谷幅變形對拱壩工程安全影響案例分析及有關(guān)啟示

武明鑫，趙全勝

(水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京100120)

0 引 言

谷幅變形是指大壩壩址區(qū)庫岸發(fā)生水平變形的現(xiàn)象。由于拱壩是高次超靜定結(jié)構(gòu)，通過拱作用將水荷載傳遞到兩岸山體，壩體結(jié)構(gòu)受力對壩基變形極為敏感，相比于重力壩或當(dāng)?shù)夭牧蠅危确冃螌皦谓Y(jié)構(gòu)安全性的影響最大。在拱壩設(shè)計理論中，壩體結(jié)構(gòu)和壩基相互作用，其中壩體混凝土結(jié)構(gòu)主要處于彈性工作狀態(tài)，而壩基巖石從天然的平衡狀態(tài)將經(jīng)歷建設(shè)期大規(guī)模的開挖和工程蓄水期的快速加載，壩基在高應(yīng)力和滲流耦合作用下的受力變化機(jī)制十分復(fù)雜，常規(guī)的庫盆壓力、穩(wěn)定滲流模型等都難以預(yù)測和解釋其變形特征[1]。因此，綜合采用安全監(jiān)測、數(shù)值仿真、統(tǒng)計預(yù)測、工程類比等多種手段對拱壩谷幅變形開展研究，并分析其對拱壩結(jié)構(gòu)的安全影響，對于高拱壩初期蓄水及長期安全性評價具有重要意義。

我國較早就開始對高拱壩谷幅變形開展監(jiān)測工作，以監(jiān)測成果分析、數(shù)值模擬等為主要手段，對谷幅變形機(jī)理、變形過程、收斂趨勢，以及拱壩受力狀態(tài)和安全運(yùn)行影響等開展了全面研究。谷幅觀測方面，20世紀(jì)80年代起李家峽、二灘等工程就開始了較為系統(tǒng)的監(jiān)測工作[2-3]；廖年春等[4]對谷幅監(jiān)測手段和監(jiān)測成果的可靠性進(jìn)行了分析。谷幅變形機(jī)理方面，楊強(qiáng)等[5]對錦屏一級工程進(jìn)行研究，認(rèn)為兩岸巖體的滲流與飽水過程引起的巖體有效應(yīng)力下降可能是谷幅變形的主要原因；張國新等[6]、梁國賀等[7]分別用數(shù)值仿真和回歸分析的方法分析了庫水位、庫盆壓力、溫度變化、滲流場變化、巖體蠕變等不同因素與溪洛渡拱壩谷幅收縮的關(guān)系；Jiang等[8]通過分析溪洛渡水電站蓄水前后壩址區(qū)可能變化的水文地質(zhì)條件，認(rèn)為溪洛渡壩址深部陽新灰?guī)r在蓄水后冷卻與滲壓變化是導(dǎo)致河谷谷幅和庫盤變形的主要因素；Yin等[9]建立水熱交換模型，分析庫水對陽新灰?guī)r的冷卻作用，模擬溪洛渡拱壩谷幅收縮過程。拱壩安全性分析評價方面，張沖等[10]結(jié)合監(jiān)測成果與有限元數(shù)值分析評價了溪洛渡水電站蓄水初期拱壩工作性態(tài)；湯雪娟等[11]采用子模型法對谷幅收縮變形直接作用下拱壩受力狀況進(jìn)行了模擬；劉有志等[12]、楊學(xué)超等[13]對不同量值谷幅收縮作用對拱壩的影響進(jìn)行了預(yù)測。

本文針對谷幅變形對拱壩工程的安全影響進(jìn)行了案例分析，重點(diǎn)對工程的運(yùn)行情況和應(yīng)對措施進(jìn)行了討論，同時也提出了相關(guān)的建議。

