某水電站大壩變形與裂縫成因分析

馬 麗 段慶偉

(1.陜西省石泉縣水利局，陜西 石泉 725200; 2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

某水電站大壩變形與裂縫成因分析

馬 麗1段慶偉2

(1.陜西省石泉縣水利局，陜西 石泉 725200; 2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

某水電站首部樞紐工程自建成蓄水后，壩體就一直產(chǎn)生較大的變形和裂縫，危及著大壩的安全，雖經(jīng)兩次較大的處理加固措施，都一直沒有根本解決問題。通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘的地質(zhì)、地形面貌分析，結(jié)合監(jiān)測(cè)變形，研究了首部樞紐壩體產(chǎn)生變形和裂縫的原因，結(jié)果表明，水電站大壩變形和裂縫的原因是由左岸邊坡蠕滑體變形對(duì)大壩產(chǎn)生擠壓所致，并通過應(yīng)力變形數(shù)值模擬手段進(jìn)一步對(duì)所得結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證，得到的結(jié)果與實(shí)際情況一致。

大壩，變形裂縫，數(shù)值模擬

1 概述

某水電站位于云南省紅河州金平瑤族、苗族、傣族自治縣的金平河中游，距金平縣城約8.5 km，是一座高水頭引水式電站，由首部樞紐、引水明渠、引水隧洞、壓力前池、壓力管道、主副廠房和開關(guān)站組成。裝機(jī)容量2×15 MW，為Ⅳ等工程，工程規(guī)模為小(1)型。首部樞紐布置在三級(jí)電站下游400 m的金平河河道上，由攔河壩、電站取水口組成。攔河壩最大壩高26.5 m，壩頂高程712.50 m，壩頂寬4.00 m，壩頂長(zhǎng)度為74.50 m，由泄洪沖沙閘、溢流壩段和非溢流壩段組成，正常蓄水位為708.30 m。攔河壩及兩岸邊坡地貌如圖1所示。

水電站在2006年下閘蓄水到目前為止，首部樞紐工程不斷出現(xiàn)滲漏、裂縫、變形等問題，2009年和2012年分別針對(duì)這些問題進(jìn)行了兩次較大規(guī)模的加固處理措施，但在處理后大壩運(yùn)行不到兩年，上述問題又接著發(fā)生，為什么首部樞紐會(huì)不斷發(fā)生問題，加固、又發(fā)生問題，再加固，再發(fā)生問題的惡性循環(huán)，本文從兩岸的工程地質(zhì)特征入手，結(jié)合數(shù)值模擬手段，分析首部樞紐不斷發(fā)生破壞的根本原因，供業(yè)界參考。

2 首部樞紐變形破壞及加固處理情況

水電站大壩建成后，在下閘蓄水調(diào)試期間，2006年4月14日，壩后左壩肩坡角出現(xiàn)漏水，滲漏量隨蓄水高程增高而增大，滲漏達(dá)100 L/s，如圖2所示。隨后按設(shè)計(jì)要求重新補(bǔ)灌，補(bǔ)灌后效果顯著，僅有少量滲水。大壩運(yùn)行至2008年汛期過后，發(fā)現(xiàn)溢流壩段溢流面692.022 m的高程水平施工縫有少量漏水，且有蔓延趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)溢流壩反弧段的水平施工縫出現(xiàn)較大滲漏，泄洪沖沙閘右邊墩出現(xiàn)2條裂縫，縫寬1 mm～2 mm，頂部連通，如圖3所示。在2009年，對(duì)大壩原帷幕線上相應(yīng)壩段進(jìn)行了帷幕灌漿，閘室裂縫進(jìn)行了化學(xué)灌漿，當(dāng)時(shí)效果良好。

到2011年9月發(fā)現(xiàn)右岸非溢流壩段迎水面出現(xiàn)長(zhǎng)約3.5 m，寬約1 cm～2 cm的裂縫。泄洪沖沙閘左邊墩和右邊墩出現(xiàn)多處縱向裂縫和橫向新裂縫，溢流壩反弧段施工縫處混凝土沖刷破壞，且鋼筋露出；進(jìn)水塔右邊墩與上游岸坡接觸處出現(xiàn)2 cm～3 cm的裂縫。2012年裂縫明顯擴(kuò)大，沖沙閘工作門門槽、檢修門門槽嚴(yán)重變形，沖沙閘工作門、檢修門不能正常啟閉，沖沙閘室胸墻至下游檢修門門槽胸墻有貫穿性裂縫，并呈明顯擴(kuò)大趨勢(shì)，多條裂縫、溢流壩段施工縫等多處出現(xiàn)滲漏。2012年5月，大壩溢流壩段交通橋斷裂，并發(fā)現(xiàn)鋼筋折彎向上隆起，并在后幾個(gè)月的觀察中繼續(xù)向上隆起。

