宋 彥 剛, 由 麗 華, 王 昆, 龍 選 明, 補 翔 成
(四川省紫坪鋪開發(fā)有限責任公司,四川 成都 610059)
汶川特大地震至今已有10年,紫坪鋪水利樞紐工程積累了大量的地震前后監(jiān)測數(shù)據(jù)。以往學者多利用監(jiān)測數(shù)據(jù)和概念化模型來研究施工期大壩變形趨勢及地震對大壩、高邊坡的變形影響[1-4],而在樞紐工程全局性的監(jiān)測分析研究方面較少。因此,通過對工程建設期以來的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析,探討地震對紫坪鋪水利樞紐工程的影響及當下樞紐工程的運行性態(tài)具有重要意義。
紫坪鋪水利樞紐工程位于岷江上游,是一座以灌溉和供水為主,兼有發(fā)電、防洪、環(huán)境保護、旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程,也是都江堰灌區(qū)和成都市的水源調(diào)節(jié)工程。水庫正常蓄水位高程877.00 m,汛期限制水位高程850.00 m,防洪高水位高程861.60 m,設計洪水位高程871.20 m,校核洪水位高程883.10 m,正常蓄水位庫容9.98億m3,防洪庫容1.664億m3,調(diào)節(jié)庫容7.74億m3,校核洪水位以下的總庫容11.12億m3,為不完全的年調(diào)節(jié)水庫。水庫控制灌溉面積約93.33萬公頃,水電站裝機容量4×190 MW,多年平均發(fā)電量34.17億kWh。根據(jù)樞紐工程的規(guī)模、效益及重要性,紫坪鋪水利樞紐工程屬大(Ⅰ)型工程。
水利樞紐工程由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪排沙隧洞、沖沙放空隧洞、引水發(fā)電隧洞和發(fā)電廠房等永久性建筑物組成。樞紐工程的主要擋水建筑物為Ⅰ級建筑物,按1 000年一遇洪水設計(流量8 300 m3/s),可能最大洪水校核(流量12 700 m3/s);發(fā)電廠房為2級建筑物,按100年一遇設計洪水設計,500年一遇洪水校核。擋水建筑物地震設計烈度為Ⅷ度,其余永久性建筑物地震設計烈度為Ⅶ度[5]。
樞紐區(qū)處于龍門山斷裂帶中央斷裂與前山斷裂之間,“5·12”地震前的歷史地震資料表明,工程臨近地區(qū)(40 km范圍)未發(fā)生強震,其最大地震為灌縣地震,距壩址5 km,震級為4.75級?!?·12”地震后,國家地震局將距震中17.7 km、距中央斷裂地表破裂垂直距離約為5.5 km的紫坪鋪水利樞紐工程壩址區(qū)的地震烈度進行了修正,地震基本烈度由原來的Ⅶ度提高到Ⅷ度。
紫坪鋪水利樞紐布置了較完善的監(jiān)測系統(tǒng),主要有四大類:
(1)大壩監(jiān)測,含大壩內(nèi)、外部變形監(jiān)測及混凝土面板應力應變、滲流、強震等監(jiān)測項目;
(2)高邊坡變形監(jiān)測,含引水發(fā)電洞進出口邊坡、泄洪排沙洞進出口邊坡、溢洪道邊坡等邊坡的變形監(jiān)測;
(3)地下洞室的結(jié)構(gòu)力學和水力學原形監(jiān)測、閘門及金屬結(jié)構(gòu)運行監(jiān)測,含泄洪排沙洞、沖沙放空洞、溢洪道、引水發(fā)電洞的塔體、隧洞結(jié)構(gòu)、高速水流等運行狀況監(jiān)測;
(4)水庫庫岸變形和左岸壩前堆積體監(jiān)測。
