烏江渡水電站壩體接縫變形監(jiān)測分析

馬傳彬，文富勇,2

(1.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司,長沙 410014；2.水資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室,長沙 410014)

0 前 言

拱形重力壩是指在平面上稍拱向上游的重力壩,其壩軸線曲率小、半徑大，可利用拱的作用在一定程度上提高壩的超載能力或潛在安全度，一般運用于地形地質(zhì)并不完全適用于修建拱壩但又要求重力壩有較大安全潛力的情況。該類壩型的設(shè)計計算既要按照重力壩進行應(yīng)力和穩(wěn)定分析，也要按照拱壩進行校核計算，以便進行比較了解其潛在能力[1]。變形監(jiān)測是大壩結(jié)構(gòu)形態(tài)和安全狀態(tài)最直觀、最有效的反映[2]。壩體接縫變形作為混凝土拱形重力壩安全穩(wěn)定的重要監(jiān)測效應(yīng)量，其工作性態(tài)對驗證壩體是否滿足設(shè)計要求及指導后期運行具有重要意義[3]。

目前，國內(nèi)關(guān)于混凝土壩接縫變形監(jiān)測資料分析的方法主要為監(jiān)測資料初步分析和監(jiān)測數(shù)學模型相結(jié)合的方式。其中常用的監(jiān)測數(shù)學模型主要針對單個測點單種效應(yīng)量而建立的監(jiān)測統(tǒng)計模型[4]、監(jiān)測確定性模型和監(jiān)測混合模型,這3類單測點監(jiān)測數(shù)學模型屬于傳統(tǒng)監(jiān)測模型，已在實際工程中得到檢驗，應(yīng)用效果良好。本文以烏江渡水電站混凝土拱形重力壩為例，通過監(jiān)測資料初步分析和統(tǒng)計模型分析成果相結(jié)合、單測點分析和多測點綜合對比分析相結(jié)合，對壩體接縫變形工作性態(tài)進行了分析評價，為混凝土拱形重力壩日常觀測與維護提供參考。

1 工程概況

烏江渡水電站攔河大壩為混凝土拱形重力壩，壩頂高程765.00 m，最大壩高165.00 m，壩頂弧長394.6 m，設(shè)計正常蓄水位760.00 m，死水位720.00 m。大壩最大底寬119.50 m，高程708.00 m以下的壩體橫縫通過接縫灌漿形成拱形整體，上部57 m高的壩體為單塊穩(wěn)定的重力壩，自右向左共分17個壩塊，最大壩寬23 m。河中4～14號壩段壩軸線半徑為500 m，中心角26°36′的圓??；右岸1～3號壩段圓弧半徑為80 m，左岸15～17號壩段為直線等寬壩段。烏江渡水電站于1970年開工，1971年截流，1979年11月水庫下閘蓄水，同年底第一臺機組并網(wǎng)發(fā)電，1982年3臺機組全部投產(chǎn)，1983年工程竣工驗收移交生產(chǎn)。2008年完成大壩的第三次定期檢查專家組意見認為，大壩及基礎(chǔ)運行情況正常，壩體結(jié)構(gòu)完整，變形規(guī)律未見異常[5]。

2 壩體接縫變形監(jiān)測儀器布置

混凝土拱形重力壩壩內(nèi)設(shè)有橫縫和4道縱縫，橫縫將壩分為20個壩段，4道縱縫將斷面分為5個澆筑倉面。為便于壩體應(yīng)力傳遞，保證廠房、大壩混凝土的整體性，對縱縫及高程708.00 m以下的橫縫進行了灌漿，并埋設(shè)了一系列測縫計共計79支，監(jiān)測縫隙的開合情況。具體埋設(shè)部位：8號壩段的縱縫及與7、9號壩段連接的橫縫；4號壩段的縱縫及與5號壩段連接的橫縫；13號壩段的縱縫；10號壩段的縱縫及與11號壩段連接的橫縫；混凝土與基巖的接合面；廠房壩段分縫面；右岸防滲墻和右泄洪洞懸掛體的結(jié)構(gòu)縫。

壩體高程680.00 m拱圈接縫變形監(jiān)測儀器平面布置見圖1，8號壩段接縫變形監(jiān)測儀器布置見圖2。

圖1 高程680.00 m拱圈接縫變形監(jiān)測儀器平面布置 單位：m

圖2 8號壩段接縫變形監(jiān)測儀器布置 單位：m

3 監(jiān)測資料可靠性分析

3.1 監(jiān)測基準值的選取

根據(jù)電廠提供原始監(jiān)測資料及大壩歷次定檢監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價成果，壩體測縫計監(jiān)測布置及監(jiān)測基準值選取時間詳見表1所示。

