銅街子水電站右岸大壩抬升原因淺析

張超萍，王 東,1b，沈定斌，黃會(huì)寶，于真真

(1.四川大學(xué) a.水利水電學(xué)院；b.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610065；2.國電大渡河公司庫壩管理中心，四川 樂山 614900)

銅街子水電站右岸大壩抬升原因淺析

張超萍1a，王 東1a,1b，沈定斌2，黃會(huì)寶2，于真真1a

(1.四川大學(xué) a.水利水電學(xué)院；b.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610065；2.國電大渡河公司庫壩管理中心，四川 樂山 614900)

銅街子水電站，在水庫蓄水后，以18壩段分界，呈現(xiàn)出左側(cè)壩段沉降、右壩段抬升的罕有異常狀況，大壩上抬量從左至右逐漸增大。通過開展監(jiān)測資料信息挖掘，以及構(gòu)造地質(zhì)水文地質(zhì)狀況分析，斷定該異常狀況系因獨(dú)特的構(gòu)造及水文地質(zhì)，在水庫蓄水后引起深層承壓水變動(dòng)，導(dǎo)致的區(qū)域連鎖反應(yīng)。電站自蓄水以來，水位一直保持在正常蓄水位左右，壩址區(qū)內(nèi)的滲流狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定，抬升變形也逐漸趨于穩(wěn)定，不會(huì)影響到大壩安全。

銅街子；壩體抬升；大壩監(jiān)測；相關(guān)分析；承壓水

1 研究背景

重力壩由于自重及蓄水后庫盆、基礎(chǔ)的壓縮，理論上其垂直變位應(yīng)該是沉陷，現(xiàn)實(shí)也幾乎如此。但實(shí)踐中卻存在極少的反例——蓄水后大壩抬升。銅街子水電站自1992年4月水庫蓄水后，右岸大壩持續(xù)抬升最大達(dá)20 mm，這在國內(nèi)外水電工程中實(shí)屬罕見。 與此類似，鴨綠江干流中游的云峰大壩，1965年蓄水發(fā)電后，由于凍脹應(yīng)力使壩體裂縫開展，于1976年開始存在明顯的趨勢性上抬，上抬位移最大為5.0 mm[1]。澧水一級(jí)支流的江埡大壩，1999年底投入運(yùn)行，由于壩前熱含水層中地下水頭增大，大壩抬升變形達(dá)到28.4～32.6 mm[2]。前蘇聯(lián)托克托吉爾和英古里電站曾有過類似報(bào)道，滲流產(chǎn)生的水動(dòng)力引起巖基上抬，但抬升位移量僅幾個(gè)毫米[3]。國內(nèi)外僅有的這若干反例，有相同之處，更有差異存在，值得深入分析。

本文結(jié)合監(jiān)測資料分析及構(gòu)造地質(zhì)和水文地質(zhì)分析，對(duì)銅街子大壩抬升原因進(jìn)行初步探討。

2 銅街子右岸大壩抬升狀況

2.1 工程概況

銅街子水電站位于四川省樂山市沙灣區(qū)境內(nèi)的大渡河上，是一座以發(fā)電為主，兼顧改善下游通航條件的綜合利用工程。電站總裝機(jī)容量600 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量32.36億kW·h，為河床式電站。壩址以上控制流域面積76 420 km2，水庫正常蓄水位474.00 m，總庫容2.6億m3，具有日調(diào)節(jié)性能。

樞紐建筑物由左岸混凝土面板堆石壩、左岸擋水壩段、河床式廠房、沖砂孔、溢流壩段、右岸混凝土擋水壩段、筏閘、右岸心墻堆石壩等組成，共有29個(gè)壩段。壩頂高程479.0 m，壩軸線全長1 084.593 m，最大壩高82 m，平面布置見圖1。