紫坪鋪壩為鋼筋混凝土面板堆石壩,壩頂高程884.00 m,壩頂寬12 m、長663.77 m,防浪墻高程885.40 m,最大壩高156 m。大壩分三期填筑,其上游壩坡為1∶1.4,下游壩坡在840.00 m高程上、下分別為1∶1.5與1∶1.4(見圖1)。大壩面板分三期施工,Ⅰ、Ⅱ期面板澆筑頂高程分別為高程796.00 m和845.00 m。面板頂部厚30 cm,底部厚83 cm,混凝土強度等級為C25。面板共有48條12.5 mm寬的垂直縫,其中中部壓縫29條,兩岸拉縫19條。面板與趾板間的周邊縫設有2道止水,寬12.5 mm。壩基趾板下設置有兩排防滲帷幕,下游排主帷幕最大深度102 m,深入基巖相對隔水層5 m以上;上游排副帷幕最大深度62 m,約為下游排副帷幕的0.6倍。
圖1 大壩分期填筑圖
大壩布置有較多的監(jiān)測儀器監(jiān)測壩體施工與后期運行性態(tài)。大壩的DAM0+251 m與DAM0+371 m斷面為壩體變形監(jiān)測斷面,埋設水平位移計與水管式沉降儀等儀器;在混凝土面板內(nèi)部埋設鋼筋計監(jiān)測面板鋼筋應力,埋設應變計監(jiān)測混凝土應力應變;在面板垂直縫埋設單向測縫計,面板周邊縫埋設三向測縫計,面板與墊層間埋設兩向脫空測縫計等監(jiān)測儀器;防浪墻頂部及壩后坡布置外觀監(jiān)測點監(jiān)測大壩外觀變形。除部分監(jiān)測儀器在“5·12”地震中受損外,其他儀器均正常運行,監(jiān)測儀器完好率84%?;炷撩姘寮鞍彘g縫、周邊縫的監(jiān)測儀器布置情況見圖2。
圖2 大壩面板監(jiān)測儀器布置圖
2.1.1 外觀變形
紫坪鋪大壩布置有外觀監(jiān)測點32個,其中壩頂防浪墻16個,壩后坡16個(見圖3)。監(jiān)測值正負號規(guī)定:X向與壩軸線平行,向左岸變形為正;Y向垂直于壩軸線,以向下游變形為正;Z向沉降變形,以鉛垂向下為正。目前,外觀監(jiān)測點均能正常運行。
2008年4月以前,大壩外觀監(jiān)測點受初期蓄水影響的變形特征為:靠近左岸的監(jiān)測點向右岸變形,Y4為最大變形量測點,其值為-34.4 mm;靠近右岸的監(jiān)測點向左岸變形,Y11為最大變形量測點,其值為33.0 mm;大壩中部的監(jiān)測點主要以向下游方向變形為主,在向下游向變形上,壩后坡較高高程監(jiān)測點的變形量大于較低高程監(jiān)測點,Y19為向下游向最大變形量測點,監(jiān)測值為99.9 mm;原河床段填筑的壩體沉降變形大于岸坡段填筑的壩體,最大沉降變形監(jiān)測點Y19的值為188.3 mm。地震前壩體的變形符合大壩變形一般的規(guī)律。
“5·12”汶川特大地震導致大壩變形明顯,統(tǒng)計分析地震前后的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其變形特征如下:靠近左岸的外觀點向右岸變形了150~270 mm,靠近右岸的外觀點向左岸變形量在50 mm內(nèi);靠近左壩間的觀測點向上游變形了0~200 mm,靠近右岸的外觀點向下游變形了250~350 mm;壩體沉降變形量在7.7~790.6 mm之間,較大沉降值集中在原河床段,最大值出現(xiàn)在Y7測點。
圖4與圖5分別為原河床斷面Y7、Y26觀測點的時間—位移曲線圖。分析圖4、圖5可知,2008年5月至2011年底,大壩的變形速率逐漸減小,累計位移的時間曲線趨于收斂;2012年后,壩體外觀監(jiān)測值趨于穩(wěn)定,并呈現(xiàn)周期性變化。2016年大壩外觀監(jiān)測點變化情況為:X向變形量在-7.1~6.7 mm之間,Y向變形量為-9.3~3.9 mm之間,沉降變形量為-5.6~4.0 mm之間。截至2016年12月,各監(jiān)測點累計位移變形情況見圖3。
