高混凝土拱壩長(zhǎng)期安全運(yùn)行反饋分析

李 季,孔慶梅

(國(guó)家電投集團(tuán)青海黃河電力技術(shù)有限責(zé)任公司,青海 西寧 810016)

在國(guó)內(nèi)外水利水電工程領(lǐng)域,拱壩以其較高的穩(wěn)定安全性和經(jīng)濟(jì)性得到廣泛運(yùn)用。與同等級(jí)別的重力壩相比,拱壩體積較小、結(jié)構(gòu)輕巧,大大減少了筑壩所需混凝土方量;同時(shí)其自適應(yīng)能力強(qiáng),超載能力較大,能夠更大程度發(fā)揮壩基承載能力。全球范圍內(nèi)壩高200 m以上的大壩有一半以上是拱壩。新中國(guó)成立后,我國(guó)拱壩建設(shè)發(fā)展迅速。20世紀(jì)90年代末期,隨著白山、東風(fēng)、東江、龍羊峽、李家峽等一批100～200 m高拱壩的建成,我國(guó)拱壩設(shè)計(jì)和施工水平顯著提升;至1998年,四川省二灘拱壩建成,我國(guó)拱壩建設(shè)技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平;進(jìn)入21世紀(jì),錦屏一級(jí)、小灣、拉西瓦、溪洛渡、構(gòu)皮灘、大崗山等一批200～300 m特高拱壩成功完成建設(shè),至此,我國(guó)拱壩建設(shè)水平躍居世界領(lǐng)先地位[1]。隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng),高拱壩長(zhǎng)期運(yùn)行的安全問(wèn)題愈加得到重視。高拱壩長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,實(shí)時(shí)獲取大壩工作性態(tài)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常狀況,分析成因,并采取相應(yīng)措施保證大壩安全,是大壩安全運(yùn)行管理的重要內(nèi)容。對(duì)高拱壩和壩基進(jìn)行安全監(jiān)測(cè),并融匯多種理論和方法對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行正反分析,定量分析評(píng)價(jià)拱壩及壩基的安全狀態(tài),是保證高拱壩長(zhǎng)期安全運(yùn)行的重要手段[2-5]。此外,客觀、準(zhǔn)確地對(duì)高拱壩整體穩(wěn)定和安全性作出評(píng)價(jià),有利于把握拱壩的承載能力,在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中更好地發(fā)揮其性能[6-7]。一般而言,高拱壩整體穩(wěn)定和安全性評(píng)價(jià)常用的方法主要有地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法,通過(guò)分析運(yùn)行期壩肩、壩基及壩體內(nèi)部的應(yīng)力和位移分布情況以及其他相關(guān)物理和工程指標(biāo),研究拱壩長(zhǎng)期運(yùn)行期工作性態(tài)和可能存在的問(wèn)題,同時(shí)進(jìn)行拱壩極限承載力分析,對(duì)高拱壩整體安全作出評(píng)價(jià)。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)常被用來(lái)指導(dǎo)拱壩設(shè)計(jì),能夠直觀地呈現(xiàn)拱壩變形和破壞過(guò)程,但在高拱壩地質(zhì)模型試驗(yàn)中,材料非線性影響很大,為了反映大壩真實(shí)工作性態(tài),需要考慮各種非線性影響,因此,進(jìn)行拱壩的破壞試驗(yàn)時(shí),應(yīng)重視材料非線性的相似性模擬。拱壩極限承載力研究是高拱壩安全性評(píng)價(jià)的一種主要方法,也是拱壩整體安全性評(píng)價(jià)中較為重要的一項(xiàng)指標(biāo),工程中主要采用水荷載超容重方法進(jìn)行研究。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬均通過(guò)逐級(jí)加大拱壩上游面的水荷載,直至大壩最終喪失承載能力,在此過(guò)程中,研究高拱壩位移、應(yīng)力的變化規(guī)律以及裂縫(或塑性區(qū))的擴(kuò)展過(guò)程,通過(guò)壩體-壩基系統(tǒng)的一些關(guān)鍵性態(tài)變化,求出相應(yīng)的超載系數(shù)進(jìn)而評(píng)價(jià)拱壩的安全性。

黃河上游的李家峽三心圓雙曲拱壩是我國(guó)較早一批建成的高拱壩,壩高155 m,自1996年12月下閘蓄水以來(lái),至今已安全運(yùn)行20余年,在其長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,綜合運(yùn)用前述的相關(guān)手段,及時(shí)獲取大壩運(yùn)行性態(tài),對(duì)大壩整體穩(wěn)定和安全性作出評(píng)價(jià),并采取相應(yīng)措施,確保大壩安全運(yùn)行,取得了較為明顯的效果,可為我國(guó)高拱壩長(zhǎng)期安全運(yùn)行管理提供借鑒。

