二灘拱壩運行期壩體水平位移分析

閔 四 海

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000)

1 引 言

二灘水電站位于四川省攀枝花市雅礱江干流，系雅礱江梯級開發(fā)的第一座電站，電站以發(fā)電為主，總裝機(jī)3 300 MW，是20世紀(jì)我國建成的最大水電站。電站樞紐由混凝土雙曲拱壩、泄洪建筑物、消能建筑物、輸水建筑物和地下廠房等組成。

二灘拱壩壩高240 m，壩頂弧長774.69 m，作為我國建成的第一座200 m級特高拱壩，已成功運行十多年，對目前我國新投入運行的錦屏一級(305 m)、溪洛渡(壩高285.5 m)等特高拱壩的安全運行具有一定的參考作用，因此，分析二灘拱壩運行期的壩體變形具有重要的工程參考價值。

二灘拱壩從1998年下閘蓄水以來，取得了大量的壩體變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，為掌握200 m以上特高拱壩壩體變形的影響因素、變化規(guī)律及特征等提供了寶貴的第一手資料。

2 水平位移監(jiān)測儀器布置

二灘拱壩水平位移監(jiān)測，主要利用拱壩垂線系統(tǒng)和外部變形觀測網(wǎng)，其中垂線系統(tǒng)采用人工讀數(shù)盤(人工)和垂線坐標(biāo)儀(自動)觀測，外部變形觀測網(wǎng)采用大地測量法觀測。水平位移監(jiān)測布置圖(如圖1)。

為監(jiān)測拱冠、拱肩及1/4拱圈等部位的水平位移，在#4、#11、#21、#33和#37壩段5個斷面布置了8條倒垂線和10條正垂線，組成5組正倒垂線組，共計20個測點。正、倒垂線測點布置情況(詳見表1)。

圖1 水平位移測點布置圖(上游立面)

二灘拱壩垂線系統(tǒng)的觀測頻次(人工每周1次，自動化每天2次)要高于外部變形觀測網(wǎng)的觀測頻次(大地測量每季度1次)，垂線的監(jiān)測成果能夠更加全面地反映壩體水平位移的變化規(guī)律。垂線人工與自動化監(jiān)測成果總體趨勢是一致的，但由于垂線坐標(biāo)儀和采集單元不同程度進(jìn)行過維護(hù)和改造，導(dǎo)致自動化測值中不可避免地混入了部分系統(tǒng)誤差和人為誤差，可認(rèn)為自動化監(jiān)測成果的可靠性總體上要低于人工監(jiān)測成果。因此，本文以垂線人工監(jiān)測數(shù)據(jù)作為壩體水平位移分析的主要依據(jù)。

表1 正、倒垂線測點布置一覽表

表2 壩體徑向水平位移特征值統(tǒng)計表

3 特征值分析

3.1 徑向水平位移

統(tǒng)計壩體徑向水平位移特征值(見表2)。因初期蓄水階段部分測點觀測數(shù)據(jù)不夠連續(xù)完整，故表中相應(yīng)測點特征值的統(tǒng)計時段不包括蓄水初期。

由上表可以看出：(1)各測點徑向水平位移的最大值多發(fā)生在低溫高水位季節(jié)(10～12月份)，壩頂徑向位移最大值在3.86～134.58 mm之間，最大年變幅在4.40～67.70 mm之間；最小值一般發(fā)生在高溫低水位季節(jié)(4～6月份)。(2)同一高程不同壩段，靠拱冠越近，徑向位移越大。(3)同一壩段不同高程，高程越高，徑向位移越大。

3.2 切向水平位移

統(tǒng)計壩體切向水平位移特征值(見表3)。因初期蓄水階段部分測點觀測數(shù)據(jù)不夠連續(xù)完整，故表中相應(yīng)測點特征值的統(tǒng)計時段不包括蓄水初期。

表3 壩體切向水平位移特征值統(tǒng)計表

由上表可以看出：(1)切向水平位移總體表現(xiàn)為左岸壩段向左岸變形、右岸壩段向右岸變形的特征，左(右)岸壩段向左(右)岸變形的最大值多發(fā)生在低溫高水位季節(jié)，左岸4#壩段、11#壩段壩頂向左岸位移最大值為3.35 mm和21.32 mm，右岸33#壩段、37#壩段壩頂向右岸位移最大值為-19.75 mm和-2.90 mm；左(右)岸壩段向右(左)岸變形的測值較小且一般發(fā)生在高溫低水位季節(jié)。(2)左1/4拱(11#壩段)和右1/4拱(33#壩段)處切向變形較大，而拱端部位(4#壩段、37#壩段)切向位移較小。(3)同一壩段不同高程，高程越高，切向變形越大。