2012年開始對(duì)大壩進(jìn)行加固處理，到2013年7月完成了大壩加固處理竣工驗(yàn)收。通過近兩年的運(yùn)行和觀測(cè)，于2015年4月再次發(fā)現(xiàn)大壩沖刷閘室、檢修閘室門上方出現(xiàn)明顯裂縫；沖沙閘室與檢修閘室間胸墻有多條明顯裂縫，并能看到鋼筋明顯凸起；閘室迎水面胸墻、胸墻弧面有多條明顯裂縫，并能看到鋼筋明顯凸起，如圖4所示；沖沙閘門啟閉與去年比較有明顯發(fā)卡現(xiàn)象，檢修閘門基本無法關(guān)閉；溢流壩段下段施工縫及閘室外側(cè)原裂縫有少量滲漏；2016年5月發(fā)現(xiàn)左岸壩肩邊坡噴混凝土層局部有明顯錯(cuò)動(dòng)，泄洪沖沙閘的閘門無法正常啟閉。8月大壩溢流壩段交通橋再次出現(xiàn)斷裂隆起，如圖5所示。

3 首部樞紐變形與破壞原因分析

3.1首部樞紐監(jiān)測(cè)變形分析

根據(jù)首部樞紐壩肩邊坡的表觀變形以及壩體內(nèi)測(cè)斜孔多年的監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過分析，認(rèn)為大壩及邊坡現(xiàn)階段大部分測(cè)點(diǎn)表面水平位移呈線性增加，無明顯減緩趨勢(shì)，左岸岸坡及左岸壩體整體向右岸偏下游變形，右岸壩體向左岸相對(duì)較為穩(wěn)定。左岸岸坡的變形遠(yuǎn)大于右岸岸坡。大壩壩體受左岸山體的擠壓，呈現(xiàn)明顯的上抬趨勢(shì)，最大上抬量值出現(xiàn)在溢流壩段。深部測(cè)斜孔驗(yàn)證左岸山體及左岸壩體基巖存在一明顯的深部滑移帶，右岸岸坡深部滑移不明顯，存在岸坡表面變形調(diào)整現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)資料揭示壩體主要遭受左岸壩肩巖體向右岸變形的強(qiáng)烈擠壓而導(dǎo)致出現(xiàn)了上抬和錯(cuò)位等變形破壞現(xiàn)象。

測(cè)斜孔在上下游方向的變形基本在5 mm范圍內(nèi)，而左右岸方向位移一直隨時(shí)間在不斷增大，沒有收斂，從儀器安裝時(shí)間起，截止到2016年5月，最大位移已達(dá)到了27 mm左右。

3.2左岸邊坡地貌和變形分析

通過左岸邊坡的現(xiàn)場(chǎng)考察情況，左壩肩正上方蠻金二級(jí)公路兩橋之間路段，路面出現(xiàn)下沉。該部位可以觀察到滑坡后緣在高出路面約200 m處，滑坡地形地貌特征明顯；滑坡上游側(cè)邊界處出露有軟弱夾層(如圖6所示)。

油茶廠下側(cè)附近的老公路于1999年前后鋪成柏油路面，由于路面下沉，現(xiàn)填高1.2 m左右才恢復(fù)道路原設(shè)計(jì)縱坡(見圖7)。

通過左岸地表地形和變形的初步分析，大壩左岸存在一較大的變形區(qū)，推測(cè)的變形體邊界如圖8所示。

通過前述兩岸邊坡變形特征及監(jiān)測(cè)資料的分析，結(jié)合水庫蓄水后壩體的裂縫發(fā)展歷時(shí)情況，可以發(fā)現(xiàn)，兩岸岸坡特別是左岸可能存在的較大規(guī)模的蠕滑變形是誘發(fā)壩體裂縫發(fā)生和發(fā)展的主要誘因。以下將通過應(yīng)力變形數(shù)值分析手段，對(duì)左岸山體變形對(duì)大壩裂縫產(chǎn)生和變形破壞的誘發(fā)作用進(jìn)行分析。

4 數(shù)值模擬分析驗(yàn)證

4.1數(shù)值模擬思路

基于以上分析和認(rèn)識(shí)，在建立的三維數(shù)值分析模型中，主要考慮左岸壩肩巖體的蠕滑變形，分析左岸壩肩巖體的變形對(duì)壩體的影響，驗(yàn)證大壩裂縫是由左岸巖體變形所致的成因。主要思路為：