圖3 大壩外觀測點布置圖
圖4 震后Y7的位移—時間曲線
圖5 震后Y26的位移—時間曲線
2.1.2 內(nèi)部變形
紫坪鋪大壩在0+251 m斷面的高程760.00 mm、高程790.00 mm、高程830.00 mm、高程850.00 mm高程與0+371 m斷面的高程790.00 mm、高程830.00 mm、高程850.00 mm高程布置有沉降儀和水平位移計監(jiān)測大壩內(nèi)部變形,分析監(jiān)測數(shù)據(jù)得到如下成果。
2005年10月至2008年4月,壩體變形由前期2 mm/月的緩慢勻速變形變?yōu)槭苁状涡钏绊懙?1.5 mm/天的快速變形,首次蓄水后,壩體變形又趨于緩慢(見圖6、圖7)。“5·12”汶川地震造成大壩水平與沉降變形明顯,大壩下游壩體變形大于上游壩體,較高高程壩體變形大于較低高程壩體(見圖8、圖9)。監(jiān)測資料顯示地震沉降變形最大的V25監(jiān)測點變形量為835.1 mm,水平位移變形最大的H26監(jiān)測點變形量為477.8 mm。2008年6月至2011年,壩內(nèi)監(jiān)測儀器受余震及災后重建施工影響有一定的變形。2012~2016年,壩內(nèi)沉降與水平變形趨于穩(wěn)定,其中沉降與水平變形監(jiān)測點受庫水位升降影響的年均變幅為15 mm與5 mm。2016年12月,沉降監(jiān)測最大值測點為V25,其監(jiān)測值為1 160.23 mm;水平監(jiān)測最大為H37測點,其監(jiān)測值為622.79 mm。
圖6 0+251 m斷面高程850 m高程監(jiān)測點沉降變形過程曲線圖
圖7 0+371 m斷面高程820 m高程監(jiān)測點水平位移過程曲線圖
圖8 0+251 m斷面沉降變形布置圖
圖9 0+251 m斷面水平位移分布圖
大壩面板安裝有鋼筋計、應變計、溫度計和無應力計各15支(套),分別布置于面板的4個監(jiān)測斷面(0+68 m、0+251 m、0+371 m、0+586 m);安裝有單向測縫計、三向測縫計各15支,除1支單向測縫計受地震影響損壞外,其余儀器均正常運行。
2.2.1 面板應力應變
地震前,面板鋼筋計應力監(jiān)測值為-106.13~5.11 MPa,鋼筋以受壓為主;地震后,鋼筋計測值變化了-14.56~9.12 MPa不等,變化應力遠小于鋼筋的可承受應力;2012~2016年,面板鋼筋應力已經(jīng)趨于穩(wěn)定并受庫水升降與溫度影響呈周期性變化(見圖10)。2016年12月,鋼筋計測值為-98.65~-4.13 MPa,經(jīng)換算測得面板混凝土應力小于10 MPa,此混凝土應力遠小于設計抗壓值,表明監(jiān)測點附近的面板混凝土不存在受壓破壞。面板混凝土應變受地震影響較小,目前監(jiān)測值已趨于穩(wěn)定并隨溫度呈周期性變化。
2.2.2 面板接縫變形
面板垂直縫主要為壓縫,而拉縫僅分布于左右壩肩近壩頂高程的面板條塊間。垂直縫變形受水荷載、壩體變形及溫度影響。初蓄期,垂直縫變形較大;運行期,垂直縫變形受氣溫與庫水位升降呈周期性變化。面板三向測縫計的X向變形代表面板與趾板的開合度,Y向為面板與趾板剪切錯動變形,Z向反應面板相對趾板的沉降。根據(jù)周邊縫所處部位的不同,周邊縫可分為河床段周邊縫與壩肩周邊縫。監(jiān)測成果顯示,施工期與初蓄期的河床段周邊縫以張拉沉降變形為主,X向變形的開合度增大明顯,Y向變形不明顯,Z向沉降變形較大,即施工期壩體沉降變形和初蓄期沉降變形及水荷載引起的變形;運行期變形趨于穩(wěn)定。紫坪鋪大壩周邊縫受地震影響較小,監(jiān)測顯示地震造成測值出現(xiàn)了小于5 mm的跳躍(見圖11)。
