大壩蓄水后近壩山體抬升現(xiàn)象研究

王曉光

(遼寧省盤(pán)錦市雙臺(tái)子區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 盤(pán)錦 124000)

某大壩蓄水后監(jiān)測(cè)資料顯示大壩、壩區(qū)山體均發(fā)生了豎向抬升。大壩發(fā)生抬升現(xiàn)象較為罕見(jiàn)，自發(fā)現(xiàn)大壩抬升，便逐漸開(kāi)展對(duì)大壩抬升的研究[1- 2]。相關(guān)研究結(jié)論主要認(rèn)為水位上升導(dǎo)致承壓熱含水層水頭升高，不僅會(huì)引起上覆隔水層揚(yáng)壓力增大，更會(huì)導(dǎo)致含水層有效應(yīng)力降低，使得含水層卸荷回彈擴(kuò)容，成為導(dǎo)致大壩抬升的主要影響機(jī)制[3]。

本研究基于上述理論，通過(guò)分析大壩位移監(jiān)測(cè)資料[4]，基于回彈擴(kuò)容機(jī)制分析大壩發(fā)生位移的原因，同時(shí)對(duì)大壩的安全性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 工程概況

某大壩地處U形峽谷，峽谷寬70～95m，左右岸頂標(biāo)高為700～800m，大壩左岸邊坡坡度平均值為43°，右岸邊坡坡度平均值為52°，大壩兩側(cè)地形基本一致，呈對(duì)稱(chēng)分布。大壩基巖為二疊紀(jì)石灰?guī)r，大壩上游分布有砂巖、粉砂巖等，大壩下游分布有灰?guī)r、頁(yè)巖、白云質(zhì)灰?guī)r等。大壩巖層傾角范圍為35°～45°，未見(jiàn)斷層分布，壩體兩側(cè)邊坡可見(jiàn)大面積基巖，邊坡穩(wěn)定性較好，持力層為二疊紀(jì)石灰?guī)r，持力層巖石力學(xué)性質(zhì)較好，強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[5- 6]。壩址地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件特點(diǎn)如下。

(1)大壩所在區(qū)域地層含隔水層彼此間隔分布。

(2)由于含隔水層間隔存在，故而各層含水層水力聯(lián)系較少，獨(dú)立性較好，地下水滲流通道主要為巖層發(fā)育的巖溶裂隙。

(3)該蓄水大壩獨(dú)有的地質(zhì)現(xiàn)象有：壩基下部為向下游傾斜、透水性好的D2y石英砂巖層，該層含水層為承壓熱含水層。承壓熱水含水層(D2y)所在地層位于江埡向斜下部，于向斜核部最大埋深1800m。地下承壓熱水水滲徑長(zhǎng)度約為20～25km，出露平均高程為127m。

2 位移監(jiān)測(cè)資料

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

自大壩發(fā)生豎向位移以來(lái)，大壩相關(guān)位移監(jiān)測(cè)設(shè)備逐漸完備。目前關(guān)于大壩相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有：大壩豎向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、山體豎向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地下水流場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。分別在壩頂、廊道、大壩兩岸山體設(shè)置監(jiān)測(cè)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)在大壩下游設(shè)2個(gè)工作基點(diǎn)和1個(gè)校核基點(diǎn)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)定期聯(lián)測(cè)國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)。直至2020年1月，該大壩的廊道、壩頂各自測(cè)了56、51次。

2.2 位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.2.1壩體抬升位移

大壩廊道內(nèi)設(shè)7個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(1～7)。為整體分析大壩20a內(nèi)抬升情況，以10a為一階段，選取7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移，大壩廊道位移數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表1，如圖1所示。

表1 20a內(nèi)豎向位移分析結(jié)果 單位：cm

圖1 廊道豎向位移典型過(guò)程線

根據(jù)廊道位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果與豎向位移典型過(guò)程線可知，廊道抬升變化特征如下。

(1)廊道豎向位移趨勢(shì)表現(xiàn)為連續(xù)上升，且上升速度逐漸減少，但未趨于0。

2010—2020年位移變化量是2000—2010年間位移變化量的4%～11%，由此可以得出近10a來(lái)，大壩廊道豎向位移量已大幅度減少。

(2)廊道豎向位移與水庫(kù)水位呈正相關(guān)關(guān)系，大壩豎向位移逐漸上升時(shí)間段內(nèi)，廊道豎向抬升與水庫(kù)水位線同步變化。水庫(kù)水位不變后，其他影響因素對(duì)大壩廊道位移變化影響逐漸突出。

