初期集中蓄水對(duì)水布埡面板堆石壩變形特性的影響分析

徐 琨，楊啟貴，周 偉，馬 剛，張 超

(1. 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010；2. 大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；3. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

面板堆石壩是我國(guó)高壩建設(shè)的主要壩型之一。作為水利樞紐的擋水建筑物，面板堆石壩上游側(cè)的面板是其主要的防滲結(jié)構(gòu)。面板由豎縫止水結(jié)構(gòu)和周邊縫止水結(jié)構(gòu)連成一體，鋪設(shè)在壩體上游面上，承擔(dān)阻水防滲功能。為保證面板防滲結(jié)構(gòu)不被破壞，面板和壩體間的變形應(yīng)相互協(xié)調(diào)，面板能適應(yīng)壩體的變形，這就要求面板澆筑后壩體的變形應(yīng)盡可能地小。然而，由于筑壩料自身的力學(xué)特性，水庫(kù)蓄水后，在水荷載的作用下壩體往往又會(huì)發(fā)生較明顯變形，尤以壩體上游區(qū)域?yàn)樯鮗1]。

程展林等[2]和周偉等[3]的研究表明，面板堆石壩壩體沉降主要發(fā)生在壩體填筑和水庫(kù)蓄水過(guò)程中，之后沉降逐漸趨于收斂。為避免或減少面板與壩體的不協(xié)調(diào)變形，面板堆石壩施工過(guò)程中要求應(yīng)在堆石體填筑變形穩(wěn)定后進(jìn)行混凝土面板的澆筑。然而，面板澆筑后，水庫(kù)蓄水引起的壩體變形仍不可避免。現(xiàn)有研究多關(guān)注壩體最大沉降測(cè)點(diǎn)、壩體變形的整體演化趨勢(shì)、長(zhǎng)期運(yùn)行后的變形分布及最大沉降量等[2-5]，但忽略了水庫(kù)蓄水對(duì)壩體，尤其是對(duì)壩體上游側(cè)變形影響的深入研究。隨著我國(guó)水電開發(fā)的深入，高面板堆石壩建設(shè)的需求日益強(qiáng)烈，壩高從200 m級(jí)提升至300 m級(jí)，壩高的大幅增加使得亟須對(duì)300 m級(jí)超高面板面臨的諸如壩體變形控制、面板擠壓破壞、壩體分區(qū)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題開展深入研究[6,7]。面板澆筑完成后，水庫(kù)蓄水，由此引起的壩體變形直接關(guān)乎面板的受力變形情況，為避免或降低蓄水對(duì)面板造成不利影響，開展水庫(kù)蓄水對(duì)壩體變形的影響研究對(duì)開展壩體分區(qū)優(yōu)化、提出相應(yīng)的變形控制方法是非常有意義的。

綜上，本文依據(jù)水布埡面板堆石壩變形的實(shí)測(cè)資料，通過(guò)分析水庫(kù)初期集中蓄水對(duì)壩體變形的影響，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)蓄水引起的壩體變形增量的空間分布特征，以期能為高面板堆石壩壩體分區(qū)優(yōu)化和變形控制提供一定指導(dǎo)和參考。

1 研究工程概況

清江水布埡面板堆石壩為目前世界上最高的混凝土面板堆石壩，大壩壩頂高程409 m，壩頂寬度12 m，壩軸線長(zhǎng)度608 m，最大壩高233.2 m。水庫(kù)正常蓄水位高程400 m，相應(yīng)庫(kù)容43.12 億m3，校核洪水位高程404 m，總庫(kù)容45.8 億m3。水布埡面板堆石壩工程于2001年9月開挖大壩兩岸高程200.0 m以上趾板基礎(chǔ)，2002年1月正式開工，2008年9月4臺(tái)機(jī)組全部并網(wǎng)發(fā)電，大壩建設(shè)運(yùn)行過(guò)程中的一些主要施工、蓄水時(shí)間節(jié)點(diǎn)如表1所示。

表1 主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)Tab.1 Some main time for constrution