圖10 鋼筋計T8時間——應力曲線(2012-2015)
圖11 周邊縫Z3時間——位移曲線
大壩左右岸布置有9個繞滲孔監(jiān)測大壩的繞壩滲流,河床段壩基安裝有滲壓計監(jiān)測壩內(nèi)地下水位。繞滲孔地下水年變幅為1.52~7.59 m,庫區(qū)水位年變幅約為50 m,對兩者進行相關性分析,發(fā)現(xiàn)各繞滲孔與庫水位之間的相關性系數(shù)在0.345~0.509之間,呈中低度相關,說明左右壩肩的帷幕灌漿防滲體系運行良好。在相似庫水位下,地震后壩內(nèi)滲壓計的測值比地震前測得的水頭值增大約1.5 m,并與庫水位呈現(xiàn)正相關關系。
2006年10月30日,壩后量水堰監(jiān)測值為51.78 L/s,是地震以前時段的最大值,對應的水位高程為高程874.7 m。地震發(fā)生前,壩后量水堰滲流量為10.78 L/s,對應庫水位高程為高程828.7 m。地震后的第五日,壩后滲流量為15.98 L/s,對應的庫水位高程為高程831.4 m,分析認為地震對大壩滲流量的影響不大。災后重建修復后至2015年,壩后量水堰滲流量隨庫水位升降呈周期性變化,其監(jiān)測值小于50 L/s并滯后于庫水位2~3天。
紫坪鋪泄洪及引水發(fā)電建筑物內(nèi)安裝有鋼筋計、土壓力計、滲壓計、測縫計、應變計等儀器,除個別監(jiān)測儀器受地震影響損壞或監(jiān)測值不穩(wěn)定外,其余監(jiān)測儀器運行正常。
3.1.1 泄洪洞
地震前后鋼筋計應力監(jiān)測值變化量較小,均在10 MPa范圍內(nèi),后期鋼筋應力變化在一定程度上受氣溫影響較為明顯。目前鋼筋應力監(jiān)測值以受壓為主,壓應力最大達110 MPa,局部鋼筋受拉,拉應力小于15 MPa,鋼筋的拉(壓)應力監(jiān)測值均遠小于鋼筋的抗拉(抗壓)強度。土壓力監(jiān)測值顯示地震對其影響不明顯,目前,實際監(jiān)測值相對穩(wěn)定且較小。地震對泄洪洞內(nèi)安裝的滲壓計影響明顯,在靠近上游庫區(qū)側(cè)的滲壓計監(jiān)測值最大變化在100~300 kPa之間,靠近下游側(cè)的監(jiān)測值變化多小于20 kPa;地震后滲壓計水頭值逐漸消散,現(xiàn)在變化較穩(wěn)定,有一定的規(guī)律性。
3.1.2 沖砂洞
地震前后沖砂洞進水口的三向應變計、鋼筋計均有較為明顯的變化,但變化量級較小。地震對沖砂洞不同斷面的影響不盡相同,最為明顯的是對進出口段的影響稍偏大。震后至今,監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)且呈現(xiàn)出一定的周期性,說明目前沖砂洞圍穩(wěn)定,混凝土結(jié)構(gòu)受力較小。
3.1.3 溢洪道
鋼筋應力監(jiān)測值受地震影響較小,應力值突變量均小于±16 MPa,如今鋼筋計監(jiān)測值在-81.49~167.82 MPa之間。土壓力監(jiān)測值顯示,地震前后監(jiān)測值變化量在9.61~268.89 kPa之間,截止2016年12月,土壓力監(jiān)測值均小于500 kPa。側(cè)縫計在地震前后有一定變化,其中C5的變化量最大達10.05 mm,其他側(cè)縫計的變化量在3 mm以內(nèi)。滲壓計在地震期間變化量不大。
