張 沖，尹華安

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.國家能源水電工程技術研發(fā)中心混凝土壩分中心，四川 成都 610072)

1 概 述

拱壩以結構輕巧、線條光滑、體形優(yōu)美、自適應能力強和超載安全系數(shù)大而著稱。在壩址和壩高相同的條件下，拱壩體積僅為重力壩的1/2～1/5。壩越高，拱壩的優(yōu)勢也就越明顯[1-2]。我國是目前世界上修建特高拱壩最多的國家，如建成的二灘(壩高240m)、小灣(壩高295.5m)、拉西瓦(壩高251m)、在建的溪洛渡(壩高285.5m)、錦屏I級(壩高305m)、擬建的白鶴灘(壩高279m)、烏東德(壩高277m)等。然而我國大量特高拱壩工程均處于試運行期、建設期和規(guī)劃期，缺乏足夠監(jiān)測資料實際論證特高拱壩的受力變形特性。溪洛渡拱壩是我國裝機規(guī)模最大的特高拱壩工程，目前已經(jīng)進入初期蓄水階段，由于前期對監(jiān)測工作的重視，獲得了大量監(jiān)測成果資料，從而可以有效地開展監(jiān)測反饋分析，綜合論證大壩的實際安全狀態(tài)，預測后期蓄水過程中大壩的變形狀況，指導實際蓄水過程，同時為其他特高拱壩監(jiān)測運行提供參考。

溪洛渡水電站位于四川和云南交界的金沙江溪洛渡峽谷河段擋，水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高285.5m，壩頂高程610m，居世界特高拱壩之列。壩身有10個導流底孔、7個泄洪表孔、8個深孔，壩身開孔較多，大壩結構較為復雜。

壩址河谷呈對稱的窄“U”型，河道順直，岸坡陡峻，基巖裸露，河床覆蓋層較淺，壩址區(qū)兩岸谷肩及河床出露基巖均為二迭系上統(tǒng)峨眉山玄武巖，主要由12個玄武巖巖流層組成，總厚度490～520m，巖層以4°～6°傾角緩傾下游偏左岸。建基巖體風化卸荷較弱，區(qū)內斷層不發(fā)育，典型的構造主要表現(xiàn)為巖流層層間和層內的構造錯動帶和節(jié)理裂隙系統(tǒng)。壩址區(qū)具備修建300m級高混凝土拱壩的地形地質條件。

溪洛渡拱壩壩身主要監(jiān)測內容包括：壩體變位監(jiān)測、壩基變位監(jiān)測、滲流滲壓監(jiān)測、壩體橫縫監(jiān)測、壩基接縫監(jiān)測、溫度觀測、壩體應力應變觀測、拱端壓應力、上下游水位、氣溫、降雨環(huán)境量觀測等，本文根據(jù)監(jiān)測反饋分析的需要，主要以壩體壩基變位監(jiān)測進行反饋及預警分析，包括5、10、15、22、27壩段的垂線系統(tǒng)、347.00m高程、395.00m高程、470.00m高程、527.00m高程、563m高程廊道水準監(jiān)測系統(tǒng)、壩后橋觀測墩標及壩基多點位移計等。各儀器的布設位置如圖1所示。

本文主要圍繞溪洛渡特高拱壩初期蓄水階段的變形受力特征展開討論和分析。首先，基于原型監(jiān)測成果，運用測值過程線圖、空間分布圖、特征值統(tǒng)計等分析歸納大壩的變形特征，建立若干監(jiān)測反饋目標。其次建立有限元數(shù)值模型，通過監(jiān)測反演分析，探索當前狀態(tài)大壩及基礎材料力學參數(shù)和空間展布，對數(shù)值仿真模型進行修正。再次，利用修正模型，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值試驗成果的綜合對比，綜合評判當前變形受力狀態(tài)，并對將來蓄水運行過程作出預測分析和安全評價，以期為蓄水決策提供技術支撐。

2 蓄水監(jiān)測及反饋目標設定

大壩各高程廊道沉降變位監(jiān)測系統(tǒng)是投入較早的大壩位移監(jiān)測系統(tǒng)，伴隨大壩的澆筑及封拱過程，陸續(xù)獲得各個時段大壩沉降變形資料。從定性角度分析，大壩沉降變形通常分為3個階段：

圖1 大壩位移監(jiān)測系統(tǒng)

