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有限責任公司，湖南 長沙，410000；2.長江水利委員會長江科學院工程安全與災害防治研究所，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臺機組全部投產發電，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，水準測量發現大壩及近壩山體產生了不同程度的抬升現象。由于壩體本身向上抬升的情況比較罕見，自發現江埡大壩抬升以來，已展開一系列關于此現象的研究。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，一方面導致上覆隔水層揚壓力增大，另一方面導致承壓熱水含水層中有效應力減小，后者引起的含水巖層卸荷回彈擴容是大壩抬升的主要機制[3]。筆者結合相關研究，分析自蓄水以來與抬升相關的監測資料[4]，通過因子分析進一步論證卸荷回彈擴容機制的正確性，并給出關于大壩運行安全情況的結論。

1 工程地質概況

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石灰巖，壩線上游依次有泥盆紀砂巖、石英砂巖、志留紀砂巖、粉砂巖分布，大壩下游則有上二疊統硅質灰巖、頁巖、三疊紀灰巖、白云質灰巖分布。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，邊坡尚穩定，大壩主要持力層為二疊紀石灰巖，巖石堅硬，強度滿足設計要求。壩址的工程地質和水文地質具有以下特點：

（1）壩址區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。壩址區上部和下部巖溶含水層層面溶隙發育，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現象。D2y石英砂巖層為一向斜盆地深循環加溫承壓含水層，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，高程700～1000 m。承壓熱水含水層（D2y）構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 熱水含水層地質構造示意圖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烈，裂隙發育。

2 監測資料分析

2.1 監測布置情況

自發現抬升現象以來，江埡大壩的監測系統逐步增設完善。目前監測項目主要包括：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一等水準網，監測網在大壩下游右岸約1 km的較為穩定部位設置2個工作基點，在大壩下游右岸500 m部位設置1個校核基點，水準控制網定期聯測20 km以外的國家水準點。截至2019年11月，壩頂、120廊道已分別復測51次、57次。

2.2 監測結果分析

2.2.1 壩體抬升位移

在大壩的120廊道內，BL4～BL8壩段埋設了7個一等水準點（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，取當前位移和2個10年期的總位移作為特征值，其統計結果見表1。

表1 廊道垂直位移特征值統計（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的關系，尤其在抬升初期，抬升變化與庫水位的波動基本同步。但當庫水位基本穩定后，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遞減，說明壩體中部的廊道抬升較為明顯。

發現抬升后，在壩頂沿壩軸線方向依次布置了12個水準監測點（BD01～BD12），于2002年6月21日首測，自建點起每次均與壩基廊道進行聯測。整理數據得到壩頂垂直位移的特征值統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

為監測壩區垂直位移，在大壩上下游兩岸、壩肩、壩趾布設一等水準點共34個。根據測得的數據，發現左右岸的位移變化規律相似，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為：靠近壩體、河流部位抬升量偏大，遠離壩體、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 其他監測情況

除垂直位移外，其他監測項目的成果揭示了以下結論：

（1）接縫開合度：受氣溫影響，且與溫度呈負相關線性關系，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，已經收斂。

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

（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律，河床溢流壩段基礎最高，右岸次之，左岸最低，具體分布與其滲流邊界條件有關。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，在穩定情況下與庫水位相關，整體上滲流量有逐漸緩慢減小的趨勢。

3 統計模型分析

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動引起的位移。由壩工理論可知，庫水壓力作用產生的垂直位移δH與水深Hi（i=1，2，…，n，為冪次數）呈線性關系，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，垂直位移基準值當日的庫水位為基準水位。

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在壩體和壩基內的溫度計測值反映。因此，根據溫度計布設情況，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系，因此當有足夠數量的溫度計時，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；Ti為第i支溫度計的變溫值；m為溫度計支數。江埡大壩在壩體內部、壩基部位、近壩水域均埋設了溫度計，由于使用多年，多數溫度計已出現不同程度故障，數據系列不全。本次建模分析分別在上述部位各選擇1支數據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，還會產生隨時間和荷載變化的時效位移。混凝土重力壩常用時效模型為：

式中：c1、c2為系數；t為天數。

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。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，應補充變化荷載作用下的時效位移部分，即：

式中：d1、d2為系數；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個測點進行非線性回歸，各系數計算成果見表3，擬合過程線見圖5～6。由圖表可知，模型擬合結果良好，各測點復相關系數較高，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系，基本適合做因子分析。根據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，抬升變化在數值上與庫水位相關性相對較弱。因此可以推斷，庫水位造成大壩抬升的彈性變形主要發生在庫水位上漲過程中，庫水位穩定后，壩體抬升基本屬于衰減蠕變，在水壓荷載不發生大幅變化的前提下，溫度效應的影響逐漸明顯，這與“江埡大壩抬升是地質歷史積存應變能釋放的過程[5]”相符。根據此理論，由于庫水位回落時已擴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，該預測和監測資料的分析結果一致，這也進一步證明了擴容抬升機制的正確性。

表3 廊道和壩頂垂直位移非線性回歸計算結果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，整體趨于穩定[6]。

（2）廊道和壩頂垂直位移變化的因子分析結果表明，庫水位造成大壩抬升的彈性變形主要發生在庫水位上漲過程中，庫水位穩定后，時間效應和溫度效應的影響更加明顯，這一現象進一步驗證了孔隙水壓力增大引起巖層擴容抬升機制的正確性。

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