1 李家峽拱壩工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

李家峽水電站是黃河上游大型梯級(jí)水電站之一,屬大(Ⅰ)型一等工程,以發(fā)電為主,兼顧灌溉。樞紐工程由混凝土三心圓雙曲拱壩、左岸重力墩、左岸副壩、壩后雙排機(jī)廠房和兩岸泄水道等組成。拱壩基礎(chǔ)的地質(zhì)條件復(fù)雜,基巖由震旦系黑云更長(zhǎng)質(zhì)條帶混合巖及黑云綠泥石閃斜長(zhǎng)片巖組成,其間穿插有花崗偉晶巖脈,斷裂較為發(fā)育,主要有f20、F20、F26、F27、F32、F43、F50等斷層。壩址區(qū)主要斷層分布見(jiàn)圖1。壩址右岸山勢(shì)較高,山體雄厚,左岸為三面臨空的單薄山梁。壩址區(qū)基本地震烈度為7度,樞紐建筑物按8度設(shè)防。

圖1 壩址區(qū)主要斷層分布示意圖

水庫(kù)校核洪水位為2 182.6 m,設(shè)計(jì)洪水位為2 181.3 m，正常蓄水位為2 180 m,相應(yīng)庫(kù)容為16.5億m3。工程于1988年4月正式開(kāi)工,1996年12月26日下閘蓄水,2001年12月完成工程竣工安全鑒定。2008年、2014先后完成大壩安全首次定檢和第2次定檢,定檢結(jié)論均為正常壩。2002—2017年注冊(cè)登記均為甲級(jí)[8]。

1.2 工程特點(diǎn)

1.2.1 地形地質(zhì)特點(diǎn)

李家峽峽谷全長(zhǎng)5 km,壩址位于峽谷中段。河谷斷面呈“V”形,左岸岸坡約45°,右岸岸坡約50°,兩岸基本對(duì)稱(chēng),壩頂河谷寬高比約2∶1。壩址區(qū)巖體中斷層及裂隙按產(chǎn)狀分有7組,對(duì)工程地質(zhì)條件起制約作用的主要為前4組,分別為:第1組產(chǎn)狀NW300°～330°、SW∠40°～50°,力學(xué)性(性質(zhì))壓性、壓扭性(逆斷層),代表性斷層及裂隙f32、f33、f35、f20;第2組產(chǎn)狀NE60°～80°、NW(SE)∠75°～85°,力學(xué)性(性質(zhì))扭性、張扭性(平移正斷層),代表性斷層及裂隙F20、F50、F26、F27;第3組產(chǎn)狀NE15°～45°、NW(裂隙有SE)∠55°～75°,力學(xué)性(性質(zhì))張性、張扭性(正斷層),代表性斷層及裂隙F1、F28、F32、F67;第4組產(chǎn)狀NE15°～NW345°、NW(SW)∠8°～25°,力學(xué)性(性質(zhì))壓扭性(逆沖斷層),代表性斷層及裂隙F34、F82、F7。由于這些斷層裂隙結(jié)構(gòu)面的切割,兩岸存在突出的高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題,對(duì)左右岸壩肩抗滑、變形、滲漏穩(wěn)定均有重大影響。壩基巖體呈單斜構(gòu)造,走向與河流斜交,傾向上游偏右岸,傾角38°～55°。左岸壩肩巖體受到F34緩傾角斷層、F32橫河斷層、F26順河斷層、f18、f20、f24、f35、f33等為代表的層間斷層以及隨這些伴生的裂隙結(jié)構(gòu)面的切割。

1.2.2 壩體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

拱壩主體結(jié)構(gòu)為三心圓雙曲混凝土拱壩,壩頂高程為2 185 m,最大壩高155 m,厚高比0.29,壩頂軸線長(zhǎng)414 m,最大底寬45 m,壩頂基本厚度8 m,實(shí)際厚度10～21 m;分18個(gè)壩段。左岸2 157 m高程以上設(shè)有重力墩,左岸重力墩最大高度28.5 m,長(zhǎng)約57 m。左岸副壩在主壩上游為順?biāo)飨?壩高32.5 m,壩頂長(zhǎng)100 m,通過(guò)翼墻與重力墩連接。在7號(hào)壩段設(shè)有右中孔進(jìn)水口;15號(hào)、16號(hào)壩段分設(shè)有左底孔、左中孔進(jìn)水口。9號(hào)至13號(hào)壩段布置5條直徑為8 m的引水鋼管,采用壩后背管布置方式。