(1)大壩澆筑階段，這一階段的顯著特點是，各高層廊道在自重等荷載作用下均發(fā)生垂直往下的變形，且下部高程廊道沉降變位大于上部高程廊道；

(2)初期蓄水階段，該階段隨著水位抬升，庫水對于大壩庫盆的作用效應大于對于大壩的作用效應，各高程廊道沉降變位繼續(xù)增加；

(3)后期蓄水階段，該階段大壩受庫水影響的特性逐步顯現(xiàn)，底部高程廊道在拱壩梁向應力作用下繼續(xù)垂直往下變形，但上部高程廊道在大壩梁向應力作用下出現(xiàn)了抬升變形。

根據(jù)各廊道監(jiān)測初值獲取時間，以及大壩施工澆筑面貌，以大壩廊道沉降變形穩(wěn)定后的增量作為監(jiān)測反饋目標，以470m高程廊道為例，2011年末至2012年末，廊道沉降與大壩澆筑進度基本呈線性關系，故選取該時段沉降位移增量作為監(jiān)測反饋目標，監(jiān)測顯示，2012年度沉降量達13mm。初期蓄水至540m過程的沉降變位可作為監(jiān)測反饋復核。監(jiān)測顯示，水位超過500m后，大壩中下部高程沉降變形基本停滯，540m水位與500m水位沉降變形基本相當，如圖2所示。

圖2 壩體470m高程廊道垂直位移分布示意

大壩水平位移是反映拱壩受力特征最有效的標志，通常而言，可以分為三個階段：

(1)大壩澆筑期，在自重作用下，由于倒懸作用，大壩整體往上游變形，大壩徑向位移呈對稱分布，指向上游，陡坡壩段往河谷方向變形，邊壩段切向位移大于中間壩段，且基本反對稱；

(2)初期蓄水階段，自重作用下大壩往上游、往河谷方向的變位在大壩水荷載作用下逐漸減弱，至某特征水位，大壩自重產(chǎn)生的水平位移和大壩受庫水作用產(chǎn)生的水平位移基本抵消，大壩整個水平位移系統(tǒng)接近0值；

(3)后期蓄水階段，隨著水位的進一步抬升，水荷載成為大壩水平變形的主要決定性因素，這時大壩水平位移指向下游，指向山里，拱冠梁處徑向位移最大，且基本對稱分布，兩岸四分之一拱圈處切向位移最大，且基本反對稱分布，至最高水位時，該水平變位系統(tǒng)亦達到最大值。第(2)(3)階段的切換，通常沒有一個明確的特征水位，而變現(xiàn)為一個較為寬泛的水位區(qū)間。

溪洛渡大壩水平位移主要依賴于大壩垂線系統(tǒng)，但大壩垂線系統(tǒng)受制于大壩澆筑進度影響，投入運行時間較晚，只能反映第三階段變形，2013年4月，563.25m高程以下的各壩段垂線系統(tǒng)全部投入使用，當時水位約440.00m。本文以該時段為監(jiān)測反饋初值，后期隨水位繼續(xù)上漲，當水位到達500.0m高程，15號壩段395.25m高程垂線系統(tǒng)獲得最大徑向變位5.44mm；當水位達到540.0m高程，15號壩段470.25m高程垂線系統(tǒng)獲得最大徑向變位17.57mm。15號壩段各垂線徑向位移分布如圖3所示，圖中顯示，大壩徑向變位與水位上升關系良好，其他各壩段垂線系統(tǒng)均小于15號壩段。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，大壩切向變位基本呈現(xiàn)出反對稱的變形特征，但右岸部分切向變形量略大于左岸部分，圖4、圖5給出了563m高程、470m高程拱圈切向變位，以上游水位從439m升至540m高程、563m高程廊道切向位移增量分布為例，反對稱變形基本顯現(xiàn)，左岸最大切向位移約2mm，而右岸最大切向位移接近5mm。

圖3 15號壩段徑向位移分布示意

此外，重要的大壩變位數(shù)據(jù)還應包括多點位移計獲得的近壩基礎變形數(shù)據(jù)，然而目前溪洛渡多點位移計數(shù)據(jù)較為離散，同一壩段多支多點位移計之間數(shù)據(jù)規(guī)律亦不統(tǒng)一，因此，本文不對多點位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

