壩基裂隙水對高壩穩(wěn)定性的影響研究

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水庫產(chǎn)生并作用于壩基上的力和作用過程盡管比較復(fù)雜，還是可以用一個(gè)獨(dú)立的相關(guān)系統(tǒng)來描述。水庫的建造不僅在地殼局部產(chǎn)生了附加壓力，而且還改變了整個(gè)水庫區(qū)的水文地質(zhì)條件。這些因素對巖體的性質(zhì)和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。然而，這些影響在高壩的設(shè)計(jì)和分析中常常被低估。

深庫高壩邊坡和壩肩巖體的應(yīng)力-應(yīng)變在很大程度上取決于巖體中裂隙發(fā)育程度以及裂隙水的存在。在水庫水位迅速上升期間，水體作用于水庫底的荷載基本上為面荷載，導(dǎo)致山坡變形，并對大壩應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)有顯著影響。

當(dāng)水庫蓄水時(shí)，高壩地基中開始經(jīng)歷復(fù)雜的變形過程，這一變形在大壩混凝土開始澆筑和水庫開始蓄水時(shí)就出現(xiàn)了，混凝土澆筑和水庫蓄水產(chǎn)生的重力導(dǎo)致水庫底板和大壩附近地面發(fā)生沉降。隨后，當(dāng)水滲入到裂隙中使得巖體飽水時(shí)，揚(yáng)壓力便開始作用于裂隙、壩基和壩肩。在大壩下游，這些過程主要受動(dòng)力和滲流的影響，伴隨著裂隙張開和強(qiáng)度指標(biāo)降低導(dǎo)致的巖體卸荷。在英古里(Inguri)水庫和薩揚(yáng)舒申斯克(Sayano-Shushenskaya)水庫蓄水期間，這些現(xiàn)象得到了野外綜合觀測和地球物理勘探的證實(shí)。

當(dāng)存在揚(yáng)壓力時(shí)，壩體的豎向壓應(yīng)力趨于減少，促使庫水滲透到水平施工縫中，導(dǎo)致?lián)P壓力作用在壩體上，并隨著壩高的增加而增加。

地球動(dòng)力學(xué)研究中心的專家們對包括英古里拱壩、薩揚(yáng)舒申斯克重力拱壩和卡潘達(dá)(Capanda)混凝土重力壩的研究表明，水庫蓄水和季節(jié)性水位波動(dòng)期，會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：

(1) 上下游壩肩巖體隆起；

(2) 壩頂形成縱裂縫，上游壩面施工縫張開；

(3) 形成新的滲流通道；

(4) 滲漏量增加。

1 壩基巖體隆起和抬升

英古里拱壩高271 m，壩基為層狀石灰?guī)r和白云巖。水庫初始蓄水時(shí)檢測到巖基隆起，蓄水過程中，監(jiān)測到壩體與壩基相對于地表基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生了沉降，這些基準(zhǔn)點(diǎn)位于排水廊道和地球物理監(jiān)測網(wǎng)中(見圖1)。

分析壩基基準(zhǔn)沉降曲線可知，在大壩建設(shè)過程中，沉降量隨著壩體重量的增加而增加。水庫蓄水后，由于庫水荷載導(dǎo)致沉降進(jìn)一步發(fā)生。伴隨著沉降，壩基巖體的彈性波速增加。然而由于水滲入到巖體裂隙中，揚(yáng)壓力增加，幾乎所有的監(jiān)測點(diǎn)都監(jiān)測到了壩基抬升，甚至位于大壩下游400 m遠(yuǎn)處的基準(zhǔn)點(diǎn)B也監(jiān)測到了抬升，同時(shí)巖體彈性波速急劇下降。

水庫蓄水過程中，庫水也滲入到壩體施工縫中，導(dǎo)致壩體進(jìn)一步抬升，壩高發(fā)生變化。將壩體中觀測到的沉降量減去壩基沉降量即是壩體垂直位移量，繪制基準(zhǔn)點(diǎn)累計(jì)垂直位移曲線，與水庫沉降曲線幾乎一致，只不過時(shí)間上滯后約1 a。這一滯后時(shí)間對應(yīng)于壩體壩基飽水和抬升所需的時(shí)間。