(3)大壩廊道中心測(cè)點(diǎn)位移較大，兩端測(cè)點(diǎn)位移較小，說(shuō)明廊道中間部位位移變化最為明顯。

大壩抬升現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，在壩頂設(shè)置位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。整理壩頂位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到壩頂豎向位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果與過(guò)程曲線，見(jiàn)表2，如圖2所示。

由表2和圖2可知，溫度影響壩頂位移更明顯，故壩頂位移比廊道位移更明顯，與廊道位移變化趨勢(shì)相同，壩頂豎向位移量逐漸降低，表明大壩整體都發(fā)生豎向位移。

表2 壩頂豎向位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：cm

圖2 壩頂豎向位移典型過(guò)程線

為了解壩區(qū)豎向位移變化情況，在大壩左右兩岸、壩肩、壩趾布置34個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大壩兩側(cè)豎向位移變化趨勢(shì)保持一致，左岸山體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移如圖3所示。

圖3 大壩左岸豎向位移過(guò)程線

兩岸山體豎向位移變化幅度較大，這與水位、水溫均相關(guān)，豎向位移變化量逐漸降低，但并未完全停止。左右岸山體豎向抬升量波動(dòng)與水庫(kù)水位以及溫度相關(guān)性較高，豎向位移持續(xù)變化、且速率逐漸減小但并未趨近于0。兩岸山體豎向位移抬升規(guī)律：壩體、河流近處豎向位移量較大，壩體、河流遠(yuǎn)處豎向位移量較小，說(shuō)明大壩附近山體豎向位移變化與蓄水大壩抬升保持一定的同步性。

2.2.2其他監(jiān)測(cè)情況

除位移監(jiān)測(cè)外，還開(kāi)展了其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，所得成果如下。

(1)接縫開(kāi)合度與溫度相關(guān)性較高，接縫開(kāi)合度與溫度具有一定的相關(guān)性，呈周期性變化，開(kāi)合度位移變化較小。大壩接縫處開(kāi)合度變化較為均勻，且已逐漸穩(wěn)定。

(2)壩體滲壓與時(shí)間相關(guān)性較高，滲壓水位的變化規(guī)律呈現(xiàn)出隨時(shí)間推進(jìn)逐漸減小，且變化速率也逐漸減小，高程一定情況下，大壩下游滲壓水位較上游更小，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)滲壓水位規(guī)律保持一致。

(3)沿軸線壩基滲壓水位無(wú)一般規(guī)律。壩基測(cè)壓管、滲壓水位呈周期性變化，壩基防滲以及排水效果較好，壩體和壩基總體地下水滲流量偏小，穩(wěn)定時(shí)與水庫(kù)蓄水情況有關(guān)，地下水流量整體上趨勢(shì)呈逐漸減小。

3 壩體抬升成因分析

3.1 模型構(gòu)建

混凝土重力壩受溫度、水壓等因素作用，大壩任意位置的位移，均可分解為3個(gè)分量，即水壓位移分量—δh、溫度位移分量—δT、時(shí)效位移分量—δt，其公式可表示為：

δ=δh+δT+δt

(1)

3.1.1水壓位移分量

受水荷載作用，大壩任意位置發(fā)生的位移形變可分為壩體本身位移、壩基面變形導(dǎo)致的位移、水自身重力導(dǎo)致的位移?；趬喂だ碚?，水荷載導(dǎo)致的變形δh與水位hi(i=1，2…m，m為冪次數(shù))關(guān)系表現(xiàn)為線性相關(guān)，其公式可表達(dá)為：

(2)

根據(jù)大壩形狀選取不同冪次數(shù)m，該大壩為混凝土重力壩，冪次數(shù)m可取值為3，豎向位移基準(zhǔn)值取值為當(dāng)天水庫(kù)蓄水位。

3.1.2溫度位移分量

壩體以及壩基溫度導(dǎo)致的位移組成了溫度位移分量δT。基于彈性理論，蓄水大壩任意位置位移δT和各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化值線性相關(guān)，當(dāng)溫度計(jì)數(shù)量足夠多時(shí)，可將各測(cè)點(diǎn)溫度計(jì)值定為溫度分量因子，其公式表達(dá)式為：