1 谷幅變形對拱壩工程安全影響案例分析

1.1 瑞士Zeuzier拱壩

Zeuzier拱壩位于瑞士西南部Liene河上，最大壩高154 m，壩頂高程1 778 m，壩頂長256 m、寬7 m，壩底寬25 m。水庫正常蓄水位1 777 m，庫容約0.5億m3。Zeuzier拱壩于1957年完工。1978年，Rawil公路隧洞開始修建，隧洞距Zeuzier壩址垂直距離400 m、水平距離1 400 m。

Zeuzier拱壩在正常工作20多年后，1979年檢查時發(fā)現(xiàn)拱冠梁產(chǎn)生向上游變位，壩體上游面垂直縫張開、下游沿建基面出現(xiàn)裂縫，廊道內(nèi)也發(fā)現(xiàn)有裂縫。經(jīng)分析，認(rèn)為Rawil公路隧洞開挖過程中抽排了滲入隧洞的山體地下水，最大流量可能達(dá)到700～1 000 L/s，巖體水文地質(zhì)條件的巨大改變導(dǎo)致Liene河谷發(fā)生了沉降和橫向收縮變形。通過拱壩布置的監(jiān)測儀器，監(jiān)測壩頂發(fā)生的沉降達(dá)130 mm，河谷橫向收縮達(dá)75 mm，壩頂向上游變形達(dá)到125 mm。壩體發(fā)生了多條裂縫，其中開度大于1 mm的裂縫分布見圖1，最大張開15 mm[14]。

圖1 Zeuzier拱壩上下游壩面產(chǎn)生的裂縫(1980年12月)

為確保工程安全，Zeuzier拱壩放空了水庫。待河谷變形趨于穩(wěn)定后，1982年至1983年期間采用環(huán)氧樹脂灌漿方法對壩體裂縫進(jìn)行了修復(fù)，修復(fù)后分4個階段蓄水，至1988年Zeuzier拱壩才恢復(fù)正常運(yùn)行。圖2是壩頂?shù)刃较蛭灰茣r程，直至2000年壩頂徑向位移仍有緩慢向上游變形的趨勢，暫未達(dá)到穩(wěn)定[15]。

圖2 Zeuzier拱壩壩頂?shù)刃较蛭灰茣r程(向下游為“+”)

Zeuzier拱壩修復(fù)的投入和電量損失巨大，Rawil公路隧洞最后也被廢棄。瑞士在1990年代進(jìn)行Gotthard Base隧洞工程論證時，對山體排水引起河谷變形專門開展相關(guān)研究[16-17]。研究認(rèn)為，山體節(jié)理裂隙發(fā)育的情況下，隧洞開挖會對飽和巖體進(jìn)行排水，造成節(jié)理面上有效應(yīng)力增加、深部巖體裂隙壓縮，在一定范圍外的山體(山谷)表面，會引起張開或收縮位移。為確保隧洞沿線Nalps和Santa Maria拱壩工程的安全，采取了控制隧洞建設(shè)期間排水速率等措施，并對拱壩谷幅開展了監(jiān)測。

1.2 意大利Beauregard重力拱壩

Beauregard重力拱壩位于意大利西北部Aosta河谷，壩高132 m，壩頂高程1 771 m，壩頂寬5 m，底寬45.6 m。水庫正常蓄水位1 770 m，庫容約0.7億m3。水庫于1958年至1968年蓄水，蓄水期間左岸壩肩邊坡發(fā)生了向河谷的變形。監(jiān)測顯示，1970年至2008年左岸壩肩邊坡1 813 m高程累計水平位移200 mm，1 680 m高程累計水平位移120 mm[18]。

壩肩邊坡變形引起了壩體水平位移向上游的變化，壩體垂線監(jiān)測成果顯示，蓄水以來至2008年，拱冠梁位于壩頂高程1 771 m的測點(diǎn)向上游位移210 mm，而位于低高程1 664 m的測點(diǎn)水位位移幾乎不變(圖3)。

圖3 Beauregard拱冠梁徑向位移時程(向下游為“+”)