壩區(qū)出露地層為二迭系峨眉山玄武巖和沙灣組頁巖。玄武巖總厚度200 m，系經(jīng)5次噴溢輪回形成，其中第2層較薄(2～25 m)，其余各大層厚30～60 m，主體工程建筑物壩基置于第5層玄武巖上。各層間受地質(zhì)構(gòu)造作用影響，普遍連續(xù)分布著傾向下游的層間錯(cuò)動(dòng)帶C4和C5等，第5層和第4層間有厚度為0.3～0.4 m的軟弱夾層C5，該軟弱夾層橫穿整個(gè)壩基，加之F6，F(xiàn)9，F(xiàn)3，F(xiàn)3-1，F(xiàn)4等斷層的切割，破壞了巖體完整性。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)簡介

壩頂垂直位移傳統(tǒng)上采用精密水準(zhǔn)觀測，以高程控制網(wǎng)的I05為基準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行往返觀測，共30個(gè)測點(diǎn)，使用Ni002自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀觀測，數(shù)據(jù)精度較好，規(guī)律明顯。自2000年以來，增加了激光系統(tǒng)，發(fā)射端和接受端分別布置在4壩段和20壩段，端點(diǎn)位移采用雙金屬標(biāo)倒垂線孔來改正。

圖1 銅街子水電站樞紐平面布置

壩基揚(yáng)壓力設(shè)置了1個(gè)縱向觀測斷面和7個(gè)橫向觀測斷面，原有37個(gè)測孔。繞滲及長觀孔35個(gè)，其中左岸、右岸、下游河床和右壩肩平洞的淺層繞滲測孔分別為6，7，3，4個(gè)，C5深層15個(gè)測孔。2003年新增了26個(gè)測壓孔，改善了壩基和C5層揚(yáng)壓力觀測設(shè)施，目前，包括10個(gè)C5揚(yáng)壓力深孔共有63個(gè)大壩揚(yáng)壓力測孔。

圖2 D6，D18，D24，D25測點(diǎn)垂直位移過程線及C5層典型測點(diǎn)Y17-4滲壓過程線

圖3 大壩上游展示圖、壩頂沿壩軸線方向沉陷及河床壩段幕后C5層滲壓分布

相關(guān)監(jiān)測儀器均按規(guī)程定期送檢，觀測方法、頻次滿足規(guī)范要求，所測得的資料可靠，可用于監(jiān)測資料分析。

2.3 右岸大壩抬升現(xiàn)象

由圖2的測點(diǎn)沉陷過程線可以看出，自1991年11月下旬起測，至1992年4月6日正式蓄水前，各壩段均有10 mm以內(nèi)不等的自重沉陷。開始蓄水后，整個(gè)樞紐明顯地以18#壩段為界(圖3)，左側(cè)壩段繼續(xù)沉陷，其中左岸堆石壩的D25測點(diǎn)下沉量最大，已達(dá)53 mm，而右側(cè)壩段則走上抬升之路。

各壩段的垂直位移發(fā)展速度不一，但多數(shù)測點(diǎn)在蓄水初期3～5 a內(nèi)發(fā)展較快，隨后進(jìn)入穩(wěn)定收斂過程。

從壩頂沉陷分布圖3觀察，混凝土壩上抬現(xiàn)象，從左向右大致是從16壩段開始的，越靠右岸，上抬量越大，18壩段系沉陷、上抬臨界平衡壩段，其以右壩段完全表現(xiàn)為抬升。左側(cè)砼壩沉陷量最大的D06測點(diǎn)達(dá)到15.5 mm，右岸抬升量最大的D24-1測點(diǎn)超過20 mm。各相鄰壩段間的垂直位移比較連續(xù)、協(xié)調(diào)，出現(xiàn)峰、谷時(shí)間基本同步，無大的錯(cuò)縫或突變。與此同時(shí)，這些壩段的水平位移則無異常，測值一般在-1.0～1.5 mm范圍內(nèi)變動(dòng)。

