江埡大壩運行期抬升變化趨勢分析

楊開華，柳亞新，劉 常，秦 朋

（1.湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖南 長沙，410000；2.長江水利委員會長江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所，湖北 武漢，430010）

江埡水利樞紐工程位于湖南省慈利縣境內(nèi)澧水支流溇水中游，下距慈利縣城57 km，是以防洪為主、兼有發(fā)電、灌溉、供水、航運、旅游等綜合效益的大（1）型水利工程。工程于1995年7月正式開工，1998年10月下閘蓄水，1999年11月3臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電，2003年1月通過全面竣工驗收。壩址控制流域面積3711 km2，大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高131 m，水庫設(shè)計正常蓄水位236 m，校核洪水位240.85 m，總庫容17.41億m3。

1999年9 月，水準(zhǔn)測量發(fā)現(xiàn)大壩及近壩山體產(chǎn)生了不同程度的抬升現(xiàn)象。由于壩體本身向上抬升的情況比較罕見，自發(fā)現(xiàn)江埡大壩抬升以來，已展開一系列關(guān)于此現(xiàn)象的研究。這些研究的主要觀點是水庫蓄水使承壓熱水含水層水頭增大，一方面導(dǎo)致上覆隔水層揚壓力增大，另一方面導(dǎo)致承壓熱水含水層中有效應(yīng)力減小，后者引起的含水巖層卸荷回彈擴(kuò)容是大壩抬升的主要機(jī)制[3]。筆者結(jié)合相關(guān)研究，分析自蓄水以來與抬升相關(guān)的監(jiān)測資料[4]，通過因子分析進(jìn)一步論證卸荷回彈擴(kuò)容機(jī)制的正確性，并給出關(guān)于大壩運行安全情況的結(jié)論。

1 工程地質(zhì)概況

江埡壩址位于一“U”形峽谷地段，谷寬70～95 m，兩岸山頂標(biāo)高700～800 m，左岸坡角40°～45°，右岸坡角50°～55°，地形比較對稱。壩址處基巖為二疊紀(jì)石灰?guī)r，壩線上游依次有泥盆紀(jì)砂巖、石英砂巖、志留紀(jì)砂巖、粉砂巖分布，大壩下游則有上二疊統(tǒng)硅質(zhì)灰?guī)r、頁巖、三疊紀(jì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r分布。壩址處為一橫向谷，巖層走向與河流流向近于正交，傾向下游偏右岸，傾角38°～40°，無順河斷層分布。兩岸基巖多裸露，邊坡尚穩(wěn)定，大壩主要持力層為二疊紀(jì)石灰?guī)r，巖石堅硬，強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。壩址的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)具有以下特點：

（1）壩址區(qū)分布地層具有隔水層和含水層交互分布的特點。

（2）由于巖溶含水層和上下相對隔水層相間分布，且橫河向分布，因此各巖溶含水層分別形成獨立的地下水滲流系統(tǒng)。壩址區(qū)上部和下部巖溶含水層層面溶隙發(fā)育，為地下水滲流的主要通道。地下水由岸坡向河床滲流排泄。

（3）壩基下分布有向下游傾斜、透水性良好的承壓熱水含水層，是江埡壩址的獨特地質(zhì)現(xiàn)象。D2y石英砂巖層為一向斜盆地深循環(huán)加溫承壓含水層，水源來自壩下游江埡向斜南東翼云臺觀組（D2y）地表出露的地區(qū)，高程700～1000 m。承壓熱水含水層（D2y）構(gòu)成江埡向斜下部地層，在向斜軸部最大埋藏深度約1800 m。承壓熱水滲徑總長約20～24 km，在溇水河谷江埡大壩上游涌出，出露高程120～126 m。

圖1 熱水含水層地質(zhì)構(gòu)造示意圖Fig.1 Geology of hot water aquifer

（4）大壩帷幕及與其下部相接的相對隔水層，在空間上形成一個朝向水庫的簸箕狀隔水體。

（5）建壩蓄水后，因地下水位抬高，水庫內(nèi)出露的D2y石英砂巖大面積被庫水浸泡。D2y厚173 m，且有順層斷層F2發(fā)育，除在壩基90 m深以下向下游傾斜分布外，在壩前160 m以上的上游河床及兩岸出露。河床兩岸形成陡峭山坡，岸坡巖體卸荷松動強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育。

2 監(jiān)測資料分析

2.1 監(jiān)測布置情況

自發(fā)現(xiàn)抬升現(xiàn)象以來，江埡大壩的監(jiān)測系統(tǒng)逐步增設(shè)完善。目前監(jiān)測項目主要包括：大壩及山體的垂直位移、壩體和壩基的開度、滲壓、滲流場的監(jiān)測。其中，為觀測垂直位移，在壩頂、廊道和上下游兩岸山體分別布設(shè)一等水準(zhǔn)網(wǎng)，監(jiān)測網(wǎng)在大壩下游右岸約1 km的較為穩(wěn)定部位設(shè)置2個工作基點，在大壩下游右岸500 m部位設(shè)置1個校核基點，水準(zhǔn)控制網(wǎng)定期聯(lián)測20 km以外的國家水準(zhǔn)點。截至2019年11月，壩頂、120廊道已分別復(fù)測51次、57次。