(3)

式中，ci—系數(shù)；Ti—第i支溫度計(jì)的溫度變化值；n—溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。該大壩內(nèi)部、壩基處、近壩處均設(shè)置有溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，考慮到部分溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度計(jì)已發(fā)生損壞，本次建模在大壩各個(gè)部位選取1支數(shù)據(jù)完整的溫度樣本值。

3.1.3時(shí)效位移分量

水壓位移分量和溫度位移分量造成大壩發(fā)生彈性位移，大壩除發(fā)生彈性位移外，還將產(chǎn)生時(shí)效位移，時(shí)效位移是隨荷載和時(shí)間發(fā)生變化的位移，混凝土重力壩時(shí)效模型為：

δt=f1t+f2lnt

(4)

式中，f1、f2—系數(shù)；t—時(shí)間，d。

實(shí)際上任意時(shí)間大壩承受的荷載都有所不同，大壩在不斷發(fā)生卸荷和蠕變。故而，大壩承受各種變化荷載，補(bǔ)充時(shí)效位移后公式可轉(zhuǎn)化為：

(5)

式中，f1、f2—系數(shù)；m取值范圍為1～2，本次分析m值取2。

3.2 因子分析

選擇廊道、壩頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)做非線性回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表3。回歸擬合曲線如圖4—5所示。由表3和圖4—5可知，回歸擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)都高于0.95，說(shuō)明建模結(jié)果較為合理有效。

圖4 壩頂豎向位移模型擬合曲線

圖5 廊道豎向位移模型擬合曲線

表3 壩頂、廊道豎向位移回歸結(jié)果

利用主成分分析法對(duì)壩頂和廊道位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行主成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。經(jīng)檢驗(yàn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的顯著度均小于0.05，說(shuō)明各變量之間聯(lián)系較為緊密，可進(jìn)行因子分析。

表4 壩頂、廊道因子分析結(jié)果

各因子與主成分關(guān)系越緊密，其在主成分上占比越大。由此可知，溫度位移分量、時(shí)效位移分量與主成分聯(lián)系度比較大，水壓位移分量與主成分聯(lián)系度較低。

由大壩廊道豎向位移變化曲線可知，大壩抬升主要時(shí)間在2015—2017年間，抬升過(guò)程中，豎向位移量與水庫(kù)水位變化趨勢(shì)保持一致，大幅度抬升后，豎向位移量與水庫(kù)水位變化同步性降低。由此推測(cè)，水庫(kù)水位使得大壩豎向抬升的變形主要在水位線上升過(guò)程中發(fā)生，水位線基本穩(wěn)定后，壩體豎向抬升為蠕變，水荷載趨于穩(wěn)定后，溫度成為大壩變形的主要影響因素，這一點(diǎn)與其他學(xué)者[5]的研究結(jié)果相符合?；诖?，推測(cè)水庫(kù)水位線降低時(shí)卸荷無(wú)法恢復(fù)，此時(shí)水位影響大壩位移程度較小，此預(yù)測(cè)結(jié)果與大壩位移分析結(jié)果相同，也證實(shí)了擴(kuò)容抬升機(jī)制的合理性。

4 結(jié)論

本研究基于上述理論，通過(guò)分析大壩位移監(jiān)測(cè)資料，基于回彈擴(kuò)容機(jī)制分析大壩發(fā)生位移的原因，同時(shí)對(duì)大壩的安全性進(jìn)行預(yù)測(cè)。主要得到以下結(jié)論。

(1)現(xiàn)階段大壩豎向抬升還未完全停止，但是豎向位移速率較蓄水初始時(shí)期更慢，大壩整體形變基本保持穩(wěn)定。

(2)基于廊道以及壩頂位移變化因子分析結(jié)果表明，水庫(kù)水位變化導(dǎo)致大壩變形主要發(fā)生于水位上升時(shí)期，水位線保持不變后，影響大壩位移的因素為時(shí)間、溫度，進(jìn)一步證實(shí)了孔隙水壓增大導(dǎo)致引發(fā)巖層擴(kuò)容抬升機(jī)制的合理性。

(3)大壩位移、裂縫開(kāi)合度、滲壓、滲流場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，大壩抬升并未危及大壩的安全，不影響水庫(kù)大壩的安全使用。