太平灣重力壩壩體水平位移異常變化成因分析

王 建，徐 瓊，荊 凱

(1.河海大學(xué) 水利水電工程學(xué)院，江蘇 南京 2100098；2. 遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110180)

0 引 言

變形監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測的重要組成部分，當(dāng)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)異常的變形時(shí)，通常表明大壩存在安全隱患或風(fēng)險(xiǎn)，必須加以重視。太平灣重力壩近二十年的位移變化總體上呈現(xiàn)出如下特征：河床壩段冬季向下游變形，夏季向上游變形，且總體為正值(向下游為正)；岸坡壩段則與之相反，冬季向上游變形，夏季向下游變形，且總體為負(fù)值。太平灣大壩所表現(xiàn)出的河床與岸坡壩段水平位移變形情況，與一般水工建筑物的變形規(guī)律有所不同，因此，該工程的水平位移規(guī)律具有一定的特殊性。

縱觀現(xiàn)有工程，也不乏出現(xiàn)變形異常的例子，如梅山壩3號(hào)和12號(hào)垛側(cè)向位移過大，李雪紅等[1]運(yùn)用時(shí)效分析、數(shù)學(xué)模型、有限元模型，定性定量、多方法多角度地綜合分析，解釋了是由溫度荷載、地形以及壩體結(jié)構(gòu)相互作用造成的。針對江埡大壩抬升過大的現(xiàn)象，王蘭生等[2]分析得到水庫蓄水變化造成的孔隙水壓力增高是主要原因，并判斷今后的升降變幅將逐漸減小。小浪底大壩的不協(xié)調(diào)變形[3]，則是由于不同區(qū)域的材料設(shè)計(jì)和力學(xué)性能沒有很好地匹配。

從目前大壩變形成因分析研究現(xiàn)狀可以看出，國內(nèi)外對于河床與岸坡壩段變形規(guī)律相反的研究涉及不多。這種異常變形是什么原因引起的以及對大壩有什么樣的影響，目前尚不清楚，所以本文對該異常變形成因進(jìn)行分析。研究成果不僅能認(rèn)識(shí)大壩結(jié)構(gòu)變形過程的成因和機(jī)理，為后續(xù)研究提供理論參考，還可為類似大壩變形分析提供指導(dǎo)性參考。

1 工程基本情況

太平灣水電站位于鴨綠江下游，水庫為日調(diào)節(jié)形式，死水位28.8 m，正常蓄水位29.5 m。樞紐建筑物由溢流壩(4號(hào)～32號(hào)壩段)、擋水壩(0號(hào)～3號(hào)、33號(hào)～61號(hào)壩段)、河床式廠房及變電站等組成，壩型為混凝土重力壩，壩全長1 185.5 m，最大壩高31.5 m，壩頂高程36.5 m。為監(jiān)測大壩變形，在壩頂設(shè)置真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)。垂線系統(tǒng)主要監(jiān)測水平位移工作基點(diǎn)位移、校測壩體水平位移。其中正垂線1條，布置在20號(hào)壩段；倒垂線6條，布置在0、3、20、33、61號(hào)壩段，共9個(gè)測點(diǎn)，目前均采用監(jiān)測自動(dòng)化。大壩平面圖與激光準(zhǔn)直布置系統(tǒng)見圖1。環(huán)境量過程線見圖2。

針對上述壩體水平位移異常變化問題，研究對象選取典型變形異常壩段進(jìn)行成因分析，分別為河床溢流壩段18號(hào)、河岸擋水壩段58號(hào)。圖3是18號(hào)、58號(hào)水平位移實(shí)測值過程線，其中2006年與2014-2015年實(shí)測資料有缺失。本文首先結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)特征、監(jiān)測系統(tǒng)布置，以及水文氣象、地形地質(zhì)、日照輻射等諸多條件，對異常變形的原因開展了定性分析與判斷；再結(jié)合有限元法數(shù)值模擬，定量論證該大壩異常變形的成因。