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.2.1 壩體抬升位移

在大壩的120廊道內(nèi)，BL4～BL8壩段埋設(shè)了7個一等水準(zhǔn)點（LD4-1～LD8-2）。為了解20年來抬升的整體趨勢，提取各測點的歷史最大位移，取當(dāng)前位移和2個10年期的總位移作為特征值，其統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 廊道垂直位移特征值統(tǒng)計（單位：mm）Table 1 Eigenvalues of verticaldisplacement of gallery

圖2 廊道垂直位移典型過程線Fig.2 Typical process line of vertical displacement of gallery

廊道抬升變化特征為：（1）廊道位移整體呈持續(xù)抬升的趨勢，抬升量逐年減小，但未完全收斂。2009～2019年期間變化量為1999～2009年期間變化量的4%～11%，可以看出廊道抬升變化量在近10年間已大幅度減小。（2）抬升與庫水位之間存在正相關(guān)的關(guān)系，尤其在抬升初期，抬升變化與庫水位的波動基本同步。但當(dāng)庫水位基本穩(wěn)定后，水位以外的因素對抬升的影響逐漸突出。（3）廊道各測點的位移以7號壩段為中心向兩側(cè)遞減，說明壩體中部的廊道抬升較為明顯。

發(fā)現(xiàn)抬升后，在壩頂沿壩軸線方向依次布置了12個水準(zhǔn)監(jiān)測點（BD01～BD12），于2002年6月21日首測，自建點起每次均與壩基廊道進(jìn)行聯(lián)測。整理數(shù)據(jù)得到壩頂垂直位移的特征值統(tǒng)計和典型過程線見表2和圖3。從表2和圖3可以看出：由于溫度對壩頂位移的影響相比廊道更為顯著，所以壩頂位移波動幅度較廊道大，壩頂抬升量也在逐年減小，總體趨勢與廊道相同，說明大壩抬升屬于整體變形。

表2 壩頂垂直位移特征值統(tǒng)計（mm）Table 2 Eigenvalues of verticaldisplacement of dam crest

圖3 壩頂垂直位移典型過程線Fig.3 Typical process line of vertical displacement of dam crest

為監(jiān)測壩區(qū)垂直位移，在大壩上下游兩岸、壩肩、壩趾布設(shè)一等水準(zhǔn)點共34個。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)左右岸的位移變化規(guī)律相似，其中左岸測點的垂直位移變化如圖4所示。左右岸山體垂直位移波動較大，與水位、溫度均有一定相關(guān)性，抬升量逐年減小，但并未完全收斂。左右岸山體變形整體分布基本表現(xiàn)為：靠近壩體、河流部位抬升量偏大，遠(yuǎn)離壩體、河流部位抬升量偏小，說明近壩山體的抬升與大壩的抬升具有一定的整體性。

圖4 左岸山體垂直位移過程線Fig.4 Process line of vertical displacement of mountain on left bank

2.2.2 其他監(jiān)測情況

除垂直位移外，其他監(jiān)測項目的成果揭示了以下結(jié)論：

（1）接縫開合度：受氣溫影響，且與溫度呈負(fù)相關(guān)線性關(guān)系，過程線呈周期性變化，開合度變化較小。壩體周邊部分接縫開合度變化平緩，已經(jīng)收斂。

（2）壩體滲流：絕大多數(shù)測點滲壓水位隨時間呈逐漸減小的變化趨勢，基本趨于穩(wěn)定，在同一高程上，靠近壩體上游側(cè)的測點滲壓水位較高，靠近下游側(cè)較低，滲壓水位分布符合一般規(guī)律。

（3）壩基滲流：壩基多年平均滲壓水位沿壩軸線的分布無明顯規(guī)律，河床溢流壩段基礎(chǔ)最高，右岸次之，左岸最低，具體分布與其滲流邊界條件有關(guān)。大部分壩基測壓管、滲壓計滲壓水位有較明顯的年周期變化。壩基防滲帷幕和排水效果良好，壩體及壩基總滲流量較小，在穩(wěn)定情況下與庫水位相關(guān)，整體上滲流量有逐漸緩慢減小的趨勢。

3 統(tǒng)計模型分析

3.1 模型建立

混凝土重力壩在水壓和溫度等荷載作用下，任一點產(chǎn)生位移δ，按其成因可分成主要的三部分：水壓分量δH、溫度分量δT和時效分量δt，即：

3.1.1 水壓分量

在水荷載作用下，大壩任一點產(chǎn)生的垂直位移由三部分組成，即庫水壓力作用下壩體本身產(chǎn)生的位移、壩基面變形引起的位移及庫水重力作用使壩基面轉(zhuǎn)動引起的位移。由壩工理論可知，庫水壓力作用產(chǎn)生的垂直位移δH與水深Hi（i=1，2，…，n，為冪次數(shù)）呈線性關(guān)系，即：