Beauregard拱壩受到左岸邊坡擠壓，上游面橫縫張開、下游面底部出現(xiàn)接近水平的裂縫，見圖4。雖然采取了限制水庫水位等措施，壩肩邊坡變形速率有所減小，但壩體受到的影響較為長期，混凝土裂縫仍在發(fā)展。通過對壩體進(jìn)行無損檢測，混凝土波速分布見圖5。Beauregard拱壩的破壞區(qū)域(波速小于3 km/s的區(qū)域)主要集中在下游中低高程建基面和壩趾附近。

圖4 Beauregard拱壩下游壩面開裂情況

圖5 Beauregard拱壩混凝土損傷區(qū)域

為確保大壩安全，1965年起B(yǎng)eauregard水庫水位由1 770 m降至1 730 m，1969年起進(jìn)一步降至1 710 m，2005年開始庫水位在1 700～1 702 m之間運(yùn)行。經(jīng)過進(jìn)一步安全評估和論證，認(rèn)為Beauregard大壩變形已接近破壞前的臨界狀態(tài)，2013年起對大壩進(jìn)行了拆除，壩頂高程由1 771 m降到1 720 m，拆除混凝土達(dá)16萬m3，拆除工程于2015年完工[19]。

1.3 廣東流溪河拱壩

流溪河拱壩位于廣東省從化市境內(nèi)，拱壩壩高78 m，壩頂高程240 m，頂寬2 m，底寬22 m。水庫正常蓄水位235 m，最低水位213 m，庫容約3.25億m3。

溪流河拱壩建成于1958年，水庫蓄水運(yùn)行后，大壩出現(xiàn)向上游方向的不可逆水平位移，左1/4拱位移較大，拱冠次之，過程見圖6[20]。大壩向上游的不可逆水平變形主要發(fā)生在每年夏季高溫低水位組合，至2000年左1/4拱累計變形達(dá)20 mm，拱冠累計變形16 mm。另外，觀測到大壩結(jié)構(gòu)縫出現(xiàn)0.2～1.4 mm的壓縮變形。經(jīng)系統(tǒng)檢查，混凝土裂縫主要分布在下游壩面，靠近左岸部分較多，以水平縫為主[21]。

圖6 流溪河拱壩變形過程線(向下游為“+”)

經(jīng)分析，河谷發(fā)生了較大范圍的變形對大壩產(chǎn)生擠壓可能是流溪河拱壩產(chǎn)生向上游位移的原因之一，但由于早期對谷幅變形影響認(rèn)識不深，沒有開展有針對性的監(jiān)測，未作為重點(diǎn)可能因素進(jìn)行研究分析。從1989年至1999年，在夏季高溫期間將流溪河最低庫水位控制在228 m左右，改善了壩體應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)進(jìn)一步檢查壩面裂縫深度沒有較大變化[20]。

1.4 國內(nèi)特高拱壩甲工程

甲工程為混凝土雙曲拱壩，最大壩高305 m，壩頂高程1 885 m，壩頂寬16 m，底寬63 m。水庫正常蓄水位1 880 m，庫容77.6億m3。工程左岸壩肩地質(zhì)條件較差，開挖過程中受卸荷影響產(chǎn)生了向河谷方向的變形；水庫蓄水后，左岸邊坡存在蠕滑變形，大理巖和砂板巖巖性分界(高程1 800 m)上部的巖體向河谷方向變形較大，下部巖體變形較小。

圖7為工程蓄水后下游1 930 m高程和1 730 m高程谷幅的變形過程。至2018年，高高程谷幅最大收縮變形約30 mm，從2016年第3個蓄水周期開始基本收斂；下游谷幅收縮變形值明顯小于上游，累計收縮變形不大于10 mm[22-23]。

圖7 甲工程谷幅變形(張開為“+”)