圖1 太平灣大壩立視圖與激光布置圖Fig.1 Taipingwan dam elevation view and laser plane layout

圖2 環(huán)境量過程線Fig.2 Environment volume process line

圖3 18號(hào)、58號(hào)壩段水平位移過程線(下游為正，上游為負(fù))Fig.3 Horizontal displacement process line of 18# and 58# dam section (downstream is positive, upstream is negative)

2 定性分析

針對太平灣河床與岸坡壩段變形異常的特點(diǎn)，結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)特征、監(jiān)測系統(tǒng)布置，以及水文氣象、地形地質(zhì)、日照輻射等諸多條件，對異常變形的原因開展了初步定性分析與判斷，具體如下：

①如果岸坡壩段與河床壩段溫度變形機(jī)制相同，那么必定是溫度荷載(如水溫滯后)或者是激光變形基點(diǎn)受深部地溫滯后等因素引起，但由圖5水溫過程線可知，水溫滯后氣溫的時(shí)間并不長(1個(gè)月左右)，因此不應(yīng)導(dǎo)致半年的相位差；而從激光準(zhǔn)值線的基準(zhǔn)點(diǎn)溫度滯后來看，目前尚沒有充分的依據(jù)(根據(jù)對地形地貌以及日照輻射影響等的分析)證明可能存在半年左右的相位差，因此，初步推斷是溫度對岸坡壩段與河床壩段變形的影響不同或兩者觀測方法上存在差異。

②如果是由于溫度對岸坡壩段與河床壩段變形的影響不同或兩者觀測方法上存在差異，那么根據(jù)現(xiàn)場的地形、地質(zhì)、水位條件以及變形觀測點(diǎn)的布置等因素，綜合分析原因如下：

一方面，河床壩段位于水下的上游壩面受氣溫影響相對較??；而下游壩段處于空氣之中，受氣溫變化顯著。因此其溫度變形的機(jī)制更多表現(xiàn)為：夏季，下游壩面升溫幅度大而上游壩面升溫幅度小，由此引起壩頂向上游轉(zhuǎn)動(dòng)，表現(xiàn)為向上游變形；冬季與之相反。另一方面，從河床壩段向岸坡壩段推進(jìn)，隨著壩基面逐漸提高，上游壩體在水下部分逐漸減少，岸坡壩段的上下游面總體均為直立面，且位于上游水位以上，因此溫度變形主要為熱脹冷縮的體積變形。激光準(zhǔn)直所在的測點(diǎn)表現(xiàn)為冬季由于混凝土溫降收縮向上游變形，而夏季由于混凝土溫升膨脹向下游變形，由此估算出溫度變幅如下：

Δu=±α·ΔT·S

(1)

式中：α為混凝土線膨脹系數(shù)，取1.0×10-5；ΔT為氣溫相對平均值變化，取20 ℃；S為激光準(zhǔn)直點(diǎn)距離壩頂中軸線的距離，取3 200 mm。

即由此產(chǎn)生的變幅約為0.64×2=1.28 mm，該數(shù)值激光準(zhǔn)直與實(shí)際觀測到的變幅相當(dāng)。由于激光準(zhǔn)值布置在壩頂下游側(cè)，因此岸坡壩段表現(xiàn)為冬季向上游變形，夏季向下游變形。由此可見，溫度場分布差異對河床和岸坡壩段變形的影響是不同的。

(3)對于河床與岸坡壩段變形數(shù)值相反，其原因有兩個(gè)方面：首先，河床壩段受庫水推力的作用，因此向下游變形，而岸坡壩段沒有這種變形。其次，激光準(zhǔn)直首次觀測(基準(zhǔn)值)時(shí)氣溫總體較高，平均大約22 ℃，高于年平均氣溫，因此加劇了岸坡壩段與河床壩段變形的差異，使岸坡壩段向上游變形更多，河床壩段向下游變形更多。

3 定量論證

由上面的定性分析可以看出太平灣水平位移變形呈現(xiàn)與氣溫相關(guān)的年周期性變化，因此本次計(jì)算主要考慮溫度場對壩體變形的影響，同時(shí)水荷載一并考慮。