3.2.1 引水系統(tǒng)進水塔
地震前引水系統(tǒng)進水塔處的三向應變計監(jiān)測值集中在-470~-250 με之間,地震引起的變化量在-27.36~29.99 με之間,目前儀器測值趨于穩(wěn)定。土壓力計監(jiān)測值受地震影響較小,變化量在-629.25~109.49 kPa之間,目前各測點應力值在212.27~574.13 kPa之間,并隨庫水位升降呈周期性變化。地震造成進水塔底板測縫計監(jiān)測值變了0.1 mm,目前測縫計變形趨于穩(wěn)定,年均變幅在0.25 mm內(nèi)。受地震影響,鋼筋計監(jiān)測點的應力值變化了-19.37~8.19 MPa,目前監(jiān)測點應力值在-61.16~53.12 MPa范圍內(nèi),小于鋼筋的抗拉(壓)強度。
3.2.2 引水隧洞
地震前后三向應變計監(jiān)測值的變化量在-126.75~123.57 με之間,現(xiàn)在各點測值已趨于穩(wěn)定。鋼筋計應力變化較小,除1號引水洞RG14-1應力變化量為-55.36 MPa,其余各鋼筋計應力變化均在±60 MPa范圍內(nèi)。地震前后,4號引水洞P1滲壓計的監(jiān)測值變化148.41 kPa,其余各部位滲壓計變化均不超過50 kPa,震后一段時間,滲壓水頭值消散,分析認為地震造成巖體孔隙水壓力增大,隨時間推移水壓力逐漸消散。洞身測縫計監(jiān)測值受地震影響變化了0.2 mm,現(xiàn)各儀器測值趨于趨于穩(wěn)定。
3.2.3 廠房
地震對廠房鋼筋計應力影響較小,震后鋼筋計應力測值在±36 MPa范圍內(nèi),目前應力測值變化已趨于穩(wěn)定并在±42 MPa范圍內(nèi)。三向應變計受地震影響有一定的變化,變化量在-120.76~67.85 MPa之間,現(xiàn)已趨于穩(wěn)定。受地震影響,廠房滲壓計P7變化55.6 kPa,其余滲壓計變化量小于11 kPa。
紫坪鋪水利樞紐工程邊坡按部位分為泄洪洞進出口邊坡,引水系統(tǒng)進出口邊坡,溢洪道邊坡,左壩肩邊坡及左岸壩前邊坡。邊坡受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響,巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育,強度低,并且有斷層及層間剪切破碎帶穿過邊坡坡面。因此,工程采用了錨索、錨桿等邊坡支護措施。為有效的掌握邊坡在開挖及樞紐工程運行過程中的穩(wěn)定性,對已支護的紫坪鋪水利樞紐工程高邊坡安裝了鋼筋計、錨索測力計、多點位移計等監(jiān)測儀器。
左岸壩前堆積體距大壩618 m,前緣直達岷江,順坡長度約1 600 m,沿江寬300~870 m,平面面積1 km2。工程將施工圍堰修建于堆積體坡腳處,以起到“壓腳增穩(wěn)”的作用,并在堆積體上布置有測斜孔、滲壓計等儀器監(jiān)測堆積體的穩(wěn)定性。
4.1.1 泄洪洞進出口邊坡
地震前,1號泄洪洞進口邊坡位移計安裝時間早于該處錨索施工,其監(jiān)測值受錨索張拉施工影響呈負位移向坡內(nèi)運動;2號泄洪洞進口邊坡位移計安裝時間晚于該處錨索施工,且受帷幕灌漿影響,監(jiān)測值為正位移向坡外變形;坡體變形和錨索預應力損失主要發(fā)生在施工期,邊坡累計位移監(jiān)測量在-21.21~25.3 mm之間錨索;邊坡錨索應力損失率小于10%。受地震影響,除未被錨索支護部位的監(jiān)測點的位移量變化了22.2 mm,其他部位監(jiān)測值變形均小于1 mm;除1臺邊坡錨索監(jiān)測值增加了153.5 kN外,其余錨索預應力變化較小;說明在地震動荷載作用下,錨索對邊坡的支護效果好。地震后,泄洪洞進出口邊坡位移趨于穩(wěn)定,累計位移小于±30 mm,年變化量小于0.5 mm,錨索預應力測值趨于穩(wěn)定并具有一定的周期性。