3 數(shù)值反饋試驗及變形機理分析

3.1 數(shù)值模型及模擬方法

整體模型以壩軸線為中心，向上游取1.7km、左右岸各取2倍壩高、下游取2.5倍壩高，建基面以下約取1.5倍壩高，壩頂高程以上模擬至710m高程，網(wǎng)格模型見圖6。地基模型詳細模擬了各巖流層分布及軟弱夾層，層間層內錯動帶為C2、C3、C5、C6、C7、C8、C9及Lc3、Lc4、Lc5、Lc6、Lc8以及軟弱夾層P2βn，模擬了左岸壩基置換A區(qū)、C區(qū)，右岸置換B區(qū)、D區(qū)和E區(qū)。壩身模型模擬了大壩壩身孔口、貼腳、橫縫等復雜結構特征。施工過程模擬了大壩季度澆筑及接縫灌漿面貌。模型全部采用六面體單元。

圖4 563m高程廊道切向位移分布

圖5 470m高程廊道切向位移分布

模型底面采用固定鉸支座約束三向位移，4個側面采用活動鉸支座約束法向位移。水面以下的大壩及庫岸表面施加靜水壓力邊界條件。計算考慮了自重、水壓以及澆筑期溫度回升。

圖6 大壩及基礎有限元模型

考慮到初期蓄水階段荷載較小，整個大壩基礎系統(tǒng)均處于彈性工作狀態(tài)。此外，溪洛渡拱壩基礎由14個巖流層組成，層間、層內錯動帶發(fā)育，因此基礎巖體具有較強的各向異性。故采用各向異性線彈性本構模型模擬基礎巖體及大壩混凝土材料。

實施過程中，采用地質參數(shù)建議值為參數(shù)初值，利用本文第2節(jié)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以大壩及基礎變形值以及變形規(guī)律為目標，反演推求大壩及基礎當前階段的材料參數(shù)，進而評價大壩工作狀態(tài)，預測后期蓄水安全狀況。

3.2 拱壩變位特征分析

經(jīng)大量反饋分析計算，結果顯示，溪洛渡拱壩數(shù)值仿真實驗與監(jiān)測數(shù)據(jù)表現(xiàn)出了良好的一致性。

豎向沉降變形是反映大壩混凝土自重效應以及庫盆沉降的最佳監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖7及表1給出了相關廊道豎向變位分布數(shù)據(jù)，可以看出，其分布規(guī)律和最大沉降位移均與圖3給出的監(jiān)測數(shù)據(jù)相似。

表1 計算數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

計算顯示，澆筑階段梁向的豎向變位整體呈現(xiàn)下部大、上部小的特點，如圖8所示，這與拱壩澆筑的實際一致，當拱壩澆筑時，下部拱圈先期成型并在自重作用下開始沉降，此時上部高程拱圈尚沒有澆筑，因此底部的沉降變形不會被傳遞到上部，上部新的拱圈依然按照原設計控制坐標進行放線澆筑，而上部新增的沉降變形反過來又會繼續(xù)加大底部的沉降變形，因而總體表現(xiàn)出底部沉降大、上部沉降小的特點，這與設計工況是截然不同的。設計分析時普遍采用整體自重或分縫自重的計算成果，該計算中，同一壩段一次加載，下部的沉降會立刻傳遞到上部，因而呈現(xiàn)出下部豎向變位小、上部豎向變位大的特點。監(jiān)測儀器能否反映這種變位的特征，取決于其投入運行的時間，顯然投入越早，越能反映這個特點。

圖7 470m高程拱圈豎向沉降變形

圖8 2013年3月大壩豎向變位等值線

大壩水平變位是大壩受水荷載作用，拱壩充分發(fā)揮結構特點的最客觀反映。如圖9所示，計算顯示，澆筑期間，由于拱壩梁向倒懸的作用，大壩徑向位移指向上游，最大達21mm；圍堰拆除，大壩開始擋水后，大壩徑向變位逐漸恢復，蓄水至500m高程附近時，拱冠梁徑向位移回歸0值附近，后期水位抬升，大壩開始往下游變形，當水位蓄至540m高程時，大壩徑向位移達18.6mm(以440m水位時的計算值為初值)，最大變形發(fā)生在470m高程，如圖10所示，這與監(jiān)測數(shù)據(jù)17.57mm十分接近。

同樣，如圖11大壩切向位移分布顯示，在大壩澆筑期拱壩徑向位移指向河谷，這主要是陡坡壩段在自重的作用下，往河谷方向擠壓變形；大壩蓄水后，往河谷方向的徑向變位逐漸減輕，當水位達到500m高程附近，徑向變位大致接近0值，隨著水位進一步增加，徑向變形逐漸指向兩岸山體，拱壩拱效應逐漸顯現(xiàn)，整個變位過程，徑向位移始終保持反對稱的狀態(tài)，顯示了大壩工作狀態(tài)保持良好。