表1 壩體測縫計布置考證表及基準值選取時間統(tǒng)計

3.2 監(jiān)測資料的可靠性分析

由于監(jiān)測原始數(shù)據(jù)本身存在不可控誤差，對于日變形量較小的變形基體，會使相鄰監(jiān)測期內(nèi)出現(xiàn)一種周跳、往復的虛假的變化軌跡[6]。因此，在對監(jiān)測資料進行定性分析之前，首先對壩體各監(jiān)測部位的測縫計測值進行可靠性分析。通過對時程變化過程線分析可知：

(1) 部分壩段測縫計人工觀測資料中，其接縫開合度測值出現(xiàn)“尖點型”突變，且變幅較大。以圖3、4所示測點為例，其中4號壩段中左2.5 m的J4-1最大突變值大約2 mm。將上述時段的上游水位、氣溫等壩體接縫變形敏感性環(huán)境量與其他時段相比，均無明顯差異；此時段前期較長時段內(nèi)，庫水位無驟升情況，且壩體未進行過結(jié)構(gòu)加固改造；因此，初步斷定上述“尖點型”并非對壩體接縫變形的真實反映，在資料分析中應(yīng)予以剔除。

圖3 4號壩段中左2.5m J4-1測縫計接縫開合度變化過程線

圖4 5號壩段橫縫 J4-9測縫計接縫開合度變化過程線

(2) 部分壩段測縫計人工觀測資料中，其接縫開合度測值出現(xiàn)“階躍型”突變，且變幅較大。以廠房2號機中心線的J2-3為例，其測值變化過程線如圖5所示。1997年12月之前，其接縫開合度在0.46 mm左右變化，1998年1月測值發(fā)生臺階型突變，突變值約5 mm，此后在5.45 mm左右穩(wěn)定變化。將上述時段的上游水位、氣溫等壩體接縫變形敏感性環(huán)境量與其他時段相比，均無明顯差異；此時段前期較長時段內(nèi)，庫水位無驟升情況，且壩體未進行過結(jié)構(gòu)加固改造。因此，初步斷定上述“階躍型”突變?yōu)槿斯や浫脲e誤所致，并非對壩體接縫變形的真實反映，在資料分析中應(yīng)予以處理。

圖5 2號機中心線 J2-3 測縫計接縫開合度變化過程線

4 壩體接縫變形特征分析

4.1 4號壩段縱、橫縫開合度分析

(1) 4 號壩段縱、橫縫開合度測值均為正值，即均呈張開狀態(tài)。其中縱縫開合度相對橫縫測值較大。以壩段中心線處的J4-1、J4-2測點為例，大壩第三次定檢以來，二者測值分別穩(wěn)定在6.3～8.5 mm，而4、5號壩段橫縫處的J4-7、J4-10分別在1.90 mm和0.50 mm左右變化。

(2) 各縱、橫縫測點處的溫度均呈較為明顯的年周期性變化，但與壩址氣溫相比，存在明顯的滯后性，滯后時間大約為5個月。其中4號壩段Ⅰ縱縫縫面的J4-1、J4-2測點溫度變幅較小，Ⅱ縱縫上部J4-6測點處于下游附近變溫區(qū)，溫度年變幅6℃左右。4、5號壩段橫縫處的J4-10測點溫度年變幅較大，其接縫變形隨溫度呈現(xiàn)明顯的年周期性變化[7]。

(3) 各測點測值變化過程線統(tǒng)一表現(xiàn)為2003年之前測值變化較為平順且變化規(guī)律性較好；2003年之后測值須狀測值較多。初步斷定上述現(xiàn)象與測縫計運行時間較長、易出現(xiàn)測值漂移、靈敏度下降有關(guān)。