1.2.3 荷載特點(diǎn)

a. 水壓荷載。李家峽是一座日、周調(diào)節(jié)水庫(kù),受龍羊峽水庫(kù)調(diào)節(jié)的影響,水庫(kù)多年來(lái)水過(guò)程比較穩(wěn)定。1996年12月26日水庫(kù)下閘蓄水,先后經(jīng)歷了6次水位抬升過(guò)程,到2001年11月水位到達(dá)正常蓄水位,此后李家峽水庫(kù)基本在2 178～2 180 m高程運(yùn)行,2009年高水位原型試驗(yàn)之后,非汛期庫(kù)水位基本在2 180 m高程上下波動(dòng)運(yùn)行。水庫(kù)水位變化過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 水庫(kù)水位變化過(guò)程線

b. 溫度荷載。氣溫特點(diǎn):氣溫呈明顯的年周期性變化,每年7—9月氣溫較高,12月至次年3月氣溫較低,晝夜溫差較大;歷史最高日平均氣溫為29.5℃,最低日平均氣溫為-13.7℃,日平均氣溫年變幅在31.9～38.3℃之間。水溫特點(diǎn):2002年以后2 100 m高程以下庫(kù)水溫年變幅較小,處于穩(wěn)定狀態(tài)。水庫(kù)水溫的分布屬穩(wěn)定分層型,其變溫層的深度約為80 m。2 100 m高程以上,隨著高程的升高,水溫周期性年變化越明顯。

1.3 工程地質(zhì)問(wèn)題及處理情況

考慮近壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn),對(duì)大壩工作性態(tài)及安全度有影響的主要工程地質(zhì)問(wèn)題有:①左壩肩f20斷層上盤(pán)巖體的抗滑穩(wěn)定問(wèn)題,以及巖體模量降低后對(duì)壩體和壩基的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定的影響問(wèn)題;②河床F50～F20-1～F20之間軟弱破碎巖區(qū)的變形及對(duì)大壩應(yīng)力、變形的影響問(wèn)題,以及該區(qū)的集中滲漏和可能發(fā)生的滲透破壞問(wèn)題;③左岸F26、右岸F27斷層對(duì)壩肩巖體穩(wěn)定的影響問(wèn)題;④左岸F32、右岸F43斷層局部集中滲漏問(wèn)題;⑤兩岸變形不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題等。

工程建設(shè)時(shí)對(duì)壩基進(jìn)行了高壓固結(jié)灌漿和帷幕灌漿,設(shè)置了混凝土塞,對(duì)壩基開(kāi)挖形成了一個(gè)橫跨11號(hào)～13號(hào)壩段、水平面積約500 m2、深6 m的深坑。其他問(wèn)題處理情況具體為:①對(duì)左壩肩f20上盤(pán)巖體進(jìn)行了固結(jié)灌漿,利用固結(jié)灌漿孔設(shè)置入巖20 m深的3?32錨筋樁約1 000根,且布置了抗剪傳力洞和聯(lián)系洞。②F26斷層地表采用斷層槽,淺部采用混凝土置換墻,深部采用鋼筋混凝土置換系統(tǒng),以提高斷層影響帶的變形模量。③為提高f35斷層的變形模量,沿f35斷層面開(kāi)挖了3層平洞,利用相鄰高程兩層平洞沿f35斷層進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿。④為保證帷幕的完整性,在F32斷層和帷幕線交切部位,采用加密加強(qiáng)帷幕灌漿處理。⑤工程運(yùn)行中對(duì)左岸孤山頭新增裂縫、左岸重力墩裂縫、2 087 m高程揚(yáng)壓力較高、2 087 m高程軟弱帶等問(wèn)題做了相應(yīng)處理。

1.4 三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和超載加固

1.4.1 三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)

為了論證在復(fù)雜的地質(zhì)條件下李家峽大壩壩體和壩肩巖體在外荷載作用下的穩(wěn)定性和鑒定壩體和基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)的可靠性,探索壩體和基礎(chǔ)的安全度和破壞機(jī)制及相對(duì)超載儲(chǔ)備能力,在4個(gè)不同階段進(jìn)行了4次地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn),分析大壩破壞機(jī)制,并對(duì)其極限超載能力及加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

第1次在發(fā)包階段進(jìn)行(1989年),超載試驗(yàn)的安全儲(chǔ)備相對(duì)后3次高,壩體上游壩踵約在1.5Po時(shí)起裂(Po為正常水載),壩體的極限承載能力為8.5Po。

第2次在技術(shù)施工階段進(jìn)行(1997年2月),試驗(yàn)中巖體的地質(zhì)參數(shù)低于第1次,雖增加了地基處理措施,但巖體參數(shù)降低較多,其安全儲(chǔ)備下降較多,上游壩踵約在1.2Po時(shí)起裂,極限承載能力為3.5Po,為此提出需對(duì)左岸增加加固措施。

