太平灣混凝土重力壩變形時(shí)空分布規(guī)律分析

荊 凱 ，常 亮 ，王 千 ，常洪軍

(1. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2. 太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東 118216)

憑借材料的優(yōu)越性，混凝土重力壩的建設(shè)規(guī)模不斷發(fā)展壯大，特別是國(guó)內(nèi)在建或已建的大型水利樞紐工程，混凝土壩已基本成為首選壩型。變形作為考量混凝土壩安全狀態(tài)的重要指標(biāo)之一，對(duì)它的關(guān)注滲透到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)。太平灣水電站位于遼寧省丹東市，混凝土重力壩建立在鴨綠江干流下游，壩址區(qū)河谷平坦，大壩不高但軸線較長(zhǎng)，主河床設(shè)28個(gè)開敞式溢流孔，從結(jié)構(gòu)布置上來看大壩軸向剛度較小。受氣候的影響壩區(qū)冰凍期長(zhǎng)、氣溫變幅大，大壩變形在時(shí)空分布上的規(guī)律有自身特殊性。本文結(jié)合實(shí)測(cè)壩體變形資料，重點(diǎn)分析太平灣大壩近些年來變化特征，揭示變化規(guī)律，指導(dǎo)大壩安全運(yùn)行，同時(shí)能為國(guó)內(nèi)類似工程提供技術(shù)借鑒。

1 工程概況

鴨綠江流域水資源豐富，由中朝兩國(guó)共享，已建的4個(gè)梯級(jí)電站中太平灣水電站處在流域的最下游。壩址以上集水面積53 576 km2，與水豐大壩區(qū)間面積664 km2，水庫死水位28.8 m，正常蓄水位29.5 m，調(diào)洪庫容1.29億m3，調(diào)節(jié)庫容0.18億m3，為一日調(diào)節(jié)水庫?；炷林亓斡梢缌鲏?、擋水壩、河床式廠房及變電站等組成，壩頂全長(zhǎng)1 185.5 m，共計(jì)68個(gè)壩段，壩頂高程36.5 m，最大壩高31.5 m，下游面立視圖見圖1。

大壩左岸為朝方側(cè)，右岸為中方側(cè)，壩后式廠房布置大壩右側(cè)，與右岸山體間用3個(gè)擋水壩段連接。溢流壩布置在主河床，右側(cè)與廠房連接，共設(shè)置28個(gè)開敞式溢流孔，左岸共29個(gè)擋水壩段。

圖1 太平灣大壩立視圖

大壩變形監(jiān)測(cè)主要依靠布置在壩頂?shù)恼婵占す鉁?zhǔn)直系統(tǒng)，同時(shí)垂線和雙金屬標(biāo)用于監(jiān)測(cè)壩體撓度變化和校核激光絕對(duì)位移。真空激光觀測(cè)系統(tǒng)在每個(gè)壩段設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，可同時(shí)監(jiān)測(cè)壩頂順河向水平位移和垂直位移，該系統(tǒng)從1998年開始運(yùn)行，近20年來系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)精度高，積累了較長(zhǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)序列，為了解分析壩體變形時(shí)空分布規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

2 水平位移時(shí)空分布規(guī)律分析

2.1 影響物理量

大壩在運(yùn)行中受到上下游水壓力、溫度荷載、揚(yáng)壓力、泥沙壓力、冰壓力、時(shí)效因素等而產(chǎn)生變形，在上述因素中，水壓和溫度荷載是影響太平灣大壩變形的主要因素。通常認(rèn)為水壓力使壩體產(chǎn)生位移表現(xiàn)在3個(gè)方面[1-2]，即庫水壓力使壩體變形產(chǎn)生的位移；水壓力使壩基變形產(chǎn)生的位移；庫水重使壩基面轉(zhuǎn)動(dòng)引起的壩體位移。溫度荷載產(chǎn)生的壩體位移主要表現(xiàn)在氣溫及水溫作用在大壩表面，使壩體混凝土產(chǎn)生溫度梯度，壩體溫度場(chǎng)分布狀態(tài)發(fā)生改變，混凝土在熱膨脹和冷收縮的效應(yīng)下產(chǎn)生變形。