不同的壩型，n取值不同，江埡大壩是混凝土重力壩，n取3較為合適，垂直位移基準(zhǔn)值當(dāng)日的庫水位為基準(zhǔn)水位。

3.1.2 溫度分量

溫度分量δT主要是由壩體和壩基溫度變化引起的位移。大壩的溫度變化主要由埋設(shè)在壩體和壩基內(nèi)的溫度計測值反映。因此，根據(jù)溫度計布設(shè)情況，選用不同的溫度分量因子。由彈性理論分析可知，在變溫荷載作用下，大壩的任一點位移δT與各點變溫值呈線性關(guān)系，因此當(dāng)有足夠數(shù)量的溫度計時，可選用各溫度計的測值作為溫度分量的因子，即：

式中：bi為系數(shù)；Ti為第i支溫度計的變溫值；m為溫度計支數(shù)。江埡大壩在壩體內(nèi)部、壩基部位、近壩水域均埋設(shè)了溫度計，由于使用多年，多數(shù)溫度計已出現(xiàn)不同程度故障，數(shù)據(jù)系列不全。本次建模分析分別在上述部位各選擇1支數(shù)據(jù)系列完整的溫度計作為樣本。

3.1.3 時效分量

δH和δT是碾壓混凝土壩任一點的彈性位移分量，大壩在荷載作用下，除了彈性位移外，還會產(chǎn)生隨時間和荷載變化的時效位移?；炷林亓纬Ｓ脮r效模型為：

式中：c1、c2為系數(shù)；t為天數(shù)。

事實上，從分析時段開始時刻t1至任一時刻t，大壩所受荷載不斷變化，大壩整體在卸載時又存在蠕變的恢復(fù)。因此，在水壓等變化荷載作用下，時效位移用式（4）表示不夠全面，應(yīng)補(bǔ)充變化荷載作用下的時效位移部分，即：

式中：d1、d2為系數(shù)；k一般取1～2，在實例分析中k取2。

3.2 因子分析

本次模型分析分別在大壩廊道和壩頂各選擇4個測點進(jìn)行非線性回歸，各系數(shù)計算成果見表3，擬合過程線見圖5～6。由圖表可知，模型擬合結(jié)果良好，各測點復(fù)相關(guān)系數(shù)較高，均在0.95以上，說明所建模型是合理的。

圖5 壩頂垂直位移統(tǒng)計模型擬合過程線Fig.5 Fitting curve of vertical displacement of dam crest

圖6 廊道垂直位移統(tǒng)計模型擬合過程線Fig.6 Fitting curve of vertical displacement of gallery

使用主成分提取法分別對大壩壩頂和廊道部分測點進(jìn)行主軸因子分析，得到因子分析成果見表4。各測點的Bartlett檢驗均小于0.05的顯著度，因子分析的解即KMO度量均在0.5左右，說明變量之間存在一定關(guān)系，基本適合做因子分析。根據(jù)成分矩陣中最高荷載定義，因子在主成分上荷載越大，與主成分的聯(lián)系越緊。各測點水壓分量δH成分值均較低，溫度分量δT和時效分量δt成分值較高。

從廊道垂直位移變化過程線可看出，抬升主要發(fā)生在前3～5年，在該過程中，抬升量和庫水位有一定幅度的同步波動，但之后抬升大幅減小，抬升變化在數(shù)值上與庫水位相關(guān)性相對較弱。因此可以推斷，庫水位造成大壩抬升的彈性變形主要發(fā)生在庫水位上漲過程中，庫水位穩(wěn)定后，壩體抬升基本屬于衰減蠕變，在水壓荷載不發(fā)生大幅變化的前提下，溫度效應(yīng)的影響逐漸明顯，這與“江埡大壩抬升是地質(zhì)歷史積存應(yīng)變能釋放的過程[5]”相符。根據(jù)此理論，由于庫水位回落時已擴(kuò)容錯位的卸荷難以回歸原位，因此庫水位引起的升降幅度將日趨減小，該預(yù)測和監(jiān)測資料的分析結(jié)果一致，這也進(jìn)一步證明了擴(kuò)容抬升機(jī)制的正確性。

表3 廊道和壩頂垂直位移非線性回歸計算結(jié)果Table 3 Non-linear regression calculation results of vertical displacement of gallery and dam crest

表4 廊道和壩頂因子分析成果Table 4 Factor analysis results of verticaldisplacement of gallery and dam crest

4 結(jié)語

（1）目前江埡大壩的抬升雖然還未收斂，但抬升速度相比蓄水初期大幅減小，整體趨于穩(wěn)定[6]。

（2）廊道和壩頂垂直位移變化的因子分析結(jié)果表明，庫水位造成大壩抬升的彈性變形主要發(fā)生在庫水位上漲過程中，庫水位穩(wěn)定后，時間效應(yīng)和溫度效應(yīng)的影響更加明顯，這一現(xiàn)象進(jìn)一步驗證了孔隙水壓力增大引起巖層擴(kuò)容抬升機(jī)制的正確性。

（3）大壩變形、裂縫開合度、滲流滲壓監(jiān)測成果表明，抬升未危及大壩安全，江埡大壩整體仍處于安全運行狀態(tài)。