4.1.2 溢洪道邊坡
溢洪道邊坡采用了錨索和錨桿支護。地震前,位移計累計監(jiān)測值均小于9 mm,邊坡變形較小。受地震影響,錨索加固段邊坡變形較小,位移變化量小于±4 mm,錨桿支護段邊坡變形加大,最大達26.6 mm,說明在地震動荷載影響下,錨索支護要優(yōu)于錨桿支護。地震后,邊坡累進性變形趨于穩(wěn)定,累計位移量小于30 mm,年均變化量在±1 mm以內(nèi)。
4.1.3 引水發(fā)電洞進出口邊坡
地震前,引水發(fā)電洞進出口邊坡的累計位移變形量小于87 mm,其反映出邊坡變形受錨索支護影響,在靠近錨索支護點的巖體變形量較小,遠離錨索點的巖體變形量較大。在地震動荷載作用下,邊坡位移變化量小于±12 mm,錨索應力有不同幅度的增加,其最大應力增量為90.4 kN,說明邊坡變形受到錨索抑制,錨桿應力變化較小。目前,邊坡位移計、錨索及錨桿應力均趨于穩(wěn)定,其中位移年均變幅小于±1 mm,錨索預應力損失值均小于15%,錨桿應力值小于±11 MPa。
4.1.4 其他部位邊坡
左壩肩邊坡與左岸壩前邊坡累計位移監(jiān)測值均小于5 mm,年平均變化量小于0.1 mm,表明邊坡穩(wěn)定。
堆積體測斜孔的A向為邊坡的臨空方向,B向為臨空向向右旋轉(zhuǎn)90°方向。地震前,各測斜孔位移變形量較小,基本趨于穩(wěn)定。地震發(fā)生后,測斜孔監(jiān)測值變化明顯,各孔孔口位移增量范圍大致為55~100 mm,局部可達196.72 mm,孔口累計位移矢量方向由原來的無明顯趨向變?yōu)檎鸷蟮内呄?34°;測斜孔在基覆界面有明顯的錯動,錯動位移最大達58.08 mm,位移矢量方向大致為157°方向,近似垂直于岷江走向。目前,測斜孔IN-2的孔口和基覆界面處的變化已趨于穩(wěn)定。
(1)地震前,紫坪鋪大壩的變形特征符合一般大壩的變形規(guī)律。地震使大壩產(chǎn)生明顯變形,經(jīng)災后重建修復,結(jié)合大壩變形、壩內(nèi)滲壓、壩后滲流等指標的分析,表明壩體變形趨于穩(wěn)定,大壩的防滲體系運行正常平穩(wěn)。
(2)泄洪及引水發(fā)電建筑物的應力應變監(jiān)測值均正常,未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在漸進性的拉(壓)破壞。
(3)高邊坡在地震動荷載作用下未發(fā)生較大變形,目前已趨于穩(wěn)定,說明邊坡支護設計合理、錨索預應力張拉標準科學,并且還反映出動荷載作用下邊坡錨索的支護效果要優(yōu)于錨桿。
(4)強震作用下,堆積體整體保持穩(wěn)定,其坡面最大位移為196.72 mm,基覆界面(潛在滑動面)的最大位移為58.08 mm,說明設計采用“圍堰壓腳”的方式來提高堆積體穩(wěn)定性是可行的。
(5)紫坪鋪水利樞紐工程經(jīng)受了汶川特大地震的考驗,運行性態(tài)良好,說明樞紐工程選址科學、設計合理、施工質(zhì)量優(yōu)良。
研究結(jié)果表明,地震只造成紫坪鋪水利樞紐工程局部的破壞,經(jīng)災后重建修復后,樞紐工程各建筑物運行良好。