壩體內(nèi)部變形采用引張線式位移計(jì)和水管式沉降儀監(jiān)測(cè)，水平位移計(jì)設(shè)計(jì)編號(hào)以“SE”開頭，水管式沉降儀設(shè)計(jì)編號(hào)以“SV”開頭，從左岸至右岸依次布置了0+132 m、0+212 m和0+356 m三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。0+212 m斷面為最大壩高斷面，也是承受水壓力最大斷面。本文將分析該斷面上測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究水庫(kù)初期集中蓄水(2007年4月22日-2007年9月22日，水位從265.45 m上升至389.61 m，5個(gè)月升高124.16 m)對(duì)壩體變形的影響。最大壩高斷面(0+212 m)處分別在235、265、300、340和370 m高程處布置5條測(cè)線，共布置38個(gè)測(cè)點(diǎn)，水平位移計(jì)和水管式沉降計(jì)在同一對(duì)應(yīng)位置，如圖1所示。為敘述方便，本文研究中簡(jiǎn)稱各測(cè)點(diǎn)為1～38號(hào)測(cè)點(diǎn)。

圖1 河床中部(0+212 m)監(jiān)測(cè)斷面儀器布置圖(高程：m，長(zhǎng)度：cm)Fig.1 Deformation monitoring arrangement of the largest section

2 初期集中蓄水引起變形增量的確定

實(shí)測(cè)資料中，鋼絲水平位移計(jì)實(shí)測(cè)位移以向下游為正，向上游為負(fù)；水管式沉降儀實(shí)測(cè)沉降以下沉為正，上抬為負(fù)。初期集中蓄水階段(2007年4月22日-2007年9月22日)歷時(shí)5個(gè)月，水位達(dá)到相應(yīng)測(cè)點(diǎn)高程的時(shí)間如表2所示。初期集中蓄水開始時(shí)，上游水位265.45 m，對(duì)于235 m高程的測(cè)點(diǎn)按2007年4月22日作為本文研究的變形增量起始時(shí)刻。

表2 水庫(kù)初期集中蓄水階段水位到達(dá)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)高程時(shí)間Tab.2 The time of water level reaching the elevation of monitoring point at the initial concentrated impoundment

為研究水庫(kù)初期集中蓄水對(duì)壩體變形的影響，需確定該階段蓄水引起的測(cè)點(diǎn)位移變形量。

本文研究中水庫(kù)初期集中蓄水引起的壩體變形增量選取遵循以下原則：①水庫(kù)集中蓄水時(shí)段為2007年4月22日至2007年9月22日，時(shí)段跨度5個(gè)月，變形增量的計(jì)算時(shí)段應(yīng)大于5個(gè)月；②計(jì)算變形增量所采用的時(shí)段應(yīng)盡可能地短，以避免過(guò)多引入其他因素(如自重、上覆荷載、水位波動(dòng)等)對(duì)變形的影響。

如圖2和圖3所示分別為高程235 m的1～12號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降和水平位移的歷時(shí)演化曲線。可知，在2007年4月22日集中蓄水時(shí)，測(cè)點(diǎn)位移變幅出現(xiàn)明顯的變化，且距離上游側(cè)越近的測(cè)點(diǎn)，所受影響越明顯；約6個(gè)月后，測(cè)點(diǎn)變形速率有明顯減緩的趨勢(shì)。

圖2 最大壩高斷面(0+212 m)上1～12號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降演化曲線Fig.2 Settlement process of 1～12# monitoring point in the largest section

圖3 最大壩高斷面(0+212 m)上1～12號(hào)測(cè)點(diǎn)水平向位移演化曲線Fig.3 Horizontal displacement process of 1～12# monitoring point in the largest section

為此，同時(shí)考慮到壩體上游側(cè)直接受蓄水的影響，統(tǒng)計(jì)得到最大壩高斷面靠近上游側(cè)的各測(cè)點(diǎn)在(t0，t0+6月)以及(t0+7月，t0+12月)時(shí)段內(nèi)的沉降增量(ΔV6，ΔV12-ΔV6)和水平向增量(ΔE6，ΔE12-ΔE6)，如表3所示。可知，上游側(cè)各測(cè)點(diǎn)變形增量主要發(fā)生在前6個(gè)月，變形增量占比69.7%～98.9%。綜上，本文研究中取(t0，t0+6月)時(shí)間段內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的變形增量(ΔV6，ΔE6)為衡量指標(biāo)，分析初期集中蓄水對(duì)壩體的影響，開展相關(guān)研究。