第3次在第2次的基礎(chǔ)上,在左岸壩肩下游貼坡角處及重力墩上各增加大噸位錨索(1994年4月),安全度有較大提高,上游開(kāi)裂在2.0Po才產(chǎn)生,極限承載能力為5.4Po,由于加固了左壩肩,下游面的豎向開(kāi)裂改成斜向拉裂,加錨效果明顯。

第4次在第3次的基礎(chǔ)上減少了錨索噸位,左壩肩下游貼角由48根減少為15根,重力墩錨索由47根減少為36根,試驗(yàn)結(jié)果表明其安全度比第三個(gè)低,但能滿足壩肩穩(wěn)定需求,其第一條裂縫是在2.0Po時(shí)產(chǎn)生,極限承載能力為4.5Po。

1.4.2 超載加固

在蓄水初期,鑒于壩址惡劣的地質(zhì)條件,根據(jù)初期蓄水大壩安全鑒定要求,進(jìn)行了一系列旨在提高大壩超載安全儲(chǔ)備的加固措施，主要有:對(duì)河床壩段斷層交匯帶在壩基廊道內(nèi)進(jìn)行中化—798化學(xué)灌漿;左壩肩下游新增加貼角混凝土1 210 m3,并布置了15根6 000 kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索,孔深最深達(dá)100 m;在重力墩上布置36根6 000 kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索,錨索孔深100 m、85 m、60 m,并覆蓋2.5 m厚混凝土;右岸1號(hào)壩段下游壩肩布置了29根3 000 kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索。

對(duì)超載加固處理前后三維有限元計(jì)算成果對(duì)比,效果明顯。通過(guò)加固措施的實(shí)施,使大壩、壩基及兩岸壩肩滿足了安全要求,具備了足夠的超載安全度,使大壩整體超載安全度提高到了4.5Po。處理前后三維有限元計(jì)算主要成果對(duì)比詳見(jiàn)表1。

表1 處理前后三維有限元計(jì)算主要成果對(duì)比

2 運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的典型現(xiàn)象

通過(guò)對(duì)李家峽大壩的運(yùn)行安全性態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9-12],大壩運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)壩基變形偏大、左右1/4拱變形不對(duì)稱(chēng)、左右2 087 m高程揚(yáng)壓力異常、地溫較高等典型現(xiàn)象。綜合考慮這些現(xiàn)象對(duì)大壩安全運(yùn)行的影響,并對(duì)其成因進(jìn)行分析,進(jìn)而采取了相應(yīng)措施,保證了大壩的安全運(yùn)行。

2.1 壩基變形偏大

李家峽大壩基水平位移主要采用倒垂線法進(jìn)行監(jiān)測(cè),分別在拱冠2 035 m高程、左右1/4拱2 087 m高程部位布設(shè)了倒垂線。表2為壩基位移統(tǒng)計(jì)表。庫(kù)水位蓄至正常水位時(shí),拱冠基礎(chǔ)累計(jì)水平位移約7 mm,左右1/4拱2 087 m高程部位累計(jì)水平位移量分別約為9 mm和11 mm,其增長(zhǎng)過(guò)程基本與蓄水位的上升相適應(yīng),2003年后拱冠基礎(chǔ)部位、左右1/4拱2 087 m高程部位有2～3 mm的趨勢(shì)增量。經(jīng)分析認(rèn)為:左1/4拱2 087 m至拱冠壩基至右1/4拱2 087 m范圍內(nèi)壩基存在變形偏大的淺層區(qū)域,引起壩基變形偏大。進(jìn)一步觀測(cè)表明,該變形基本趨于穩(wěn)定,對(duì)大壩安全性能影響不大。

2.2 左右1/4拱變形不對(duì)稱(chēng)

從表2中可以看出,庫(kù)水位蓄至正常水位時(shí),左右1/4拱壩基徑向位移量分別約為9 mm、11 mm,截至2018年4月左右1/4拱壩基徑向位移量分別約為11 mm、14 mm。

表2 壩基徑向位移 mm

表3為壩頂徑向位移統(tǒng)計(jì)表。從表3可知,庫(kù)水位蓄至正常水位時(shí),左右1/4拱壩頂徑向位移量分別為19.77 mm、30.38 mm,截至2018年4月左右1/4拱壩頂徑向位移量分別為22.42 mm、34.86 mm。圖3為左右1/4拱在不同工況下的撓曲線圖,圖中明顯反映出左右1/4拱變形處于不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。