圖9 拱冠梁順河向位移分布示意

圖10 拱冠梁徑向位移分布(以蓄水前為初值)

溪洛渡垂線系統(tǒng)由于投入運行時間較晚，故無法完整反映大壩從自重狀態(tài)到擋水狀態(tài)完整的變形過程。

圖11 563.25m高程廊道徑向變位分布示意

3.3 材料參數(shù)評價

根據(jù)監(jiān)測反饋目標，綜合反饋后的材料參數(shù)如表2所示。

表2 壩基巖體材料參數(shù)

溪洛渡壩基由12層玄武巖巖流層組成，基本水平，略傾左岸和下游，且整個壩址區(qū)除了層間層內錯動帶外，其他結構弱面不發(fā)育，因此溪洛渡基礎巖體呈現(xiàn)出明顯的水平變模大于垂直變模的特點。具體到各巖級而言，本文反演的Ⅰ、Ⅱ類巖體基本位于設計建議的Ⅰ、Ⅱ類巖體參數(shù)之間，兩者基本一致。Ⅲ1、Ⅲ2類巖體主要位于建基面上，其受固結灌漿影響，實際參數(shù)較設計參數(shù)略大，且越差的巖體，固結灌漿對變形參數(shù)的提升效應越明顯。層間層內錯動帶需要明確區(qū)分固結灌漿范圍內的結構弱面和超出固結灌漿范圍的結構弱面，超出范圍的部分參數(shù)與設計參數(shù)基本接近，而固結灌漿范圍內的層間層內錯動帶參數(shù)提升效應極為明顯[8]。綜上所述，本次溪洛渡反饋分析給出的大壩基巖材料參數(shù)與設計給出的建議值基本一致，且規(guī)律性良好，較好反映了溪洛渡地質構造的特點。

對于大壩混凝土，設計給出的建議值是考慮了大壩長久運行，受徐變效應影響后的穩(wěn)定模量，而當前溪洛渡大壩混凝土齡期普遍在3年附近，混凝土實際彈模較高。

以A區(qū)混凝土試驗資料為例，試驗顯示混凝土彈性模量受兩類因素影響[9]，一類是混凝土強度增長帶來的混凝土彈性模量增長，兩者之間呈正相關。統(tǒng)計資料顯示，只考慮該因素，其彈模E與齡期D(天)的關系大致如下，其相關性在0.9以上：

E=6.131 911n(D)+15.006

另一類因素是大壩混凝土的徐變效應，隨著齡期的增長，其徐變效應逐漸顯現(xiàn)，導致大壩混凝土彈模降低。根據(jù)實驗資料顯示，溪洛渡大壩A區(qū)混凝土的徐變可用如下統(tǒng)計公式表示：

C(t，τ)=(7.205 7+53.139 9τ-0.7576)[1-e-0.2430(t-τ)0.4274]

結合大壩混凝土受力狀態(tài)，在3年齡期附近，其徐變導致的大壩混凝土彈模損失一般不超過20%，因此，當前階段，溪洛渡大壩混凝土的實際彈性模量約在45～50GPa之間。本文實際反演參數(shù)大致反映了當前階段混凝土的實際彈性模量狀態(tài)。

綜上所述，反饋分析顯示的基礎變形模量客觀反映了溪洛渡壩址區(qū)地質基本特點，與設計建議參數(shù)基本一致，略有提升，說明現(xiàn)場壩基巖體的固結灌漿具有一定的效果，能改善大壩基礎的剛度以及其整體性。大壩混凝土反演彈模在48GPa左右，客觀反映了當前大壩混凝土彈模受強度增長和徐變同時作用的影響效應，反演的彈模值基本是合理的，符合大壩工程特點的一般性認識。

當然，需要說明的是，任何模型的反演參數(shù)均與模型及方法本身有一定關系，本文反演的參數(shù)并不一定適用于其他的分析模型。

4 大壩蓄水安全預測評價

溪洛渡蓄水規(guī)劃方案顯示，今年8月份，溪洛渡將大致蓄水至560m高程。

從前文圖8～10的相關成果看，隨著水位繼續(xù)增長，徑向位移繼續(xù)增加，當蓄水至560m高程時，預計徑向位移達20-26mm(以440m水位為初值的增量值)，最大位移作用點緩慢上抬至490m高程附近；切向繼續(xù)保持反對稱分布，最大值緩慢增長，以563m高程拱圈為例，預計達6mm左右，但需要說明的是，當前垂線系統(tǒng)切向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較為遲滯，左岸始終在0值附近擺動，需要進一步查明原因。