表3 靠近上游各測(cè)點(diǎn)變形增量 mm

3 初期集中蓄水對(duì)壩體變形的影響

水布埡面板堆石壩壩內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，一些測(cè)點(diǎn)處的監(jiān)測(cè)儀器在長(zhǎng)期服役過(guò)程中發(fā)生損壞，無(wú)法獲取正確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)缺失。根據(jù)獲取的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，有13-16號(hào)、20號(hào)、37號(hào)水平位移測(cè)點(diǎn)和15號(hào)沉降測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)屬于以上問(wèn)題，本文研究中不予考慮。

3.1 沉降增量的分布特征

統(tǒng)計(jì)最大壩高斷面各測(cè)點(diǎn)在初期集中蓄水階段的沉降增量(ΔV6)分布情況如圖4所示。其中，正值表示發(fā)生沉降，負(fù)值表示發(fā)生抬動(dòng)。

圖4 初期集中蓄水引起的最大壩高斷面(0+212 m)各測(cè)點(diǎn)的沉降增量Fig.4 Settlement increment of each monitoring point in section 0+212 m caused by the initial concentrated impoundment

由圖4可知，高程235 m的1～12號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降增量基本呈現(xiàn)出距上游側(cè)越近沉降增量越大的分布特征，其余高程上測(cè)點(diǎn)的沉降增量分布也呈現(xiàn)相似規(guī)律；以上表明，初期集中蓄水引起的壩體沉降增量分布特征與壩高無(wú)關(guān)，都表現(xiàn)為上游側(cè)受初期集中蓄水的影響最為明顯。對(duì)比不同高程上測(cè)點(diǎn)沉降增量的分布可知，除高程265 m的13號(hào)測(cè)點(diǎn)(224 mm)和高程370 m的36號(hào)測(cè)點(diǎn)(159 mm)的沉降增量偏小外，各相同高程的近上游側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降增量基本在同一量級(jí)水平(287～338 mm)；高程越高時(shí)，下游側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降增量越大，高程340 m的32～35號(hào)測(cè)點(diǎn)、高程370 m的36～37號(hào)測(cè)點(diǎn)的沉降增量順河向減弱不明顯。這主要是由于隨著高程的提升，壩體順河向?qū)挾茸冋捎陬w粒體系受力傳遞的特性，測(cè)點(diǎn)仍處在水荷載的影響區(qū)。

根據(jù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和圖4中數(shù)據(jù)，插值得到最大壩高斷面測(cè)點(diǎn)區(qū)域沉降增量的整體分布情況如圖5所示。由圖5可知，初期集中蓄水對(duì)斷面沉降的影響呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)特征，壩內(nèi)影響區(qū)域的分區(qū)邊界基本平行上游面，且從上游至下游該影響逐漸減弱。

圖5 初期集中蓄水引起的最大壩高斷面(0+212 m)測(cè)點(diǎn)區(qū)域的沉降增量分布云圖Fig.5 Distribution of the Settlement increment of each monitoring point in section 0+212 m caused by the initial concentrated impoundment

此外，為研究初期集中蓄水對(duì)各測(cè)點(diǎn)變形的相對(duì)影響程度，取各測(cè)點(diǎn)沉降變形基本穩(wěn)定時(shí)的t0+36月時(shí)沉降值(V36)為總沉降值，統(tǒng)計(jì)得到各測(cè)點(diǎn)沉降增量的百分占比(△V6/V36×100%)如圖6所示。由圖可知，235 m高程的1和2號(hào)測(cè)點(diǎn)處的沉降變形程度受蓄水的影響最為明顯，由初期集中蓄水引起沉降增量占比分別58.6%、53.8%；各高程均為上游側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降增量百分占比最大，順河向的分布規(guī)律與沉降增量的相似。該斷面測(cè)點(diǎn)區(qū)域沉降增量百分占比的整體分布情況如圖7所示。由圖7可知，初期集中蓄水對(duì)斷面變形影響程度較大的區(qū)域基本平行于壩體上游坡面且分布在壩體的近上游側(cè)；從上游至下游，由初期集中蓄水引起的測(cè)點(diǎn)沉降變形程度逐漸減弱，次堆石區(qū)受到的影響程度基本小于10%。