4 時間過程分析

4.1 徑向水平位移

繪制蓄水以來壩體典型部位徑向水平位移過程線(見圖2)。

由以上各圖可以看出：(1)壩體徑向位移隨庫水位呈明顯的年周期性變化，且與庫水位正相關(guān)，即庫水位上升，壩體向下游位移，反之則向上游回彈；同時，持續(xù)高水位作用時間越長，徑向位移值越大。(2)蓄水初期，由于壩基地質(zhì)構(gòu)造(斷層、節(jié)理裂隙等)的壓縮變形以及壩體的徐變等，壩體產(chǎn)生了較大的不可逆位移，之后時效位移發(fā)展趨緩或停止，逐步進(jìn)入彈性工作狀態(tài)。(3)壩基徑向位移同樣受庫水位變化影響，存在緩慢的向下游的趨勢性變化。

圖2 典型測點徑向位移與庫水位過程線

4.2 切向水平位移

繪制蓄水以來壩體典型部位切向水平位移過程線(見圖3)。

圖3 典型測點切向位移與庫水位過程線

由以上各圖可以看出：(1)壩體切向位移變化規(guī)律不明顯。左右1/4拱部位(11#壩段、33#壩段)有年周期性變化，測值變幅較大；拱端(4#壩段、37#壩段)測值變幅較??；拱冠21#壩段年周期性規(guī)律不強(qiáng)，測值變化平穩(wěn)。(2)切向位移主要受庫水位變化影響，表現(xiàn)為庫水位升高，壩體向兩岸位移，反之則向河中回彈；拱冠21#壩段受庫水位變化影響不明顯。(3)蓄水初期，左右岸壩段分別產(chǎn)生了向兩岸的不可逆變形，此后時效位移逐漸收斂，基本趨于穩(wěn)定。

5 統(tǒng)計模型分析

通過以上定性分析可知，壩體水平位移具有一定的時空分布及變化規(guī)律，主要受庫水位和溫度等荷載因素及不可逆變形的影響，此外還與自身結(jié)構(gòu)特性(壩基條件、體型、材料特性等)有關(guān)。為進(jìn)一步確定各種因素的影響程度，選取測值規(guī)律性較好的典型測點建立統(tǒng)計模型進(jìn)行定量分析?？紤]前期數(shù)據(jù)不太完整，本次確定的建模時段為2001年5月～2013年6月。

5.1 統(tǒng)計模型

影響大壩位移量的主要作用因子是水壓荷載、溫度荷載，主要因素是壩體混凝土材料特性、壩基材料特性以及各種作用效應(yīng)的時效及殘余變形分量等，采用以下數(shù)學(xué)模型表示壩體某一點的位移δ：

δ=δH+δT+δθ

式中δH為大壩上、下游水位引起的彈性位移分量；δT為溫度變化引起的彈性位移分量；δθ為非彈性位移分量，即時效位移分量。

根據(jù)壩工理論分析成果，拱壩壩體任一點的水壓位移一般與壩前水深H及其二、三、四次方成比例，可以將水壓位移分量δH表示成上述因子的線性組合形式：

式中a0、ai為水壓因子回歸系數(shù)。

二灘拱壩內(nèi)部溫度場已趨向穩(wěn)定，混凝土水化熱已釋放完畢，而壩體邊界溫度的變化是由于環(huán)境氣溫的季節(jié)性變化引起的，考慮壩體混凝土溫度滯后邊界溫度的相位，溫度位移分量δT采用多段平均氣溫的線性組合形式表示：

δT=b0+b1T0+b2T7+b3T10+b4T20+b5T30

式中T0、T7、T10、T20、T30為當(dāng)天、前7天、10天、20天、30天的平均氣溫；b0、b1、b2、b3、b4、b5為溫度因子回歸系數(shù)。

對于運行正常的大壩來說，時效位移的一般規(guī)律是：初期變化快，后期變化慢，最終趨于穩(wěn)定。結(jié)合二灘拱壩具體情況，擬定時效因子為θ和ln(1+θ)，即時效位移分量δθ表示為：

δθ=c0+c1θ+c2ln(1+θ)

式中θ為從正式蓄水日1998年5月1日至觀測日的累計天數(shù)除以100；c0、c1、c2為時效因子回歸系數(shù)。

綜上，由各位移分量疊加得到壩體位移表達(dá)式為：

式中C為合并各位移分量回歸系數(shù)中的常數(shù)項，即C=a0+b0+c0。

5.2 計算結(jié)果

根據(jù)上述統(tǒng)計模型，對壩體水平位移典型測點實測數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸分析，通過分析計算，水平位移分量分解及統(tǒng)計成果(見表4、表5)，典型壩段測點實測值、擬合值及各分量過程線(見圖4)。

