幅值偏小得到驗(yàn)證。如前所述，大化水電站廠房壩段的位移平均年變幅不到4 mm，主要原因就是夏季上下游溫差小的緣故。

3.2.2 水壓變形

紅水河水量豐富，大化水庫年徑流量達(dá)632.60億m3，水庫總庫容8.76億m3，正常蓄水位相應(yīng)庫容4.15億m3，庫容系數(shù)小于1%，只具有日調(diào)節(jié)性能，因此庫水位十分穩(wěn)定。1996—2010年期間平均年變幅僅2.04 m，多年平均庫水位154.43 m。相比之下，大化水庫下游水位變化很大，與穩(wěn)定的庫水位形成極大反差，在國內(nèi)也是罕見的。下游水位最低值為1984年的117.73 m，最高值為1988年8月31日的157.57 m，比當(dāng)日庫水位僅低1.2 m，1984—1995年期間下游水位平均年變幅為31.65 m，是庫水位變幅的15 倍。

1992年上游巖灘電站水庫蓄水后情況有所緩和，1996—2010年期間平均年變幅為24.32 m，比前期減小約7 m，期間年最高水位平均值為147.57 m，最低水位平均值為123.66 m，但1996年下游百龍灘水庫蓄水后(正常蓄水位126 m)，下游水位平均值比前期有顯著抬高，年平均值由124.62 m 升至1996年的131.62 m，此后基本維持在130 m 附近變化，其對(duì)壩體變形的影響不可忽視。

溢流壩壩頂引張線與下游水位過程線有明顯的相關(guān)性，經(jīng)計(jì)算EX209 與下游水位的日平均值在2007年簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.787，這很容易聯(lián)想到下游水位起主要作用。分析認(rèn)為，溢流壩在夏秋季節(jié)傾向下游除與下游高水位有關(guān)外還與溢流壩壩體結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，下游水壓對(duì)壩體有一個(gè)水平向合力使壩體傾向上游;但同時(shí)它垂直于溢流壩面和護(hù)坦的作用力所產(chǎn)生的力矩則使壩體向下游轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4 及圖5 所示。一般重力壩非溢流段下游坡很陡，在1 ∶0.7 左右，作用在下游壩面的垂直力很小，但對(duì)大化水電站溢流壩段來說豎向力不能忽視。尤其因基巖比較軟弱，在高水位時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大沉陷變形，進(jìn)而導(dǎo)致壩體變形轉(zhuǎn)向下游，使壩頂向下游位移。

圖4 溢流壩7月下游最高水位水壓及溫度荷載示意圖(1996—2010年)

在高溫季節(jié)壩體的溫度位移仍然存在，并且指向上游，但它相對(duì)比較微弱，小于水壓位移，在夏秋季節(jié)成為次要因素。

引張線兩端點(diǎn)即靠近廠房的1號(hào)壩段右邊墩和12號(hào)壩段左邊墩壩段與中央溢流壩段有差異，這是因?yàn)樗鼈兊南掠芜吔鐥l件和中央溢流壩段不同，受下游水壓力的影響相對(duì)較小。廠房壩段主要以溫度變形為主。

圖5 溢流壩1月下游最低水位水壓及溫度荷載示意圖(1996—2010年)

中央溢流段的位移形似“山”字可以解釋為:夏秋季節(jié)以水壓位移分量為主，上下游水壓分量均指向下游，壩體向下游位移;冬春季節(jié)以溫度位移分量為主，也指向下游，壩體也向下游位移，只是位移不明顯，使原本的“正弦曲線”變成了“山”字形曲線。

溢流壩段相對(duì)位移在冬春季出現(xiàn)“水平段”則說明，冬春季由于水壓影響小，中央溢流壩段的位移與兩端點(diǎn)變形規(guī)律相同，同步變化，所以呈“水平”狀。相對(duì)位移更能反映溢流壩段本身變化規(guī)律，因?yàn)樗鼪]有疊加兩端點(diǎn)的位移，如圖6 所示。

圖6 溢流壩段引張線變形規(guī)律示意圖

曾對(duì)大化水電站溢流壩段引張線觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)模型分析，試圖分解出水壓變形和溫度變形，但由于下游水壓因子和溫度因子具有較高的相關(guān)性，簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)為0.42，采用逐步回歸以及偏最小二乘回歸計(jì)算，分解效果均不理想。對(duì)這種冬春季節(jié)下游低水位期以溫度變形為主，夏秋季節(jié)高水位期水壓變形占優(yōu)勢(shì)的大壩，統(tǒng)計(jì)模型難以發(fā)揮作用，因?yàn)檎也坏揭粋€(gè)合適的模型表示兩種規(guī)律。