圖6 初期集中蓄水引起的最大壩高斷面(0+212 m)各測(cè)點(diǎn)的沉降增量占比Fig.6 Proportion of settlement increment of each monitoring point in section 0+212 m caused by the initial concentrated impoundment

圖7 初期集中蓄水引起的最大壩高斷面(0+212 m)測(cè)點(diǎn)區(qū)域的沉降增量占比分布云圖Fig.7 Distribution of the Proportion of settlement increment of each monitoring point in section 0+212 m caused by the initial concentrated impoundment

3.2 水平位移增量的分布特征

統(tǒng)計(jì)最大壩高斷面各測(cè)點(diǎn)在初期集中蓄水階段的水平位移增量(ΔE6)分布情況如圖8所示。正值表示發(fā)生向下游位移增量，負(fù)值表示發(fā)生向上游位移增量。

由圖8可知，各高程測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)出距上游面越近，水平位移增量越大的分布規(guī)律。235 m高程的3～12號(hào)測(cè)點(diǎn)中多數(shù)表現(xiàn)出水平位移增量為負(fù)值的情況，但增量較小。分析發(fā)現(xiàn)，2007年4月22日開始初期集中蓄水后，1～12號(hào)測(cè)點(diǎn)的水平位移均有明顯的下跌情況，而在下跌后水平位移的降低值大于之后蓄水引起的增加值，且后期演化曲線有明顯波動(dòng)情況，如圖3所示。通過(guò)關(guān)聯(lián)相應(yīng)的水位，發(fā)現(xiàn)2007年4月25日庫(kù)水位達(dá)到277.5 m高程，之后開始陡降，2007年4月29日庫(kù)水位降至271.3 m，直到2007年5月2日庫(kù)水位重回277.5 m高程。除1號(hào)測(cè)點(diǎn)的水平位移在2007年5月7號(hào)開始轉(zhuǎn)折升高、2號(hào)測(cè)點(diǎn)的水平位移在2007年5月11日開始轉(zhuǎn)折升高外，其余測(cè)點(diǎn)均有明顯的“平臺(tái)”階段。以上表明，水位陡升之后的陡降與1-12號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)的明顯下跌有直接關(guān)系，且水位變動(dòng)對(duì)距離上游面較遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)的水平位移的影響有所遲滯。

圖8 初期集中蓄水引起的0+212 m斷面各測(cè)點(diǎn)的水平位移增量Fig.8 Horizontal displacement increment of each monitoring point in section 0+212 caused by the initial concentrated impoundment

此外，高程300 m的25～30號(hào)測(cè)點(diǎn)、高程340 m的32～35號(hào)測(cè)點(diǎn)和高程370 m的36、38號(hào)測(cè)點(diǎn)的水平位移增量順河向未有明顯的降低，表明大約壩高1/2以上部位的下游側(cè)壩體水平向位移仍易受初期集中蓄水的影響。

3.3 沉降增量與水平位移增量分布特征的異同

相同之處：初期集中蓄水對(duì)壩體沉降和水平位移的影響具有相似的分布特征，都表現(xiàn)出各高程的上游側(cè)測(cè)點(diǎn)受到明顯影響，且蓄水的影響沿順河向逐漸減弱的規(guī)律；此外，都表現(xiàn)出，隨著高程的增加，初期集中蓄水對(duì)壩體變形的影響沿順河向減弱的程度降低，壩體下游側(cè)部位受蓄水的影響較壩體低高程的下游側(cè)部位更為明顯。

不同之處：如圖9所示，對(duì)比沉降位移增量與水平位移增量可知，同一測(cè)點(diǎn)發(fā)生的水平位移增量的量級(jí)普遍小于沉降增量的量級(jí)，表明初期集中蓄水對(duì)壩體沉降變形的影響大于對(duì)壩體水平向變形的影響。

圖9 沉降位移增量與水平位移增量的對(duì)比Fig.9 Settlement increment and the horizontal displacement increment