根據(jù)上述成果表和過程線圖，可以看出以下特征：

(1)水壓位移分量

影響壩體水平位移的主要因素是庫水位，各測點徑向位移水壓分量變幅在2.29～53.22 mm之間，約占總變幅的45%～69%，平均占55%；切向位移水壓分量變幅在2.22～7.54 mm之間，約占總變幅的44%～81%。水壓位移分量的空間分布規(guī)律表現(xiàn)為：同一高程徑向位移水壓分量呈“拱冠最大，11#壩段次之，33#壩段最小”分布；切向位移水壓分量左岸略大于右岸；同一壩段水壓位移分量隨高程增大而增大；這與二灘拱壩的結(jié)構(gòu)特點相符。

(2)溫度位移分量

環(huán)境溫度變化對壩體水平位移有一定影響，各測點徑向位移溫度分量變幅在0.62～15.95 mm之間，約占總變幅的9%～30%，平均占17%；切向位移溫度分量變幅在0.39～1.96 mm之間，約占總變幅的9%～22%。溫度位移分量的變化規(guī)律表現(xiàn)為：溫降壩體向下游位移的同時向兩岸位移，溫升壩體向上游位移同時向河床回彈，這與定性分析的結(jié)論一致。

(3)時效位移分量

前期時效位移對壩體水平位移有重要影響，隨著時間推移和加卸載次數(shù)增加，這種影響逐步減??；2001年5月至2013年6月，壩體徑向位移時效分量變幅在0.74～36.64 mm之間，約占總變幅的16%～43%，平均占28%；左岸11#壩段切向位移已無時效分量，右岸33#壩段切向位移時效分量變幅在1.90～6.89 mm之間，約占總變幅的42%～45%，左右岸有差異，很可能是因為右岸壩基軟弱蝕變帶和斷層的壓縮變形所致。時效位移分量的變化規(guī)律表現(xiàn)為：在持續(xù)水壓荷載作用下，壩體產(chǎn)生向下游和兩岸的時效位移，前期增長較快，后期趨緩并逐步收斂；至2013年，壩基徑向位移(TCN5、TCN12、TCN17)已基本穩(wěn)定，壩頂徑向位移尚未完全穩(wěn)定，左岸11#壩段切向位移已經(jīng)穩(wěn)定，右岸33#壩段中上部還有少量的時效位移。

表4 壩體徑向位移分量分解成果表

表5 壩體切向位移分量分解成果表

圖4 典型壩段壩體徑向水平位移實測值、擬合值及各分量過程線

6 結(jié) 論

本文通過對二灘拱壩水平位移實測資料進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)拱壩徑向水平位移呈現(xiàn)“庫水位升高或溫降，壩體向下游位移，反之向上游位移”的變化規(guī)律；同時表現(xiàn)出“靠拱冠越近，位移越大”、“高程越高，位移越大”、“左岸大于右岸”的分布特點；定量分析成果表明，水壓荷載是影響徑向水平位移的主要因素，時效作用次之，溫度位移相對較小，三者平均占比依次為55%、28%、17%。

(2)拱壩切向水平位移呈現(xiàn)“庫水位升高或溫降，壩體向兩岸位移，反之向河床回彈”的變化規(guī)律；同時表現(xiàn)出“左右1/4拱處位移較大，拱冠和拱端位移較小”、“高程越高，位移越大”的分布特點；定量分析成果表明，左岸11#壩段切向位移主要受水壓和溫度作用影響，水壓分量和溫度分量分別占80%、20%，已無時效分量，右岸33#壩段切向位移主要受水壓和時效作用影響，溫度分量相對較小，三者平均占比依次為46%、44%、10%，左右岸壩段時效作用的這種差異很可能是因為右岸壩基存在軟弱巖帶和斷層。

(3)壩體存在向下游和兩岸的時效位移，時效位移初期發(fā)展迅速，增長較快，之后逐漸變慢并趨于收斂；壩基徑向位移至2013年已基本穩(wěn)定；壩頂徑向位移尚未完全穩(wěn)定；左岸切向位移已基本穩(wěn)定，右岸中上部高程仍未穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M] 北京：高度教育出版社，2003

作者簡介:

閔四海(1976-)，男，湖南常德人，工程師，雅礱江流域水電開發(fā)有限公司二灘水力發(fā)電廠水工部副主任.

(責(zé)任編輯：卓政昌)