表3 壩頂徑向位移 mm

圖3 不同時(shí)期的撓曲線

2.3 左右2 087 m高程揚(yáng)壓力異常

2002—2004年2 087 m高程左岸16號(hào)、17號(hào)和右岸6號(hào)壩段揚(yáng)壓力趨勢(shì)上升,揚(yáng)壓水位最高分別達(dá)2 128.48 m、2 126.48 m、2 141.08 m,揚(yáng)壓系數(shù)分別為0.39、0.35、0.51。揚(yáng)壓力出現(xiàn)異常后,采取了一系列的檢查、試驗(yàn)、分析、處理措施。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,揚(yáng)壓水位與庫(kù)水位相關(guān)性較好;通過(guò)揚(yáng)壓力聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)表明各孔之間水力聯(lián)系密切相關(guān),倒垂線測(cè)值反映該部位位移偏大,鉆孔檢查表明壩體與壩基膠結(jié)良好,但在壩基下存在巖體薄層破碎區(qū),經(jīng)過(guò)灌漿處理,2 087 m高程揚(yáng)壓力明顯降低,揚(yáng)壓系數(shù)均小于0.2,滿足設(shè)計(jì)要求。

自施工以來(lái)對(duì)壩基及兩岸滲流水共進(jìn)行了47次水樣化驗(yàn)分析工作。分析可知:①壩前庫(kù)水為弱堿性、微硬水;重碳酸鹽堿度比較大,不具有溶出性侵蝕作用;硫酸鹽含量不高,不具有此類(lèi)鹽類(lèi)侵蝕作用。②壩址滲流場(chǎng)地下水對(duì)于混合巖體和帷幕體等固相介質(zhì)有化學(xué)侵蝕作用,不同部位地下水的析鈣量存在差異;化灌材料的析出對(duì)帷幕防滲耐久性效果有不利影響,應(yīng)注意監(jiān)測(cè),及時(shí)采取措施。

2.4 地溫較高

河床部位壩基實(shí)測(cè)溫度在12～15℃,壩體封拱溫度自下而上為5.5～10℃。壩基溫度與封拱溫度偏差較大。

3 高水位原型試驗(yàn)

由于李家峽水庫(kù)水位抬升至正常蓄水位后水庫(kù)水位基本維持在高水位,波動(dòng)幅度不大,大壩未經(jīng)受反復(fù)加載、卸載過(guò)程。為了進(jìn)一步分析三心圓雙曲混凝土拱壩的加卸載特性,取得設(shè)計(jì)洪水位工況下的原型觀測(cè)資料,提前分析評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)洪水情況下大壩安全性態(tài)[13]。2009年利用拉西瓦下閘蓄水的有利時(shí)機(jī)和非汛期人為調(diào)控水庫(kù)水位(第1次試驗(yàn):2009年2月22日至3月11日,歷時(shí)17 d,期間水位最高為2 181.35 m,最低為2 174.55 m,落差為6.8 m。第2次試驗(yàn):2009年10月16日至11月16日,歷時(shí)31 d,期間水位最高為2 180.79 m,最低為2 178.25 m,落差為2.54 m),現(xiàn)場(chǎng)利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)大壩重要部位和重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行1次/小時(shí)的加密監(jiān)測(cè),提取可靠、有效的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),獲取大壩加卸載過(guò)程及設(shè)計(jì)洪水位作用下大壩壩體及壩基變形、滲流、應(yīng)力、應(yīng)變、接縫等監(jiān)測(cè)資料。應(yīng)用原型試驗(yàn)期間和運(yùn)行期的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行定性定量分析,建立數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行有限元計(jì)算、力學(xué)計(jì)算、綜合分析,評(píng)價(jià)大壩安全運(yùn)行性態(tài)。開(kāi)展大壩壩后裂縫成因、穩(wěn)定性、危害性分析評(píng)價(jià),采用左岸壩肩超載加固效果評(píng)價(jià),大壩安全快速評(píng)估、預(yù)控指標(biāo)確定等方法,建立李家峽大壩安全快速評(píng)估系統(tǒng),完善大壩安全監(jiān)控體系,分析評(píng)價(jià)大壩在高水位水位小幅波動(dòng)下大壩安全運(yùn)行性態(tài)。此外,通過(guò)對(duì)李家峽歷年水庫(kù)運(yùn)行情況分析研究,總結(jié)水庫(kù)運(yùn)行中水位變化的規(guī)律和水庫(kù)水位控制水平,提出水庫(kù)水位抬升方式,確定水庫(kù)非汛期運(yùn)行上限水位和水位運(yùn)行區(qū)間,研究提高水庫(kù)水位后的水能效益評(píng)價(jià)辦法,并對(duì)原型觀測(cè)試驗(yàn)期間和長(zhǎng)期運(yùn)行效益進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。通過(guò)研究得出:在非汛期提高水庫(kù)運(yùn)行平均水位不論從大壩安全角度考慮,還是從提高水庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益方面考慮,均為可行。此項(xiàng)目建立并完善了大壩安全評(píng)價(jià)體系,能夠快速評(píng)價(jià)大壩在高水位水位小幅變化下的安全運(yùn)行性態(tài),提高了大壩安全管理和大壩安全分析評(píng)價(jià)能力,大壩安全運(yùn)行處在可控和在控狀態(tài)。