樞紐工程的高程控制網(wǎng)的8個(gè)測點(diǎn)中，各測點(diǎn)相對(duì)于起測點(diǎn)存在不同程度的垂直位移，其中右壩肩I06和右岸下游I07測點(diǎn)，在工程運(yùn)行的前5 a有持續(xù)上抬現(xiàn)象，尤其是位于右壩肩平洞的I06-1S測點(diǎn)(圖1)，上抬最大幅度達(dá)26.05 mm。

3 右岸大壩上抬原因分析

上述變形特征表明這種異常不僅僅局限發(fā)生于水工建筑物上，而是右岸區(qū)域內(nèi)的一種整體變化。從C5層連續(xù)分布橫穿整個(gè)壩基的情況及其深層滲壓的特征，初步判斷此異常抬升與C5層有直接關(guān)系。

圖4 20壩段C5層滲壓 與沉陷關(guān)系散點(diǎn)分布

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)分析

由圖2過程線可見，右岸基礎(chǔ)上抬發(fā)生于水庫蓄水后。1992年4月6日起蓄，至7月份，水位升幅最大約35 m。

筆者使用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，對(duì)右岸壩段抬升值與C5層深層滲壓值開展二元變量相關(guān)分析[4]。因?yàn)闈B壓與沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)均為定距變量，分析采用了衡量定距變量間線性關(guān)系的Spearson相關(guān)系數(shù)。其中代表壩段——20壩段的測值關(guān)系散點(diǎn)如圖4所示。

結(jié)果顯示，雙側(cè)檢驗(yàn)(Sig(2-tailed))對(duì)應(yīng)的p=0.000<0.01，表示C5層滲壓和沉陷之間的相關(guān)在0.01的顯著性水平下存在差異，表明樣本中變量的關(guān)聯(lián)是總體中各變量關(guān)聯(lián)的可靠指標(biāo)。滲壓和沉陷之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)(Pearson correlation)0.785，表明相關(guān)程度較好。其他右岸抬升壩段均有類似的結(jié)論，即銅街子右岸大壩抬升與C5層滲壓相關(guān)。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析

為進(jìn)一步分析C5層滲壓對(duì)垂直位移的影響，經(jīng)過逐輪的回歸模型篩選和分析，水壓分量、壩基揚(yáng)壓力分量和傳統(tǒng)的時(shí)效分量，要么在逐步回歸中被剔除，要么呈現(xiàn)出不合理的規(guī)律，最終將C5滲壓作為一個(gè)關(guān)鍵影響因子，對(duì)壩頂代表性測點(diǎn)開展逐步回歸分析[5]，獲得合理的工程解，結(jié)果見圖5、表1和表2。

圖5 垂直位移回歸分析

測點(diǎn)回歸方程RS19#17．231477+0．9471349[C]-1．454819[C3]-0．129435[T60]0．9070．604

注：C，C3分別表示觀測日當(dāng)月、前3月平均承壓水頭，T60表示觀測日前60 d平均氣溫；R為相關(guān)系數(shù)；S為偏差系數(shù)。

表2 壩頂激光系統(tǒng)端點(diǎn)垂線垂直位移回歸分量統(tǒng)計(jì)

分析認(rèn)為，傳統(tǒng)模型中的時(shí)效影響，在該特殊壩體上極其顯著地體現(xiàn)在C5深層滲壓上。由表2可知，C5滲壓影響占總影響量的71.3%，因此是該壩段垂直變位的決定性影響因素。

3.3 地質(zhì)特征分析

銅街子大壩壩基巖石透水性較好，C5深層構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)帶具有特殊的滲透結(jié)構(gòu)，其錯(cuò)動(dòng)面本身的滲透性極弱，而兩側(cè)的巖石破碎，滲透性強(qiáng)，構(gòu)成了沿C5層錯(cuò)動(dòng)面方向的強(qiáng)滲透性，成為透水帶。蓄水后，壩基淺層地下水及深層地下水均明顯升高，導(dǎo)致含水層空隙水壓力增大，基巖有效應(yīng)力降低，引起層間和裂隙擴(kuò)容、基巖回彈、遇水膨脹等現(xiàn)象[6]，初步判斷這是引起基礎(chǔ)上抬的根本機(jī)理。