1)首先是確定左岸壩肩蠕滑巖體的滑裂面；2)基于確定的滑裂面，以及壩肩壩基巖體地質(zhì)條件和壩體結(jié)構(gòu)，建立三維數(shù)值分析模型；3)模擬大壩筑壩和蓄水過程，模擬筑壩過程和正常蓄水位工況下水庫水荷載對(duì)大壩和壩基的影響；4)在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值分析，模擬左岸壩肩巖體的蠕滑變形對(duì)壩體的影響，通過模擬結(jié)果評(píng)價(jià)左岸壩肩巖體變形對(duì)壩體變形的影響，與現(xiàn)場(chǎng)壩體變形觀測(cè)進(jìn)行分析，通過兩者的一致性對(duì)比，驗(yàn)證大壩裂縫的成因。

4.2岸坡變形模式判斷及模型建立

根據(jù)布置在大壩范圍內(nèi)測(cè)斜儀和壩肩灌漿平洞里的深孔多點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)結(jié)果分析基礎(chǔ)上，應(yīng)用邊坡穩(wěn)定分析程序(EMU)確定左岸開挖邊坡相應(yīng)最小安全系數(shù)的剪出口在坡角、剪入口在坡面較平緩處(高程)的滑裂面，最終確定了滑裂面位置。

根據(jù)以上變形模式的基本判斷，建立了壩體壩基及兩岸邊坡模型如圖9所示。

巖體和壩體采用理想彈塑性模型，摩爾庫侖屈服準(zhǔn)則。

根據(jù)《××××水電站首部樞紐工程安全評(píng)估及處理研究報(bào)告》，本報(bào)告三維數(shù)值模擬的材料參數(shù)取值見表1，其中左右岸坡巖體為Ⅳ類，其他部分巖體為Ⅲ類。

表1 模型材料參數(shù)值

4.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖10為數(shù)值分析中壩體裂縫與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)裂縫的對(duì)比圖，圖中，淺灰色和深灰色區(qū)域是模擬出的屈服區(qū)，黑線是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出現(xiàn)的裂縫。從圖中看出，除了在壩體左岸壩頭附近的屈服現(xiàn)象，在現(xiàn)場(chǎng)并無裂縫出現(xiàn)外，其他在現(xiàn)場(chǎng)壩體中出現(xiàn)的裂縫L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10，在三維數(shù)值分析中，模擬結(jié)果與實(shí)際情況都比較吻合。可以認(rèn)為壩體內(nèi)出現(xiàn)的裂縫成因基本可認(rèn)為是由于左岸巖體蠕滑變形擠壓壩體而形成。

5 結(jié)語

1)從現(xiàn)場(chǎng)壩體及左右岸地質(zhì)考察所看到的現(xiàn)象可知，左岸壩肩附近上側(cè)山坡的中高部位分布有大型滑坡體，現(xiàn)在仍處于解體變形階段，左壩肩巖體在上側(cè)山坡自重應(yīng)力作用下已出現(xiàn)蠕變(滑)現(xiàn)象，壩體遭受來自左岸壩肩巖體的強(qiáng)烈擠壓。2)通過三維數(shù)值模擬分析，通過筑壩、蓄水等整個(gè)過程的模擬，壩體沒有出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，表明壩體裂縫不是由水庫蓄水推力所致。3)采用降強(qiáng)方法模擬左岸壩肩巖體的蠕滑變形，結(jié)果表明，由于左岸壩肩巖體變形，在壩體內(nèi)出現(xiàn)了與現(xiàn)場(chǎng)壩體較為一致的裂縫分布情況，由此說明壩體內(nèi)出現(xiàn)的裂縫基本是由于左岸巖體蠕滑變形擠壓壩體而形成。

[1] 國家電力公司昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.××××水電站可行性研究報(bào)告[R].

[2] 陳祖煜，汪小剛.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理·方法·程序[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

Deformationandfractureanalysisondamofahydropowerstation

MaLi1DuanQingwei2

(1.ShiquanCountyWaterConservancyBureau，Shiquan725200，China；2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100048，China)

Since the head hinge completion of storage, the deformation and fractures on dam body are emerged and endangered the safety of dam. Although twice larger treatment are carried out, the problems are not solved throughly. In this paper, by the means of geological reconnaissance, analysis of topographic features, and monitor displacement, the causation of deformatoin and fractures on dam body eformation are researched. The result shows, that creep deformation of left bank slope cause large squeezing action, and because of which, the deformation and fractures on dam body are produced. Through the stress-deformation numerical simulation, resultes in agreement with actual situatioin are obtained and the conclusion is confirmed.

dam, deformation and fractrue, numerical sumulation

TV642

A

1009-6825(2017)26-0211-03

2017-07-02

馬 麗(1972- )，女，工程師