受左岸邊坡變形影響，拱壩弦長總體上呈縮短趨勢，至2018年6月大壩弦長壓縮總量3.40～17.6 mm，其中1 778 m和1 730 m高程弦長縮短量較大[22]。從2016年第3個蓄水周期起，弦長變形已基本穩(wěn)定，且水位上升伸長、水位下降縮短，符合一般規(guī)律。

拱壩水平徑向位移總體偏向下游，隨水位呈周期性變化，表現(xiàn)出與水位良好的相關(guān)性(圖8)。2015年達(dá)到第2個正常蓄水位以后，在同水位高程下壩體徑向變形基本一致，1 730 m高程徑向位移最大，約為43 mm，壩頂1 885 m高程徑向位移約為18 mm。采用拱梁分載法和有限元法模擬正常蓄水位條件下拱壩最大徑向位移，拱壩最大徑向位移分別為85.1 mm和92.3 mm。拱壩甲實測位移比計算位移偏小的原因，除特高壩分期蓄水導(dǎo)致壩體中上部開始監(jiān)測的時間滯后于水荷載加載時間外，經(jīng)分析谷幅收縮的影響也可能占偏差的30%左右[23]。

圖8 特高拱壩甲工程拱冠梁壩段徑向位移(向下游為“+”)

1.5 國內(nèi)特高拱壩乙工程

乙工程為混凝土雙曲拱壩，最大壩高285.5 m，壩頂高程610 m，正常蓄水位600 m，死水位540 m。工程2013年5月導(dǎo)流底孔下閘蓄水后，兩岸山體表現(xiàn)出向河谷的變形。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，壩址上游722 m高程谷幅測線變形量最大，至2019年5月累計收縮94.2 mm，壩頂附近谷幅測線累計收縮69.7 mm，變形過程見圖9。工程乙由水庫蓄水引起的谷幅變形具有變形范圍大、收縮量值大，沿高程、左右岸和上下游方向收縮量值基本均勻、對稱的特點(diǎn)[24]。

圖9 特高拱壩乙工程谷幅變形時程(張開為“+”)

谷幅收縮變形引起了拱壩受力變形工作性態(tài)的變化，包括壩體徑向位移向上游變形、垂直變形受限、拱向應(yīng)力增加等。根據(jù)垂線監(jiān)測成果，拱冠梁壩頂徑向發(fā)生累計向上游的變形(圖10)，蓄水前3年最大徑向位移向上游方向每年增量約5 mm，2017年向上游的累計位移達(dá)51.3 mm，2018年第4次庫水消落期拱壩徑向向上游位移基本穩(wěn)定，位移為52.7 mm。監(jiān)測結(jié)果也顯示壩體中低高程下游面切向(拱向)壓應(yīng)力呈增大趨勢，蓄水前4年最大拱向壓應(yīng)力累計增加約3 MPa，至2018年最大拱向壓應(yīng)力測值基本穩(wěn)定，在9.5 MPa左右(圖11)。

圖10 特高拱壩乙工程壩頂徑向位移時程(向下游為“+”)

圖11 特高拱壩乙工程拱向應(yīng)力時程(受拉為“+”)

綜合考慮乙工程壩體變形、應(yīng)力等變化和庫水位、谷幅收縮的關(guān)系，目前谷幅變形已趨于收斂，壩體應(yīng)力變形響應(yīng)和水位相關(guān)性較好，受谷幅變形的影響基本穩(wěn)定，拱壩工作狀態(tài)正常。

2 有關(guān)啟示和建議

(1)谷幅收縮變形可能由工程區(qū)滲流場變化(蓄水或排水)、開挖卸荷、巖體蠕滑等多種復(fù)雜因素引起，在收縮量級較大的情況下，可能造成拱壩結(jié)構(gòu)的損傷。高拱壩工程應(yīng)在設(shè)計階段充分考慮可能產(chǎn)生的谷幅變形影響，并在施工期盡早開展谷幅變形的監(jiān)測。對于發(fā)現(xiàn)的谷幅變形現(xiàn)象，應(yīng)分析其與特定的水文地質(zhì)條件、邊坡開挖、地下工程排水、水庫蓄水等因素的相關(guān)關(guān)系，并結(jié)合大壩監(jiān)測進(jìn)一步判斷其是否對拱壩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