1.壩基廊道基準(zhǔn)點(diǎn)A位移；2. 壩下游400 m處基準(zhǔn)點(diǎn)B位移；3.壩體重量作用下預(yù)期的壩基沉降;4.6號基準(zhǔn)點(diǎn)區(qū)域預(yù)期的壩基沉降;5.水庫蓄水過程曲線;6和7.水庫蓄水造成基準(zhǔn)點(diǎn)A和B的垂直位移

同樣的現(xiàn)象在高242 m的薩揚(yáng)舒申斯克重力拱壩蓄水時(shí)也觀測到了，該壩壩基為正、副片巖，大壩建于1972～1989年間。1978年，水頭60 m，以后每年上漲，到1990年蓄水至正常蓄水位(NWL)540 m。監(jiān)測曲線表明，在大壩施工初期壩基就開始下沉，一直持續(xù)到1983年水庫蓄水初期(水位450 m)。1986年以來，上游水位為最低水位，壩基沉降量為29 mm。隨后，隨著庫水位升高，庫水滲入到巖體裂隙中，產(chǎn)生揚(yáng)壓力，壩基開始抬升。到2000年，壩基共抬升12 mm，同時(shí)隨著庫水位季節(jié)性上漲，壩基也垂直抬升。

每年同一時(shí)間，隨著庫水位上升，河谷兩岸山坡產(chǎn)生水平位移(垂直水流方向)，水平位移曲線為正切曲線。河谷兩岸山坡位移持續(xù)增長到1996年(水庫蓄滿水后6 a)，然后趨于穩(wěn)定。

在安哥拉的卡潘達(dá)壩，水庫蓄水時(shí)觀測到了類似的壩體抬升現(xiàn)象，這座混凝土重力壩建在水平層狀砂巖夾泥巖上。隨庫水位上升的抬升過程曲線如圖2所示，圖中還表明了埋設(shè)在中心壩段壩頂(高程953 m)、廊道中部(高程921 m)和壩基(高程860 m)的基準(zhǔn)點(diǎn)觀測到的豎向位移。

不同高程處的壩體垂直位移均隨著庫水位的變化而變化，盡管如上所述有些滯后。此外，水庫蓄滿水后，壩上半部分明顯上升而下半部分則下沉，從而表明壩體產(chǎn)生了拉伸變形。壩頂?shù)牡?次顯著抬升發(fā)生在2004年4月份，也就是水庫第1次蓄水到正常蓄水位(NWL)1 a后，到2007年中心壩段豎向拉伸值近15 mm。

對薩揚(yáng)舒申斯克壩水庫蓄水期間的變形特征研究表明，中心壩段(33號壩段，高程308 m)最大抬升出現(xiàn)在上游水位漲幅最大后的第18 d。在高程344 m，這一抬升出現(xiàn)在上游水位漲幅最大后的第26 d，壩頂(高程359 m)則是第33 d。

圖2 安哥拉卡潘達(dá)壩蓄水期間中心壩段不同高程垂直位移

隨著上游水位的升高，從低海拔處至壩頂，大壩呈臺(tái)階式抬升，這是由于壩體上游側(cè)施工縫和水平接觸縫的張開導(dǎo)致壩體連續(xù)拉伸造成的。應(yīng)當(dāng)指出的是，不僅壩址觀測到了抬升，壩址附近的巖體也發(fā)生了隆起。

為了監(jiān)測卡潘達(dá)壩上游斷層活動(dòng)情況，在斷層兩側(cè)埋設(shè)了基準(zhǔn)點(diǎn)，從2002年10月到2007年4月，進(jìn)行了8個(gè)周期的水準(zhǔn)觀測和分析工作，結(jié)果表明沿此斷層沒有發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。然而，水庫蓄水后各基準(zhǔn)點(diǎn)迅速監(jiān)測到了隆起，離河流最遠(yuǎn)處的監(jiān)測點(diǎn)隆起最大，而靠近水庫的監(jiān)測點(diǎn)隆起較小，這是由于受庫盆沉降影響所致。記錄的最大隆起為12.2 mm，距水庫4.5 km。當(dāng)水庫蓄滿水，庫盆沉降已趨于穩(wěn)定，河岸隆起已經(jīng)停止并隨后開始沉降，這時(shí)巖體中的地下水位上升，造成了監(jiān)測點(diǎn)的抬升。這表明，大壩和壩肩穩(wěn)定性的最危險(xiǎn)期是蓄滿水初期(和蓄滿水后第1年)，當(dāng)庫水滲入到巖體裂隙中使巖體飽和時(shí)。壩越高，蓄水水頭越高，水越容易滲入到巖體裂隙中，當(dāng)滲透水壓力等于巖體裂隙的強(qiáng)度時(shí)，裂隙便開始擴(kuò)張，導(dǎo)致?lián)P壓力越來越大。

