梅山水庫(kù)連拱壩垂直位移監(jiān)測(cè)資料時(shí)空分析

余常新

(安徽省梅山水庫(kù)管理處，安徽 金寨 237300)

梅山水庫(kù)樞紐工程包括攔河壩、溢洪道、泄洪隧洞、泄水底孔、發(fā)電廠、壩后橋等。攔河壩由連拱壩、接拱重力壩和空心重力壩組成。壩軸線長(zhǎng)443.5m,東接溢洪道長(zhǎng)101.6m,總長(zhǎng)545.1m。連拱壩由15個(gè)垛和16個(gè)拱組成,從左向右依次編號(hào)為1號(hào)～16號(hào)。右岸重力壩長(zhǎng)16.00m,高18.4m,左岸重力壩長(zhǎng)26.7m,高18.4m。1958年初建成蓄水運(yùn)行。1962年11月右岸壩基發(fā)生基巖錯(cuò)動(dòng)及大面積漏水事故,1963～1966年放空水庫(kù),對(duì)大壩和壩基進(jìn)行了加固處理,于1993年開展了首次大壩安全定期檢查。2002年4月梅山水庫(kù)大壩經(jīng)大壩安全鑒定被評(píng)定為三類壩。2008～2010年實(shí)施了除險(xiǎn)加固,2016年11月開展了除險(xiǎn)加固后的首次大壩安全鑒定,被鑒定為“二類壩”。

1 垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況

梅山大壩垂直位移監(jiān)測(cè)始于50年代末,水準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)經(jīng)過2次改進(jìn),監(jiān)測(cè)精度大有提高,重點(diǎn)監(jiān)測(cè)線路有兩條，分別設(shè)在壩頂和壩下。壩頂從左向右分別為1號(hào)拱西至延長(zhǎng)壩段15個(gè)垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),壩下為4號(hào)垛至13號(hào)垛10個(gè)垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。共計(jì)25個(gè)垂直位移測(cè)點(diǎn)。由于篇幅的限制,下面著重分析1999～2018除險(xiǎn)加固工程前后20年,壩頂垂直位移時(shí)空變化規(guī)律,為分析方便,垂直位移以下沉為正、上抬為負(fù)。垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

2 垂直位移統(tǒng)計(jì)模型分析

2.1 統(tǒng)計(jì)分析模型

混凝土壩垂直位移主要受水壓、溫度以及時(shí)效等因素的影響。因此壩體位移由水壓分量、溫度分量和時(shí)效分量組成。對(duì)于連拱壩而言,拱筒和支墩在水壓荷載作用下,拱筒有拱梁效應(yīng),并會(huì)將此效應(yīng)傳遞給支墩。因此,壩垛任一點(diǎn)在水壓作用下產(chǎn)生的水壓分量取到水深的4次方,溫度分量是由拱筒和支墩溫度變化引起的壩垛位移。根據(jù)壩垛混凝土溫度資料分析可得,壩垛混凝土的溫度基本上達(dá)到了準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng),故壩體溫度變化主要取決于邊界溫度(水溫、氣溫),基本上呈年周期性變化。壩體溫度可用周期函數(shù)或邊界氣溫等因子表示。時(shí)效分量的原因極為復(fù)雜,它包括壩體裂縫、大壩加固引起的結(jié)構(gòu)變化,以及壩體混凝土和基巖的蠕變及基巖地質(zhì)構(gòu)造的壓縮變形等引起的不可逆變形等因素。時(shí)效位移一般在蓄水初期變化劇烈,其后漸趨平穩(wěn)。根據(jù)梅山大壩的特點(diǎn),并考慮初始值的影響,得到梅山大壩的垂直位移(x、y)的統(tǒng)計(jì)模型為:

δ=δH+δT+δθ

(1)

其中,δ為壩體位移;δH、δT、δθ為分別為水壓分量、溫度分量和時(shí)效分量。常用分析公式如下:

(2)