地處東北地區(qū)的混凝土重力壩，壩體混凝土結(jié)構(gòu)、變形以及滲流更易受到低溫、冰凍的影響[3-5]。太平灣大壩水庫為日調(diào)節(jié)形式，上庫水位年變幅不大，上游水位和氣溫測(cè)值過程線見圖2。經(jīng)對(duì)2007—2016年近10年的上游水位統(tǒng)計(jì)，其平均年變幅為0.6 m，最大年變幅僅為0.87 m。壩址區(qū)氣溫平均值為9.58 ℃，平均年變幅為41.72 ℃，其中最大為44.7 ℃，最小為40.57 ℃。分析可知水壓基本恒定，氣溫年均值低、年變幅大，壩體溫度場(chǎng)在不同季節(jié)工況下分布狀態(tài)差異性明顯。

圖2 上游水位和氣溫測(cè)值過程線

圖3 17、46和55號(hào)壩段水平位移測(cè)值過程線

圖4 61號(hào)壩段垂線測(cè)值過程線

2.2 歷時(shí)分析

壩頂真空激光觀測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果表明，沿壩軸線總體可分為3個(gè)區(qū)域，其水平位移年際變化規(guī)律各不相同(見圖3、圖4)。

a.0～45號(hào)壩段實(shí)測(cè)水平位移量隨時(shí)間變化規(guī)律與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即高氣溫工況下壩體向上游變形，7月或8月達(dá)到最小值；低溫工況下壩體向下游變形，12月或次年1月達(dá)到最大值，基本與氣溫同步變化，無滯后作用。

b.左岸51～59號(hào)擋水壩水平位移變化規(guī)律與右岸相反，即高溫工況下壩體向下游變形，低溫工況下壩體向上游變形，與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系。這種變形隨時(shí)間變化規(guī)律越靠近左岸岸坡周期性越明顯。

c.46～50號(hào)壩段處于2種相異變形區(qū)的過渡區(qū)，這個(gè)區(qū)域水平位移周期性變化規(guī)律減弱，年變化幅度小。年度極值出現(xiàn)時(shí)間與上述兩個(gè)區(qū)域也有明顯差異，即最小值一般在2月或3月出現(xiàn)，最大值一般在10月或11月出現(xiàn)。

以上分析可知，大壩水平位移在左右呈相反的規(guī)律分布，即可以認(rèn)為沿軸線方向壩體出現(xiàn)一定程度的“扭曲變形”。經(jīng)分析，這種相反的變化規(guī)律不是在某一壩段突變形成，而是從46～50號(hào)壩段的一個(gè)過渡過程。左岸壩肩61號(hào)壩段布置有倒垂線，實(shí)測(cè)結(jié)果同樣有低溫工況壩體向上游、高溫工況向下游變形的變化規(guī)律，與真空激光觀測(cè)結(jié)果吻合。

2.3 一維分布分析

為分析壩體水平位移沿壩軸線分布規(guī)律，特別是高溫和低溫2種工況下壩體變形的差異性，統(tǒng)計(jì)了2007—2016年近10年每年1月和8月水平位移觀測(cè)量的平均值，其在壩軸線方向分布情況見圖5。