2 巖體破壞過程

庫水位的變化導(dǎo)致巖體的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)和滲透性發(fā)生變化，壓力周期性的變化加速了滲流通道的連通和強(qiáng)度降低區(qū)的形成。隨著水位快速下降，進(jìn)入巖體裂隙內(nèi)的水來不及排出，在巖體裂隙中形成過大的裂隙水壓力，導(dǎo)致巖體破壞。圖3顯示的是英古里壩運(yùn)行期間壩基巖體彈性波速變化情況，在1996年，庫水位快速下降，每天下降2 m多，壩基巖體彈性波速出現(xiàn)了明顯的下降(下降30%到40%)，壩基巖體彈性波速下降顯然取決于庫水下降速率和下降幅度。

圖3 英古里壩基巖體彈性波速變化曲線

壩基滲流的突然變化，導(dǎo)致水頭的急劇波動(dòng)，擊穿封堵的鉆孔，形成新的滲流通道，滲流量增加。

由于庫水位下降速率高，墨西哥拉阿米斯塔德(La Amistad)壩在1996年發(fā)生了嚴(yán)重的問題。這座100 m高的大壩于1969年建成，并已成功運(yùn)行了27 a。然而，墨西哥北部一次長達(dá)4 a的嚴(yán)重干旱后，庫水位顯著降低，1996年庫水位下降特別快，持續(xù)時(shí)間特別長。庫盆由水平層狀石灰?guī)r組成，巖溶發(fā)育并富含巖溶水。隨著庫水位驟降，溶洞中的水壓力不能同步降低，在淺水中形成大的瘺管。在這些區(qū)域，水從石灰?guī)r層中擠出，在水庫中形成噴泉。然后庫水迅速流入溶洞，直到壓力逐漸平衡，在水庫邊緣形成直徑數(shù)米的孔洞。這些新形成的集中滲漏通道后被混凝土或巖石封堵。

水滲透到壩基巖體裂隙中，并使壩肩巖體隆起，對巖體應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)和巖體性質(zhì)有顯著的不利影響，在分析確定高壩安全可靠的運(yùn)行時(shí)，應(yīng)考慮這些影響。

1959年12月2日，法國66.5 m高的瑪爾巴塞(Malpasset)拱壩失事，這是在水庫蓄水或排空過程中壩肩位移導(dǎo)致的典型例子。該壩1954年建成，水庫開始蓄水時(shí)，沒有考慮大壩監(jiān)測到的位移。1959年12月1日，水庫水位上升2 m，水滲入左壩肩被黏土填充的裂隙中，造成左壩肩隆起并產(chǎn)生剪應(yīng)力，導(dǎo)致左壩肩壩塊位移并發(fā)生破壞。在這次事件中400人遇難，只有大壩右側(cè)部分殘留下來，而左岸大壩連同壩基全部被水沖走。

3 結(jié) 語

高壩水庫下和壩肩巖體的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)在很大程度上受水滲透到裂隙的影響，深庫的形成不僅對地殼產(chǎn)生了附加壓力，同時(shí)也改變其影響范圍內(nèi)的水文地質(zhì)條件。這些因素改變了巖體性質(zhì)和條件，往往在設(shè)計(jì)和分析高壩穩(wěn)定性時(shí)被低估。

高壩建設(shè)中，特別重要的是水滲透到巖體裂隙和孔隙內(nèi)對巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響。當(dāng)高壩水庫蓄水時(shí)，應(yīng)該考慮幾個(gè)因素：水滲入到巖體裂隙中產(chǎn)生揚(yáng)壓力而導(dǎo)致壩肩巖體重量的減輕；巖體裂隙張開和巖體卸荷導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低；巖體裂隙中充填的黏土飽水后強(qiáng)度喪失，對壩肩和壩基巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性也可能產(chǎn)生不利影響。

上述結(jié)論表明，在評估高壩可靠性和安全性時(shí)，要綜合考慮水庫與壩基間的相互作用，這種相互作用所產(chǎn)生的影響因素是密切相關(guān)的。