2.2 垂直位移統(tǒng)計(jì)成果分析

2.2.1 統(tǒng)計(jì)模型精度分析

2.2.2 各分量對(duì)垂直位移的效應(yīng)分析

為了定量分析和評(píng)價(jià)各分量對(duì)垂直位移的影響,用統(tǒng)計(jì)模型分離得到各分量。選擇具有代表性的典型時(shí)段2015年的垂直位移年變幅為例,2015年最大實(shí)測(cè)值及相應(yīng)分量統(tǒng)計(jì)如表1所列,從表1可見，① 溫度分量(δT)是影響壩頂垂直位移的主要影響因素,壩頂垂直位移所有測(cè)點(diǎn)都選上了溫度因子,垂直位移隨溫度的變化而變化,一般溫度升高,測(cè)點(diǎn)上抬,溫度下降,則測(cè)點(diǎn)下沉。但溫度變化對(duì)垂直位移的影響,隨區(qū)域不同而不同。壩頂垂直位移受溫度的影響較大,在2015年壩頂垂直位移年變幅中,除延長(zhǎng)段擬合較差(擬合值比實(shí)測(cè)值差55%)外,其余14個(gè)測(cè)點(diǎn)均擬合的很好,溫度分量約占89%～97%。②水壓分量(δH)對(duì)壩頂垂直位移有一定影響,庫(kù)水位升高時(shí),垂直位移下沉量加大,即水壓分量增大;水位降低時(shí),垂直位移下沉量減小,即水壓分量減小?？傮w而言壩頂垂直位移中水壓分量較小,在2015年壩頂垂直位移年變幅中,除延長(zhǎng)段(23%)外,水壓分量約占5%～10%;③時(shí)效分量(δθ)年增加量很小,垂直位移時(shí)效分量已基本趨于穩(wěn)定。在2015年壩頂垂直位移年變幅中,時(shí)效分量基本在10%以內(nèi)。

表1 壩頂垂直位移2015年年變幅及其各分量統(tǒng)計(jì)表 mm

3 壩頂垂直位移監(jiān)測(cè)資料時(shí)空分析

3.1 壩頂垂直位移的變化規(guī)律

圖2為庫(kù)水位和壩區(qū)氣溫過程線, 圖3和圖4為壩頂左右兩岸6個(gè)代表性測(cè)點(diǎn)2號(hào)、3號(hào)、9號(hào)、11號(hào)、13號(hào)、15號(hào)垛的實(shí)測(cè)過程線,由圖3及圖4可見:①各垛壩頂垂直位移的變化規(guī)律相近,受溫度變化影響較大,都呈年周期性變化。一般溫升時(shí)壩頂垂直位移減小,呈上抬趨勢(shì),溫降時(shí)壩頂垂直位移增大,呈下沉區(qū)勢(shì)。垂直位移的最大值一般出現(xiàn)在每年的12月～次年的2月份,最小值出現(xiàn)在6月～8月份。同時(shí)不同壩垛的壩頂垂直位移受溫度影響程度不同,由兩岸向河床壩段逐漸增大。水壓對(duì)壩頂垂直位移有一定的影響,庫(kù)水位升高,壩頂垂直位移增大;反之垂直位移減小。但總體而言,水壓對(duì)壩頂垂直位移的影響比溫度影響要小。②2010年除險(xiǎn)加固工程完工后,河床壩段壩頂垂直位移年周期性變化與除險(xiǎn)加固前變化不大,但加固后冬季壩頂沉陷量減小,夏季壩頂升抬量亦減小,說明除險(xiǎn)加固減緩了壩頂?shù)牟痪鶆虺两??？傮w上,壩頂垂直位移測(cè)值年周期性變化規(guī)律明顯,測(cè)值變化過程穩(wěn)定。