從豎向位移看，隨著水位增加，347m高程拱圈沉降變位基本穩(wěn)定，395m高程、470m高程拱圈沉降變形會在原有沉降變位的基礎上略有縮小，預計470m高程拱圈沉降變位將維持在15～20mm之間，如圖12所示。在水壓作用下，上部高程拱圈將出現(xiàn)往上的變形。

圖12 各高程廊道沉降變位時間分布曲線

560m水位大壩上下游面主應力分布見圖13、14，應力成果統(tǒng)計見表3。從圖及表可以看出，溪洛渡大壩在蓄水至560m水位的過程中，整個大壩應力保持穩(wěn)定，分布規(guī)律符合大壩常規(guī)受力特性。綜合低水位的工況表明，上游面拉應力區(qū)隨水位抬升而降低，且逐漸向壩踵集中，其余壩面拉應力較低，未見由于蓄水而拉應力范圍和極值增加的跡象。蓄水過程中，大壩梁向及拱向應力出現(xiàn)重分布跡象，拱效應逐漸增強，如圖15所示，扣除應力集中效應影響后，拉壓應力極值均在合理的范圍內。

表3 大壩應力統(tǒng)計

注：數(shù)據(jù)統(tǒng)計表扣除了周邊應力集中區(qū)。

圖13 水位560m，大壩上游面最大主拉應力云圖

圖14 水位560m，大壩下游面最大主壓應力云圖

圖15 下游面主壓應力矢量圖

隨著水位的抬升，拱壩承受的水荷載逐漸向兩岸山體擴散，以400m高程拱圈為例，500m水位時，超過1MPa的主壓應力區(qū)主要集中在建基面附近約0.5倍拱圈厚度范圍內，540m水位時，這一區(qū)域達到約1倍拱圈厚度，560m水位時，進一步擴展到1.5倍拱圈厚度范圍，如圖16所示。

圖16 水位560m、400m高程拱圈主壓應力云圖

5 結 論

長期以來，關于特高拱壩監(jiān)測反饋的資料較少，這與我國當前特高拱壩建設運行的步伐有關。本文立足于建設中的溪洛渡拱壩工程，根據(jù)監(jiān)測資料對大壩模擬方法進行修正，對材料參數(shù)進行反演，系統(tǒng)性地給出了一套監(jiān)測反饋分析的方法，并結合相關分析，綜合論述了溪洛渡拱壩變形特點，安全狀況以及后期運行監(jiān)測預測。本文主要有以下結論：

(1)特高拱壩從自重荷載作用變位轉為水荷載作用變位，其變形特性發(fā)生較大的變化，更早地促使監(jiān)測儀器投入使用將有助于揭示變形特征轉換的過程。

(2)澆筑階段，溪洛渡拱壩整體往上游、往河谷方向變位，蓄水階段，在水荷載作用下，大壩變形逐步復位，且進而往下游、往兩岸山體變位，徑向變位遠大于切向變位，大壩空間變位形態(tài)良好，顯示大壩受力變形過程正常，安全可靠。

(3)當前階段，溪洛渡拱壩基礎巖石變形模量基本與設計建議值一致，部分略大，較好反映了溪洛渡壩址地質條件的特點，同時證明固結灌漿對于局部區(qū)域Ⅲ1、Ⅲ2以及層間層內錯動帶變形模量的提升是有效的。大壩混凝土齡期較短，彈模與混凝土強度的相關性較強，徐變效應暫不顯著，整體彈性模量目前處于高位，后期隨著齡期的增長，以及各種因素導致的徐變作用，混凝土的實際彈模將緩慢降低。

(4)整個蓄水過程，大壩基礎變位、廊道沉降、大壩徑向位移均正常連續(xù)變化，沒有出現(xiàn)位移突變的跡象；蓄水至560m高程時，大壩順河向位移最大值為20-26mm，往下游，與設計運行工況基本一致；大壩上下游應力分布正常，應力量值變化正常，未見應力惡化區(qū)域，應力分布規(guī)律整體符合大壩常規(guī)受力規(guī)律；兩岸基礎變形穩(wěn)定，拉壓應力量值均比較小。綜合判斷，初期蓄水階段，大壩逐步蓄水至560m高程是安全的。

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