4 運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)分析與反分析

4.1 有限元計(jì)算

為進(jìn)一步分析評(píng)價(jià)大壩的變形性態(tài),監(jiān)控大壩的運(yùn)行狀況,建立水平位移的混合模型,進(jìn)行拱壩的整體三維有限元分析[14]。

為模擬各種因素對(duì)壩體與基礎(chǔ)位移的影響,分析采用了4個(gè)有限元模型。模型1為整體不開(kāi)孔模型;模型2為整體開(kāi)孔模型(其有限元剖分見(jiàn)圖4),考慮左右泄水孔及其基礎(chǔ)混凝土、壩后背管和2 059 m高程鎮(zhèn)墩;模型3與模型2類(lèi)似,但為了模擬壩體混凝土的澆筑、封拱、蓄水過(guò)程,模擬了壩體橫縫,同時(shí)也模擬了左右泄水孔及其基礎(chǔ)混凝土、鎮(zhèn)墩與壩體之間的伸縮縫;模型4是在模型3的基礎(chǔ)上,模擬9號(hào)～13號(hào)壩塊引水鋼管上游側(cè)進(jìn)口處閘墩,以此分析閘墩對(duì)壩體位移的影響。

圖4 李家峽拱壩有限元剖分(模型2)

利用模型2,考慮2 080 m、2 110 m、2 140 m、2 170 m、2 180 m等共5組水位,水壓荷載共計(jì)算了5組工況。由有限元計(jì)算結(jié)果分析得出以下結(jié)論:①泄水孔及其基礎(chǔ)混凝土、背管、2 059 m高程鎮(zhèn)墩對(duì)壩體基礎(chǔ)位移影響較大。主要原因在于這些結(jié)構(gòu)剛度較大,特別是泄水孔基礎(chǔ)混凝土、2 059 m高程鎮(zhèn)墩剛度大,從下游側(cè)對(duì)壩體起了支撐作用,減小了壩體及其基礎(chǔ)的位移,在一定程度上對(duì)壩體起到了增穩(wěn)作用。②基礎(chǔ)位移較大主要在于基巖變形模量較小,基巖偏軟。實(shí)際上,基巖由表及里30 m范圍內(nèi),基巖變形模量在5GPa～8GPa左右。③所有計(jì)算位移與實(shí)測(cè)值表現(xiàn)出的變形規(guī)律完全一致。④ 6號(hào)和16號(hào)壩段徑向位移不對(duì)稱(chēng)的主要原因是右中孔及其基礎(chǔ)混凝土對(duì)壩體的支撐作用小于左側(cè)泄水孔及其基礎(chǔ)混凝土對(duì)壩體的支撐作用,這使得6號(hào)壩段的徑向位移大于16號(hào)壩段的徑向位移。

4.2 拱壩垂線水平位移的混合模型

為了進(jìn)一步分析大壩的位移變化規(guī)律,建立典型壩段(6號(hào)、11號(hào)和16號(hào)壩段)的混合模型。李家峽大壩變形主要受水壓(水深)H、溫度T以及時(shí)效θ的影響,因而大壩的任一點(diǎn)變形δ可表示成:

δ=fH(t)+fT(t)+fθ(t)

(1)

式中:fH(t)、fT(t)、fθ(t)分別為水平位移的水壓、溫度和時(shí)效分量。

(2)

由于δH是在假設(shè)壩體和壩基的力學(xué)參數(shù)(如假設(shè)Ec0和Er0)情況下求得的,因而有限元計(jì)算得的位移δH與實(shí)際測(cè)值fH(t)有差異,為此對(duì)式(2)進(jìn)行調(diào)整,同時(shí)考慮分析時(shí)段首次測(cè)值的影響,則

(3)

經(jīng)分析得到混合模型表達(dá)式為

式中:a0為常數(shù)項(xiàng);b1i、b2i、c1、c2為回歸系數(shù);t以天計(jì)的監(jiān)測(cè)位移時(shí)相對(duì)應(yīng)于初始監(jiān)測(cè)日的時(shí)間;t0為建模資料系列第1個(gè)監(jiān)測(cè)日到始測(cè)日的累計(jì)天數(shù);θ為位移監(jiān)測(cè)日至始測(cè)日的累計(jì)天數(shù)t除以100;θ0為建模資料系列第1個(gè)測(cè)值日到始測(cè)日的累計(jì)天數(shù)t0除以100。