3.3 有限元計(jì)算

為驗(yàn)證上述分析結(jié)論，對(duì)溢流壩主河槽部位7號(hào)壩段進(jìn)行了三維有限元計(jì)算。計(jì)算模型網(wǎng)格剖分情況見圖7，單元數(shù)21948，節(jié)點(diǎn)數(shù)25183。壩體的上下游方向各取約1 倍壩高，地基深度亦取約1 倍壩高。壩體及地基均假定為線彈性材料，其材料特性參數(shù)分別為:混凝土彈性模量26 GPa，灌漿帷幕彈性模量20 GPa，混凝土泊松比0.167，地基泊松比0.25，地基彈性模量取3 組進(jìn)行分析，見表1。

圖7 溢流壩7號(hào)壩段有限元計(jì)算網(wǎng)格

表1 不同地基彈性模量下有限元計(jì)算成果對(duì)比

假定上游水位不變(取多年平均庫水位154.43 m)，下游水位分別取歷年平均高水位147.57 m和歷年平均低水位123.66 m，計(jì)算了3 組不同地基彈性模量下的水平位移，結(jié)果如表1和圖8 所示。

圖8 壩體水平位移等值線(單位:mm)

有限元計(jì)算結(jié)果顯示了水壓作用下壩頂水平位移的變化?？梢钥闯?，當(dāng)?shù)鼗鶑椥阅Ａ繌? GPa 變化到5GPa時(shí)，下游水位的升高引起壩體向下游的位移增量為4.88～1.87 mm。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，大化水電站溢流壩7號(hào)壩段壩頂引張線多年平均年變幅4.48 mm，雖然該值包含了水壓、溫度及時(shí)效位移在內(nèi)，不便和有限元計(jì)算成果直接進(jìn)行對(duì)比，但至少有一點(diǎn)可以證明，當(dāng)下游水位升高時(shí)，壩頂水平位移增量是指向下游的。因地基軟弱，泄洪季節(jié)下游水位的垂直分量使壩體和基礎(chǔ)下沉，由于壩踵處經(jīng)過帷幕固結(jié)灌漿等處理，上下游基礎(chǔ)的剛度可能有一定差別，從而產(chǎn)生不均勻沉陷，基礎(chǔ)向下游傾斜，其量值大于大壩溫度變形產(chǎn)生的位移量，表現(xiàn)為壩頂向下游移動(dòng)。在方案3 中，若降低帷幕彈性模量，取5 GPa 計(jì)算，在下游水位為147.57 m的情況下，壩頂向下游位移量由2.71 mm 減小至2.12 mm，說明上下游基礎(chǔ)剛度的差別對(duì)壩基轉(zhuǎn)動(dòng)量確有影響。有地質(zhì)資料［10］顯示，大化水電站地基變形模量在2.7～5.0 GPa，比較低，上述計(jì)算在一定程度上對(duì)該量級(jí)作出了驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

a.河床式電站在上游水位基本不變而下游水位變幅很大的條件下，夏季泄洪時(shí)溢流段成為“潛堰”，水重作用在溢流面和護(hù)坦上使壩體和基礎(chǔ)下沉，并使壩頂向下游位移。

b.溫度對(duì)位移的影響反映在水位變化引起下游側(cè)的溫度變化。夏季高水位工況下，因下游水位升高，溢流壩段處于“淺堰”狀態(tài)，壩體溫度分布較均勻，上下游溫差降低，進(jìn)而使溫度分量減小。

c.壩踵處經(jīng)過帷幕固結(jié)灌漿等處理，使上下游基礎(chǔ)的剛度有一定差別，從而在水荷載作用下產(chǎn)生不均勻沉陷，基礎(chǔ)向下游傾斜，使壩頂向下游變形。

d.所謂“異?！钡奈灰撇荒苡贸Ｒ?guī)大壩位移規(guī)律分析時(shí)，不應(yīng)輕易否定資料，而應(yīng)結(jié)合具體情況在復(fù)核數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上根據(jù)大壩當(dāng)時(shí)的荷載和上下游邊界條件等因素對(duì)位移的影響作綜合研究。大化壩頂位移變幅較小，以往人工觀測(cè)資料數(shù)據(jù)密度低，精度有限，難以發(fā)現(xiàn)其中不同的規(guī)律，而在自動(dòng)化觀測(cè)條件下，數(shù)據(jù)密度、精度都大大提高，這為研究大壩變形規(guī)律，掌握大壩工作性態(tài)起到重要的作用。

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