觀察地質(zhì)構(gòu)造剖面(圖3)，在右深槽的16—18壩段的壩基下，交錯(cuò)發(fā)育有F3和F6等系列斷層，對(duì)C5層形成切割，一定程度破壞了兩岸深層地下承壓水的連續(xù)性，監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明兩側(cè)的C5層地下水存在明顯水頭差，右岸某些測孔的壓力高于左岸約7 m。假設(shè)F3等系列斷層不存在，此時(shí)承壓水在整個(gè)區(qū)域內(nèi)是連續(xù)的，如果P-γwgH>γrgh，(其中g(shù)表示重力加速度，P表示承壓水壓力，γw，γr分別表示水和巖石的密度，H，h分別表示地表水位和承壓含水層到地表的巖層深度)，則大壩及壩基會(huì)發(fā)生整體上抬，如江埡大壩[2]。銅街子水電站壩址區(qū)，由于斷層對(duì)承壓含水層的切割，使得左側(cè)P-γwg<γrgh，而右側(cè)P-γwgH>γrgh，于是出現(xiàn)斷層左側(cè)下沉、右側(cè)上抬的趨勢。

此外，右岸壩段處于F3逆斷層的上盤，承壓水施壓后更有利于右岸壩段上抬。

上述2個(gè)因素是銅街子大壩自16壩段開始，其左側(cè)沉降、其以右壩段漸次抬升的根本原因。

4 結(jié) 論

根據(jù)監(jiān)測資料相關(guān)分析及壩址地質(zhì)特征分析，銅街子右岸基礎(chǔ)抬升這一異?，F(xiàn)象系由右岸承壓水、基礎(chǔ)地質(zhì)構(gòu)造特征、右岸壩體結(jié)構(gòu)特征(各壩段建基面漸次抬升、自重減輕)等因素綜合所致。起始位置是右深槽地質(zhì)構(gòu)造最復(fù)雜區(qū)域(16—18壩段)，附帶影響到13—15壩段。目前抬升變形基本穩(wěn)定，C5層滲壓也比較穩(wěn)定，基礎(chǔ)上抬狀況是漸變、連續(xù)、收斂的，相互間也尚協(xié)調(diào)，尚未對(duì)壩體、基礎(chǔ)造成不利影響，目前右岸壩體工作狀態(tài)仍屬安全。

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(編輯：曾小漢)

Causes of Uplift Deformation on the Right Bank of the Damof Tongjiezi Hydropower Station

ZHANG Chao-ping1，WANG Dong1,2，SHEN Ding-bin3，HUANG Hui-bao3, YU Zhen-zhen1

(1.School of Water Resource﹠Hydropower Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Chengdu 610065, China;3. Reservoir and Dam Management Center, China Guodian Dadu River Hydropower Development Co., Ltd., Leshan 614900, China)

Rarely seen abnormalities including settlement on the left and uplift deformation on the right with section

18#as dividing line were found at Tongjiezi Hydropower Station after reservoir impoundment. Through mining the monitored information and analyzing the structural geology and hydrogeology condition, we concluded that the abnormalities are regional chain reactions resulted from the unique structure and hydrogeology, which caused the change of deep confined water after reservoir impoundment. Since the impoundment, water level has remained normal, seepage in the dam site has stablized, and the uplift deformation gradually tends to be stable. At present it is not yet a threat to the safety of dam.

Tongjeizi; uplift of dam body; safety monitoring; correlation analysis; confined water

2013-12-11；

2014-04-10

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014FZ0043)

張超萍(1989-)，女，湖南邵陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)工程，(電話)15184372796(電子信箱)766212650@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.011

2015,32(05):57-60,65

TV698

A

1001-5485(2015)05-0057-04