混合模型的參數(shù)估計(jì):由式(4)看出，除參數(shù)X、c1、c2以外,水壓分量δH由有限元計(jì)算求得,溫度分量δT和時(shí)效分量δθ用統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算。根據(jù)最小二乘原理,可得到X、c1、c2、b1i、b2i。

選取上游水位2 180 m、2 170 m、2 140 m、2 110 m和2 080 m,用模型2計(jì)算壩體水平位移,由式(2)得壩體垂線測(cè)點(diǎn)處水平位移的水壓分量δH的表達(dá)式:

(5)

混合模型分析資料選用1996年12月13日—2007年10月16日的壩體垂線監(jiān)測(cè)資料。由式(4)的混合模型基本方程,結(jié)合李家峽大壩的具體情況,得到其壩體垂線測(cè)點(diǎn)位移的混合模型表達(dá)式為

利用式(6)對(duì)徑向和切向水平位移的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行最佳擬合,得到對(duì)應(yīng)各測(cè)點(diǎn)徑向和切向水平位移混合模型中的回歸系數(shù)及特征值。從模型回歸系數(shù)看出:除了11號(hào)壩段2 087 m、2 059 m、2 035 m高程測(cè)點(diǎn)和16號(hào)壩段2 087 m高程測(cè)點(diǎn)切向位移回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)小于0.8外,其余測(cè)點(diǎn)的徑切向位移的回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)均大于0.80,均方差較小,回歸模型的擬合精度較高,可用混合模型分離各個(gè)分量,并由此評(píng)價(jià)大壩的工作性態(tài),其分離結(jié)果與統(tǒng)計(jì)模型分離結(jié)果接近。主要成果如下:①?gòu)较蛩轿灰瓶傮w上呈年周期變化,低溫時(shí)壩體向下游位移;高溫時(shí)壩體向上游位移,這符合拱壩水平位移的一般變化規(guī)律。②切向位移受氣溫變化的影響顯著,呈一定的周期性變化。溫度升高,右岸6號(hào)壩塊向左岸位移,左岸16號(hào)壩塊向右岸位移;溫度下降,上述兩壩塊測(cè)點(diǎn)向兩岸位移。③壩體徑、切向水平位移主要受溫度變化的影響,約占總位移量的75%～85%左右,水壓分量約占總位移量的10%～20%;時(shí)效分量較小,約占5%左右。④在1997—2002年,壩前水位有3次較大的抬升,因此在此期間水壓分量影響較大,而后水位一直較穩(wěn)定,大壩徑、切向位移變化較為平穩(wěn),無(wú)明顯趨勢(shì)性變化。

綜上所述,李家峽水電站大壩壩體水平位移的變化規(guī)律總體上正常。

4.3 反演分析

4.3.1 壩體和壩基變模分析

在壩基力學(xué)參數(shù)反演計(jì)算中共用了22種材料模擬李家峽壩區(qū)內(nèi)的巖體、處理巖體、以及壩體材料的力學(xué)性能。以各種材料的變形模量為主,兼顧泊松比μ、線膨脹系數(shù)及徐變。由垂線監(jiān)測(cè)變位反饋分析力學(xué)參數(shù)[15]。從反演結(jié)果看,反演的壩體材料比設(shè)計(jì)壩體材料變模提高了50%,壩基巖體材料參數(shù)總體上有所提高,比原設(shè)計(jì)參數(shù)提高了30%～50%,而斷層材料的參數(shù)不敏感,基本沒(méi)有變化。

4.3.2 反饋仿真分析計(jì)算結(jié)果

a. 大壩及基礎(chǔ)位移對(duì)比。采用反演參數(shù)計(jì)算的拱端拱冠順河向位移略小于實(shí)測(cè)值,但比原設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算值更加接近實(shí)測(cè)值。

b. 壩體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比。采用設(shè)計(jì)參數(shù)和反演參數(shù)計(jì)算的拱壩特征應(yīng)力值可以看出:采用反演參數(shù)后,拱壩的基本受力格局變化不大。