(2)通過對二灘、小灣等高拱壩工程蓄水和運(yùn)行期壩體監(jiān)測成果的總結(jié)，工程蓄水后大壩徑向位移與水位相關(guān)性明顯，累計位移一般指向下游，運(yùn)行期表現(xiàn)出向下游的徑向變形逐漸增加的趨勢；蓄水期間大壩拱向應(yīng)力增加較為明顯，運(yùn)行期拱向應(yīng)力主要呈隨水位變化的波動狀態(tài)[23]。當(dāng)拱壩結(jié)構(gòu)受到谷幅收縮變形作用時，會表現(xiàn)出水平徑向位移偏向上游和拱向應(yīng)力的增加。從已有損傷破壞的工程案例可知，受谷幅變形影響拱壩的損傷破壞形式主要是上游面橫縫張開、下游面建基面附近和壩趾開裂，且該損傷破壞過程可能會持續(xù)相當(dāng)長的時間，對大壩安全的影響巨大。

(3)從流溪河拱壩運(yùn)行經(jīng)驗分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)大壩發(fā)生了向上游方向的水平時效位移后，在夏季高溫期間對水庫最低水位進(jìn)行了控制，有效改善了壩體應(yīng)力狀態(tài)，壩體裂縫沒有進(jìn)一步發(fā)展。而Beauregard拱壩因長期處于較低水位運(yùn)行(非正常工況)，大壩受力狀態(tài)差，再加上邊坡擠壓作用，混凝土損傷狀態(tài)不斷惡化，最終只好采取了降低壩高的拆除措施?？梢妷吻暗退皇枪皦问芄确冃斡绊戄^大的工況，如有條件可以提高水庫最低運(yùn)行水位，這樣可一定程度上改善大壩受力狀態(tài)，降低谷幅收縮影響。

(4)對谷幅變形機(jī)理的科學(xué)研究是認(rèn)識谷幅變形影響的基礎(chǔ)，大壩安全監(jiān)測是掌握結(jié)構(gòu)工作性態(tài)的重要手段。各工程由于水文地質(zhì)條件的不同，誘發(fā)谷幅變形的影響因素和變形特點(diǎn)各不相同，拱壩結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的變形受力狀態(tài)響應(yīng)也不盡相同。采取監(jiān)測、檢測、試驗和仿真等多種手段，確定谷幅變形的范圍，分析相關(guān)因素、預(yù)測變形量值，并復(fù)核結(jié)構(gòu)安全，對于判斷工程安全和采取相應(yīng)措施是必要的。同時，鑒于谷幅變形影響的長期性，也需根據(jù)監(jiān)測資料的延長持續(xù)進(jìn)行分析、修正，監(jiān)測工程運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié) 語

為充分認(rèn)識谷幅變形對拱壩的安全影響，本文收集了國內(nèi)外受到谷幅變形影響的拱壩案例，包括瑞士Zeuzier拱壩，意大利Beauregard重力拱壩，國內(nèi)流溪河拱壩和2座特高拱壩工程，對這幾座拱壩的運(yùn)行情況和應(yīng)對谷幅變形的措施進(jìn)行了分析和討論。綜合這些工程案例，本文建議高拱壩工程建設(shè)應(yīng)盡早開展谷幅變形相關(guān)監(jiān)測，對出現(xiàn)的谷幅變形需開展相關(guān)機(jī)理研究，同時應(yīng)結(jié)合大壩安全監(jiān)測資料、采用多種方法分析谷幅變形對拱壩的安全影響，并可采取提高水庫最低運(yùn)行水位等措施改善大壩受力狀態(tài)，避免谷幅變形對拱壩造成損傷。