(4) 各縱、橫縫測點測值逐年和多年變幅穩(wěn)定在0.18～0.89 mm之間，變幅相對較小，各測點目前均無趨勢性變化。

圖6 2號機中心線 J4-1 測縫計接縫開合度變化過程線

圖7 4號壩段中心線 J4-2 測縫計接縫開合度變化過程線

圖8 13號壩段右0.3m J13-4測縫計接縫開合度變化過程線

圖9 14、15號壩段橫縫 JF-1 測縫計接縫開合度變化過程線

圖10 右防上游基巖 JF-2測縫計接縫開合度變化過程線

圖11 1號機中心線 J1-1 測縫計接縫開合度變化過程線

圖12 3號機中心線 J3-1 測縫計接縫開合度 變化過程線

4.2 13、14號壩段縱、橫縫開合度分析

(1) 位于13號壩段右0.3 m的J13-4測縫計在1996年1月之前測值變化平順，測值基本穩(wěn)定在1.7 mm輕微波動，接縫保持張開狀態(tài)。1996年1月測值出現(xiàn)“階躍型”突變，接縫開合度由1.7 mm突變至0.5 mm。將該時段的上游水位、氣溫等壩體接縫變形敏感性環(huán)境量與其他時段相比，均無明顯差異，初步斷定該“階躍型”并非對壩體接縫變形的真實反映。截至2003年1月，測縫計安裝埋設(shè)已有20余年時間，之后其測值波動頻率及變幅日趨增大，其測值基本失真。初步斷定上述現(xiàn)象與測縫計運行時間較長，靈敏度變差、測值易出現(xiàn)飄零有關(guān)。

(2) 位于14號壩段基礎(chǔ)的J14-1測縫計過程線變化平順，測值保持在0.3～0.5 mm，變幅較小，且未表現(xiàn)出趨勢性變化。

(3) 布置于14、15號壩段橫縫的J14-2測縫計溫度變化表現(xiàn)出較為明顯的年周期性，自安裝埋設(shè)以來，其接縫開合度呈閉合趨勢變化，該變化趨勢對壩體變形有利，且變幅較小，多年最大變幅在0.1 mm以內(nèi)。

4.3 右岸防滲墻與巖體面縫隙開合度分析

分別布置于右岸防滲墻與巖體面接縫上、下游處的JF-1、JF-2測縫計，其測值在2005年1月之前變化穩(wěn)定，過程線基本呈變化平順的直線。截至2005年1月，兩測縫計安裝埋設(shè)已有20余年，其測值變幅及波動頻率日趨增大，將該時段的上游水位、氣溫等壩體接縫變形敏感性環(huán)境量與其他時段相比，均無明顯差異。因此，可判定上述現(xiàn)象主要與測縫計運行工作時間較長、靈敏度下降、測值易出現(xiàn)飄零有關(guān)，并非對壩體接縫變形的真實反映。

4.4 廠房壩段縫隙開合度分析

位于1號機組中心線的J1-1測縫計自1983年安裝埋設(shè)以來，其接縫開合度呈逐漸張大的趨勢性變化，截至2013年6月，其測值由起測時的2.2 mm增至2.7 mm，該趨勢性變化對大壩安全不利，在后續(xù)運行期日常觀測中，應(yīng)引起重視，并查明造成該現(xiàn)象的根本原因。

5 結(jié) 論

通過對烏江渡水電站混凝土拱壩接縫監(jiān)測資料的分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 壩體測縫計均埋設(shè)于1982年或1983年，其中50%以上測點在埋設(shè)初期或第三次定檢之前已無測值,建議對上述測縫計進行甄別復測，對于重點接縫變形部位且可修復或更換的儀器應(yīng)及時做修復更換處理，并納入電站日常觀測中。

(2) 與壩體橫縫測值相比，壩體縱縫接縫開合度相對較大。該變化規(guī)律表明壩體高程708.00 m以下接縫灌漿后，高程708.00 m以下為整體式拱形重力壩，其變形既有重力壩特點又兼有拱壩受力變形特點，各壩段主要承受軸向壓力，橫縫接縫變形較小且趨于穩(wěn)定。

(3) 各縱、橫縫測點處的溫度均呈較為明顯的年周期性變化，但與壩址氣溫相比，存在明顯的滯后性，滯后時間大約為5個月。以4號壩段為例，其Ⅰ縱縫縫面的J4-1、J4-2測點溫度變幅較小，Ⅱ縱縫上部J4-6測點處于下游附近變溫區(qū)，溫度年變幅6℃左右。4、5號壩段橫縫處的J4-10測點溫度年變幅較大，其接縫變形隨溫度呈現(xiàn)明顯的年周期性變化。

(4) 各測點測值變化過程線統(tǒng)一表現(xiàn)為2003年之前測值變化較為平順且變化規(guī)律性較好；2003年之后測值須狀測值較多，產(chǎn)生此現(xiàn)象與測縫計運行時間較長、易出現(xiàn)測值漂移、靈敏度下降有關(guān)。