c. 大壩及基礎(chǔ)點(diǎn)安全度和屈服區(qū)。正常工況:①整體點(diǎn)安全度,反演參數(shù)高于原設(shè)計(jì)參數(shù)。由于材料變模的提高,點(diǎn)安全度約提高10%～20%。②原設(shè)計(jì)和反演參數(shù)的點(diǎn)安全度表明,出現(xiàn)較低安全度的地方主要集中在建基面靠近上游的地方,最小處安全度為1.0,但結(jié)構(gòu)在正常工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。③大壩左右岸基礎(chǔ)點(diǎn)安全度基本對(duì)稱(chēng),采用反演參數(shù)計(jì)算結(jié)果,左岸在2 150 m高程附近略低于右岸,但整體都沒(méi)有出現(xiàn)屈服。④上下游壩面及基礎(chǔ)均沒(méi)有屈服區(qū)出現(xiàn)。超載工況:①超載過(guò)程中,反演參數(shù)下,上下游壩面及基礎(chǔ)各平切面上的點(diǎn)安全度都不斷減小,對(duì)應(yīng)的屈服區(qū)的面積較之正常工況下要大。②隨著水載的增加,屈服區(qū)不斷擴(kuò)大,左右岸拱端屈服面大于河床,左右岸開(kāi)裂屈服面積基本相當(dāng)。③在超載作用下左右拱端上下游面出現(xiàn)開(kāi)裂屈服。④反演參數(shù)的屈服區(qū)范圍都表明,在2倍水載的工況下,局部產(chǎn)生開(kāi)裂,進(jìn)一步增加水載,屈服區(qū)貫穿直至貫通破壞。⑤河床壩基受到F20、F50、F20-1及f20等交會(huì)切割,引起壩基巖體十分破碎,盡管反演參數(shù)對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了提高,但在大壩受力作用下,超載試驗(yàn)時(shí)荷載達(dá)到2Po后還是出現(xiàn)拉開(kāi)的趨勢(shì),在進(jìn)一步的超載作用下,產(chǎn)生屈服。

d. 河床建基面安全度計(jì)算。采用反演參數(shù)后河床在超載3Po前基本沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂屈服,說(shuō)明河床的加固處理措施效果明顯。

4.4 反饋分析

反饋分析的主要成果如下:①河床壩段斷層交匯帶,左壩肩、重力墩,右岸1號(hào)壩段下游壩肩采取了提高大壩超載安全儲(chǔ)備的加固措施。通過(guò)超載試驗(yàn),有限元計(jì)算分析,李家峽大壩超載設(shè)計(jì)是合適的。②泄水建筑物基礎(chǔ)混凝土和引水建筑物2 059 m高程鎮(zhèn)墩從下游側(cè)對(duì)壩體起到了支撐作用,在一定程度上對(duì)壩體起到增加穩(wěn)定的作用。③李家峽雙曲混凝土拱壩設(shè)計(jì)的整體剛度較大,壩后背管對(duì)壩體整體剛度影響很小。④壩基地溫、揚(yáng)壓力較高,基巖偏軟、變形模量偏小、基礎(chǔ)變形偏大,地質(zhì)條件較差時(shí),拱壩下游面支承作用非常重要。⑤左右1/4拱壩段變形不對(duì)稱(chēng),水壓、溫度等荷載作用下,壩體順河向位移較大,這與三心圓結(jié)構(gòu)、壩基地質(zhì)條件、壩后支撐作用以及壩體剛度有關(guān)。⑥壩體冬季和表面保溫,以及對(duì)廊道溫度進(jìn)行合理調(diào)控對(duì)大壩運(yùn)行極為有利。⑦基礎(chǔ)混凝土采用抗腐蝕配方,鉆孔檢查分析表明效果良好,硫酸鹽侵蝕不會(huì)對(duì)大壩安全構(gòu)成不利影響。⑧左1/4拱2 087 m至拱冠壩基至右1/4拱2 087 m范圍內(nèi)壩基存在變形偏大的淺層破碎區(qū)域,經(jīng)處理后不影響大壩的安全。⑨反演計(jì)算的混凝土彈模比設(shè)計(jì)的大,從變形可以看出,溫度接近時(shí)年度變形降低,壩的剛度增加,彈模增加。采用反演參數(shù)計(jì)算的拱端拱冠順河向位移略小于實(shí)測(cè)值,但比原設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算值更加接近實(shí)測(cè)值。

5 結(jié) 論

李家峽大壩安全運(yùn)行以來(lái),發(fā)現(xiàn)了諸如壩基變形偏大、左右1/4拱變形不對(duì)稱(chēng)、左右2 087 m高程揚(yáng)壓力異常和地溫較高等典型現(xiàn)象,通過(guò)高水位原型試驗(yàn)、安全監(jiān)測(cè)正反分析以及工程長(zhǎng)期實(shí)踐運(yùn)行發(fā)現(xiàn),李家峽大壩壩體水平位移變化規(guī)律總體正常,大壩運(yùn)行狀態(tài)良好,設(shè)計(jì)論證分析正常,大壩基礎(chǔ)經(jīng)處理后,滿足安全的要求,并具備了足夠的超載安全度。