圖5 不同氣溫工況下水平位移平均值分布圖

a. 兩岸岸坡壩段(包括0號(hào)、2號(hào)、安裝間壩段和59號(hào)壩段)變形幅度小，壩體低矮、與壩肩山體相連是主要原因。

b. 低溫工況下，水平向位移量沿壩軸線呈階梯狀分布。第一個(gè)階梯為廠房和溢流壩，此區(qū)域在低溫作用下大壩向下游變形量最大，1～30號(hào)壩段平均變形量為3.54 mm；第二個(gè)階梯為34～50號(hào)擋水壩，平均變形量為-0.32 mm。兩個(gè)階梯間31～33號(hào)壩段為溢流壩轉(zhuǎn)變?yōu)閾跛畨蔚倪^渡區(qū)域，其實(shí)測(cè)變形量呈漸變式減小，30號(hào)壩段比34號(hào)壩段實(shí)測(cè)平均位移量大5.03 mm；第三個(gè)階梯為51～59號(hào)擋水壩，變形量沿壩軸線呈“V”形分布，其平均變形量為-1.59 mm。

c. 高溫工況下，第一階梯壩體向上游回彈變形明顯，第二階梯變化量小，第三階梯大壩總體向下游變形，因此產(chǎn)生第一和第三階梯向第二階梯“靠攏效應(yīng)”，各階梯平均水平變形量接近，階梯間的變形差變小，大壩水平變形在軸向趨于協(xié)調(diào)。

3 垂直位移時(shí)空分布規(guī)律分析

真空激光觀測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果表明，大壩垂直位移隨時(shí)間變化狀態(tài)呈較為規(guī)則的年周期性變化，其過程線見圖6。除右岸0號(hào)壩段以外，其余擋水壩和溢流壩垂直位移呈低溫工況下壩體下沉，溢流壩年度最大下沉量一般發(fā)生在12月或1月，擋水壩年度最大下沉量一般發(fā)生在1月或2月；高溫工況下壩體上抬，溢流壩年度最大上抬量一般發(fā)生在7月或8月，擋水壩年度最大上抬量一般發(fā)生在8月或9月。總體上，溢流壩垂直位移變化與氣溫基本同步，擋水壩滯后氣溫1個(gè)月左右。0號(hào)壩段與右壩肩山體相連，壩體不高，垂直位移變化規(guī)律與其他壩段相反。上、下游水位對(duì)垂直位移變化影響不明顯。

圖6 15、40和55號(hào)壩段垂直位移測(cè)值過程線

統(tǒng)計(jì)了2007—2016年每年1月和8月實(shí)測(cè)垂直位移量的平均值，并在圖7中繪制在高溫及低溫工況下垂直位移沿壩軸線一維分布情況。

圖7 不同溫度工況下垂直位移分布圖

a. 除右岸0號(hào)壩段外，大壩整體上遵循了低溫工況下沉、高溫工況上抬的基本規(guī)律。相同壩體結(jié)構(gòu)間各相鄰壩段總體變形協(xié)調(diào)，1月(低溫工況)在壩型過渡區(qū)存在的沉降差更為顯著，其中右岸0號(hào)壩段至1號(hào)廠房壩段平均沉降差約3.9 mm；4號(hào)廠房壩段與5號(hào)溢流壩沉降差約1.629 mm；31號(hào)溢流壩至33號(hào)擋水壩平均沉降差約2.6 mm；左岸擋水壩中，52～56號(hào)壩段間的沉降差約1.4 mm。

b. 8月年平均氣溫最高，大壩出現(xiàn)上抬回彈變形。實(shí)測(cè)位移量沿壩軸線分布狀態(tài)表明，高溫工況下壩型過渡區(qū)的沉降差普遍出現(xiàn)減小或消失，左岸52～56號(hào)擋水壩的沉降差基本消失，大壩變形在軸向收斂、趨于協(xié)調(diào)。

c. 這種變形差主要是由于壩體結(jié)構(gòu)布置和混凝土體積的差異性造成，如溢流壩為敞開式過流結(jié)構(gòu)，單寬混凝土體積相對(duì)要小，但外露表面積較大，因此其結(jié)構(gòu)剛度和溫度場(chǎng)分布與擋水壩均有差別。另外溢流壩上部布置啟閉機(jī)和工作橋等功用結(jié)構(gòu)，在一定程度上將對(duì)壩體變形產(chǎn)生一定的影響。