圖2 1999～2018年度庫(kù)水位、氣溫過程

圖3 1999～2018年壩頂左岸部分測(cè)點(diǎn)垂直位移過程線

圖4 1999～2018年壩頂右岸部分測(cè)點(diǎn)垂直位移過程線

3.2 壩頂垂直位移特征值分析

各測(cè)點(diǎn)1999～2018年的垂直位移極值及年變幅等分別統(tǒng)計(jì)如表2所列。由表2可以看出:①極值變化規(guī)律分析。各測(cè)點(diǎn)垂直位移極大值變化在-0.69mm～11.70mm之間變化,其中10號(hào)垛測(cè)點(diǎn)極大值最大為11.70mm(2008.1.16);延長(zhǎng)段的測(cè)點(diǎn)極大值最小為-0.69mm(2018.2.10)。 河床壩垛位移極大值均發(fā)生在月平均氣溫最低的1月份。重力壩及延長(zhǎng)壩或因混凝土溫度滯后氣溫時(shí)間不同而發(fā)生在2～4月份。河床中間壩垛極大值遠(yuǎn)大于兩岸壩垛。各測(cè)點(diǎn)垂直位移極小值變化在-3.0mm～-10.65mm之間變化,其中1號(hào)拱西的測(cè)點(diǎn)極小值最大為-3.0mm(2013.8.16);8號(hào)垛的極小值最小為-10.65mm(2013.8.16)。除延長(zhǎng)段外,其余壩垛極小值均發(fā)生在2013年8月份,各測(cè)點(diǎn)測(cè)值總體上較其他年份同期要上抬2.5mm～3.5mm。其原因主要是2013年7月水庫(kù)經(jīng)歷了一次短期洪水,一周內(nèi)庫(kù)水位由115.79m上升至122.70m,然后緩慢下降至115.71m,同時(shí)8月份月平均氣溫最高。該次洪水消退以后,壩頂垂直位移又恢復(fù)至歷年同期變化水平,河床中間壩垛極小值遠(yuǎn)小于兩岸壩垛。②年變幅變化規(guī)律分析。各垛壩頂垂直位移與其所處的位置不同其變化幅度也不同,東、西岸壩頂垂直位移年變幅相對(duì)較小,河床壩垛年變幅遠(yuǎn)大于兩岸,其原因主要是由于壩高影響,壩體高度越高,其壩頂垂直位移變幅越大;另外,壩體越高,下游面暴露于空氣中的部位越多,受氣溫變化影響越大,年變幅也就越大。③年均值變化規(guī)律分析。各測(cè)點(diǎn)位移最大年均值在-1.97mm～2.75mm之間變化,其中10號(hào)垛最大年均值為2.75mm(2018),延長(zhǎng)段最大年均值為-1.97mm(2008)。河床壩垛年均值大于兩岸。各測(cè)點(diǎn)位移最小年均值在-4.80mm～-0.17mm之間變化,其中延長(zhǎng)段最小年均值為-4.80mm(2012);10號(hào)垛最小年均值為-0.17mm(1999)。同樣河床壩垛年均值大于兩岸。

表2 1999～2018年壩頂垂直位移特征值統(tǒng)計(jì)表 mm

4 結(jié)論

通過分析得到的結(jié)論如下：

(1) 壩頂垂直位移受溫度影響較大。溫升時(shí)壩體上抬,溫降時(shí)則壩體下沉。如對(duì)應(yīng)2015年最大垂直位移年變幅時(shí),溫度分量約占90%以上;水壓分量對(duì)壩頂垂直位移影響較小,約占5%～10%。

(2) 時(shí)效值在壩頂?shù)拇怪蔽灰浦?時(shí)效分量年增加量(或減少量)已很小,時(shí)效已基本趨于穩(wěn)定。建議按一等水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求,對(duì)現(xiàn)有水準(zhǔn)測(cè)量線路中的測(cè)站、轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)置。開展監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào),提高水準(zhǔn)測(cè)量精度。建議按照規(guī)范(SL 766-2018),對(duì)梅山大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)鑒定,尤其是除險(xiǎn)加固工程結(jié)束后,開展一次水準(zhǔn)網(wǎng)校測(cè),再評(píng)價(jià)水準(zhǔn)網(wǎng)校核基點(diǎn)和工作基點(diǎn)的穩(wěn)定情況。適時(shí)利用新技術(shù),實(shí)現(xiàn)梅山水庫(kù)連拱壩垂直位移監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。