3.1 計(jì)算模型

網(wǎng)格劃分的原則是靠近表面的2 m內(nèi)細(xì)分，便于邊界溫度傳遞分析；內(nèi)部網(wǎng)格可以較粗略。18號(hào)壩段有限元網(wǎng)格模型共20 229個(gè)節(jié)點(diǎn)、19 7201個(gè)單元。58號(hào)壩段有限元網(wǎng)格模型共28 732個(gè)節(jié)點(diǎn)、25 452個(gè)單元。網(wǎng)格模型如圖4。

機(jī)車無動(dòng)力回送中，由于其空氣壓縮機(jī)無電停止使用，此時(shí)必須開放機(jī)車無動(dòng)力裝置。無動(dòng)力裝置由：DE無動(dòng)力塞門、DER壓力調(diào)整閥、C2充風(fēng)節(jié)流孔、CV單向止回閥等部分組成。

圖4 典型壩段有限元模型Fig.4 Finite element model of typical dam

3.2 邊界條件及荷載

計(jì)算坐標(biāo)系為：X軸正方向順?biāo)髦赶蛳掠?；Y軸垂直于水流方向，向左岸為正；Z軸正方向豎直向上。位移約束條件：壩基底面XYZ三向全約束，側(cè)面法向約束。溫度邊界條件：按第三類邊界條件考慮，壩體表面與空氣接觸，溫度等于氣溫；壩體表面與庫水接觸，溫度等于庫水溫度。

太平灣有完備的氣溫實(shí)測資料，見圖2，為了減小計(jì)算量，模擬公式如下：

Ta=6.36-8.51sin(2πτ/365)-21.82cos(2πτ/365)

(2)

式中：Ta為氣溫，℃；τ為時(shí)間，月。

2011-2013年該水庫高程26 m處的實(shí)測水溫見圖5，并參考朱伯芳院士的研究成果[4]，通過MATLAB初步模擬并在有限元計(jì)算過程中微調(diào)，最終模擬公式如下：

T(y,τ)=7.07+4.75e-0.04y+12.17e-0.018y×

cos[2π/12(12τ/365-6.5-1.5+1.3e-0.085y)]

(3)

式中：T(y,τ)為水深y處在時(shí)間τ時(shí)的水溫，℃；y為水深，m；τ為時(shí)間，月。

圖5 水溫過程線Fig.5 Water temperature process line

3.3 參數(shù)反演

混凝土熱力學(xué)參數(shù)是準(zhǔn)確計(jì)算溫度場的前提，對于缺乏材料參數(shù)的老壩，有必要對其進(jìn)行參數(shù)反演。為了定量驗(yàn)證，以實(shí)測水平位移值與有限元計(jì)算值進(jìn)行對比，其中線膨脹系數(shù)會(huì)影響計(jì)算值的幅度，而導(dǎo)溫系數(shù)會(huì)影響相位，因此本文主要針對壩體的線膨脹系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)進(jìn)行反演。

有限元計(jì)算采用線彈性模型，壩身和閘墩采用混凝土C30，閘門和支臂采用普通碳鋼。相關(guān)力學(xué)熱學(xué)初參數(shù)見表1。

表1 主要材料初參數(shù)Tab.1 The main material parameters

線膨脹系數(shù)通過統(tǒng)計(jì)模型反演法得到。首先從原型監(jiān)測資料中分離出真實(shí)溫度分量δT，統(tǒng)計(jì)模型的表達(dá)式：

δ=δH+δT+δθ

(4)

其中，溫度分量表達(dá)式如下式，溫度分量過程線見圖6。

(5)

(6)

導(dǎo)溫系數(shù)反演則參照文獻(xiàn)[6]，假定多個(gè)不同的導(dǎo)溫系數(shù)ai，根據(jù)有限元可以得到多個(gè)ai～Δi之間關(guān)系的樣本點(diǎn)，采用最小二乘法擬合兩者之間的函數(shù)關(guān)系f(Δ)。壩頂實(shí)測位移相對于氣溫的滯后時(shí)間Δ，則真實(shí)導(dǎo)溫系數(shù)：

a=f-1(Δ)