52～56號(hào)均為擋水壩，但在低溫工況也存在一定的沉降差，由大壩結(jié)構(gòu)分布情況可知壩體高度由主河床向左岸逐漸降低，此壩段區(qū)處于壩體高度減小速率較快的區(qū)域，壩體混凝土體積減小，溫度荷載作用下產(chǎn)生沉降差。

4 大壩變形性態(tài)綜合分析

通過以上分析可知，太平灣混凝土重力壩上庫水位常年變幅小，壩址區(qū)平均氣溫較低、年變化幅度大、冰凍期長(zhǎng)。因此從理論上來講，大壩產(chǎn)生的變形主要是溫度荷載作用在壩體上的物理反映，與水荷載相關(guān)性不大。通過對(duì)壩頂真空激光觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)大壩水平和垂直位移進(jìn)行的歷時(shí)分析、一維分布分析以及特征值統(tǒng)計(jì)，表明太平灣大壩變形規(guī)律與理論分析相符。但受樞紐布置、壩型結(jié)構(gòu)和東北地區(qū)環(huán)境等綜合因素的影響，太平灣大壩變形時(shí)空分布規(guī)律又有其自身特殊性。

a. 對(duì)大壩變形安全的不利工況為冬季低溫期，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示低溫工況下在壩型過渡區(qū)大壩水平和垂直位移均不同程度存在變形差，壩體變形沿軸向分布協(xié)調(diào)性差。高溫工況下，壩型過渡區(qū)的變形差普遍減小或消除，大壩變形向軸線收斂并趨于協(xié)調(diào)，壩體整體應(yīng)力水平也會(huì)隨之減小。

b. 左岸46～59號(hào)壩段水平位移與右岸呈相反的規(guī)律變化，即大壩水平向變形在左右岸呈“相異變化”的狀態(tài)分布，這種分布狀態(tài)在低溫工況下更為顯著。初步分析原因認(rèn)為，擋水壩自42號(hào)壩段向左岸建基面逐漸升高，壩體高度減低速率較快，隨著擋水壩的高寬比減小，大壩的抗彎剛度增加、抗彎能力增強(qiáng)。另外，越向左岸庫水淹沒上游壩面的面積占比減小，水平靜荷載作用力減弱，同時(shí)溫度荷載對(duì)壩體的作用程度大幅上升。壩體結(jié)構(gòu)的差異性和受力工況的改變，均可作為“相異變形”的考慮因素。

c. 大壩運(yùn)行近20年來尚未發(fā)現(xiàn)因變形導(dǎo)致的裂縫、斷裂等影響大壩安全的缺陷，觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在某些區(qū)域存在的變形差量值不大，且在高溫工況下大壩可有效回彈變形。因此，目前壩體變形狀態(tài)尚未對(duì)大壩整體安全造成影響，但應(yīng)關(guān)注壩型過渡區(qū)變形差以及左岸“相異變形”的發(fā)展趨勢(shì)，特別加強(qiáng)冬季低溫季節(jié)現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查，避免出現(xiàn)事故。

5 結(jié)論

根據(jù)布置在太平灣混凝土重力壩壩頂?shù)恼婵占す庥^測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果，表明大壩年周期性變形特征符合一般重力壩規(guī)律，氣溫是影響壩體變形的主要因素。左岸壩段水平位移出現(xiàn)“相異變形”，低溫工況下壩型過渡區(qū)變形差明顯，左岸因“相異變形”使壩體呈一定的扭曲變形。高溫工況下大壩變形趨于協(xié)調(diào)，變形差普遍減小或消除。分析認(rèn)為，低溫工況對(duì)大壩安全運(yùn)行不利，但高溫工況下大壩變形能有效回彈，說明大壩變形仍在彈性范圍內(nèi)，目前總體上是安全的。

[1] 顧沖時(shí)，吳中如．大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應(yīng)用[M]．南京：河海大學(xué)出版社，2006.

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