4 初期集中蓄水影響區(qū)的劃分

根據(jù)以上研究成果，可由初期集中蓄水階段壩體變形增量的分布情況劃分出初期集中蓄水對(duì)壩體變形的影響區(qū)，從而為堆石壩的壩體分區(qū)和變形控制提供一定參考。考慮到初期集中蓄水對(duì)壩體沉降變形的影響強(qiáng)于對(duì)壩體水平向變形的影響，影響區(qū)域的劃分以測(cè)點(diǎn)沉降增量為主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼顧測(cè)點(diǎn)水平位移增量的分布情況。

根據(jù)沉降增量(圖4)和沉降增量百分占比(圖6)的結(jié)果，可將235 m高程的1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)，265 m高程的13、14號(hào)測(cè)點(diǎn)，300 m高程的23、24號(hào)測(cè)點(diǎn)，340 m高程的31號(hào)測(cè)點(diǎn)以及370 m高程的36號(hào)測(cè)點(diǎn)劃分到強(qiáng)影響區(qū)范圍，這些測(cè)點(diǎn)在初期集中蓄水影響下沉降增量和沉降增量占比均明顯偏大。根據(jù)沉降增量(圖4)和水位移增量(圖6)的結(jié)果，可以將300 m高程的25～30號(hào)測(cè)點(diǎn)，340 m高程的32～35號(hào)測(cè)點(diǎn)和370 m高程的37和38號(hào)測(cè)點(diǎn)劃分到較強(qiáng)影響區(qū)；此外，根據(jù)以上較強(qiáng)影響區(qū)測(cè)點(diǎn)的沉降增量量級(jí)，由圖4，可將235 m高程的3～7號(hào)測(cè)點(diǎn)，265 m高程的15～18號(hào)測(cè)點(diǎn)劃分到較強(qiáng)影響區(qū)。其余測(cè)點(diǎn)劃分到弱影響區(qū)，最終劃分情況如圖10所示。

圖10 水庫(kù)初期集中蓄水對(duì)壩體變形影響的分區(qū)Fig.10 The influence zone of the initial concentrated impoundment for dam deformation

水庫(kù)初期集中蓄水的影響分區(qū)圖表明了水庫(kù)初期集中蓄水對(duì)面板堆石壩壩體各區(qū)域變形影響程度的空間分布情況。在已有的面板堆石壩分區(qū)研究成果的基礎(chǔ)上，從該影響分區(qū)為切入點(diǎn)深入開展研究，能為高或超高面板堆石壩的分區(qū)優(yōu)化提供一些有益參考，從而在科學(xué)指導(dǎo)和經(jīng)濟(jì)合理的情況下減小蓄水對(duì)壩體變形的影響，由此降低或避免不利的面板應(yīng)力變形情況的發(fā)生，保障壩體的安全運(yùn)行。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)水布埡面板堆石壩實(shí)測(cè)資料的分析，研究了水庫(kù)初期集中蓄水對(duì)壩體變形特性的影響，得到以下主要結(jié)論。

(1)水庫(kù)初期集中蓄水引起的壩體沉降增量順河向的分布特征與壩高無(wú)關(guān)，都表現(xiàn)為上游側(cè)受影響最為明顯，蓄水影響沿順河向逐漸減弱的規(guī)律；隨著高程的增加，初期集中蓄水對(duì)壩體沉降的影響沿順河向的減弱程度降低；

(2)初期集中蓄水對(duì)壩體水平位移的影響與沉降增量的分布特征相似，但壩體豎直向比水平向變形更易受初期集中蓄水的影響；沉降增量和水平位移增量的分布特征表明，壩體約1/2部位變形整體易受蓄水的影響；

(3)根據(jù)水庫(kù)初期集中蓄水對(duì)壩體變形的分布特征的研究結(jié)果，可將壩體劃分為3個(gè)區(qū)域，分別為初期集中蓄水的強(qiáng)影響區(qū)、較強(qiáng)影響區(qū)和弱影響區(qū)；該影響區(qū)的劃分能為進(jìn)一步開展高或超高面板堆石壩的分區(qū)優(yōu)化和變形控制提供有益的參考。

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