(7)

經(jīng)反演，得到結(jié)果如下：線膨脹系數(shù)α=0.000 095 (1/℃)；導(dǎo)溫系數(shù)a=0.003 44 (kcal/kg/℃)。

3.4 論述分析

采用ABAQUS軟件模擬溫度、水壓、自重荷載。為了模擬隨時(shí)間變動(dòng)的水位和溫度，對其進(jìn)行二次開發(fā)，借助ABAQUS提供的用戶子程序DISP定義各分量步上下游壩面的溫度邊界條件，包括水溫、氣溫以及太陽輻射影響的情況。為了消除準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場的影響，溫度場計(jì)算時(shí)間取1986-2016年，共30 a；而為了減小計(jì)算量，變形計(jì)算時(shí)間僅取2014-2016年。

18、58號(hào)壩段溫度分量引起的水平位移的有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值比較曲線見圖6，氣溫最高時(shí)水平位移云圖見圖7，可以看出：18號(hào)壩段測點(diǎn)處高溫向上游變形，最小值為-0.57 mm；低溫向下游變形，最大值為5.07 mm，符合河床壩段真實(shí)的變形規(guī)律。從水平位移云圖7(a)可以看出最高溫時(shí)，壩段整體向上游變形，壩趾及壩頂位移最大。58號(hào)壩段選取靠近下游側(cè)激光軸線上的點(diǎn)，高溫時(shí)測點(diǎn)處向下游膨脹，最大值為0.10 mm；低溫時(shí)測點(diǎn)處向上游收縮，最小值為-1.13 mm；符合岸坡壩段真實(shí)的變形規(guī)律。從水平位移云圖7(b)可以看出最高溫 時(shí)，測點(diǎn)處位移幾乎為0，由于只考慮溫度影響且上下游面都處于空氣之中，所以位移呈對稱。

圖6 18號(hào)、58號(hào)壩段有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值比較曲線Fig.6 Comparing curves of finite element calculation results and measured values of 18# and 58# dam section

圖7 18號(hào)、58號(hào)壩段氣溫最高時(shí)溫度分量引起的水平位移云圖Fig.7 Horizontal displacement cloud map caused by temperature components at the highest temperature of 18# and 58# dam section

壩頂變形呈現(xiàn)明顯的周期性變化，河床和岸坡壩段的計(jì)算值特征基本與實(shí)測值相符，有限元模擬結(jié)果好。壩體實(shí)測變形特征可以在有限元計(jì)算成果中得到較好的反映。

4 結(jié) 論

本文首先對大壩河床與岸坡壩段異常變形的原因開展了定性分析與判斷，然后建立典型壩段三維有限元模型，對壩體變形進(jìn)行定量驗(yàn)證。得出結(jié)論如下：

(1)溫度荷載是河床與岸坡壩段年周期變形的關(guān)鍵荷載。

(2)河床與岸坡壩段的變形趨勢相反主要是由兩者溫度場分布差異引起的。河床壩段位于水下的上游壩面受氣溫影響相對較?。欢幱诳諝庵械南掠螇味?，受氣溫變化顯著。因此冬季下游壩面降溫幅度大于上游壩面，引起壩頂向下游轉(zhuǎn)動(dòng)，表現(xiàn)為向下游變形；夏季與之相反。而岸坡壩段的上下游均為直立面，都位于水位以上，因此溫度變形主要為熱脹冷縮的體積變形，由于激光準(zhǔn)值布置在壩頂下游側(cè)，因此岸坡壩段表現(xiàn)為冬季向上游變形，夏季向下游變形。又因?yàn)楹哟才c岸坡壩段受庫水推力的作用影響不同，以及首次觀測(基準(zhǔn)值)的氣溫偏高，加劇了岸坡壩段與河床壩段變形的差異。

綜上所述，壩體受荷特點(diǎn)不同以及觀測點(diǎn)布置在下游側(cè)導(dǎo)致河床與岸坡壩段在溫度變形機(jī)制的不同，使得二者的變形趨勢相反；初次觀測的溫度偏高加劇了兩者變形的差異。

□