王 建，徐 瓊，荊 凱

(1.河海大學(xué) 水利水電工程學(xué)院，江蘇 南京 2100098；2. 遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110180)

0 引 言

變形監(jiān)測(cè)是大壩安全監(jiān)測(cè)的重要組成部分，當(dāng)監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)異常的變形時(shí)，通常表明大壩存在安全隱患或風(fēng)險(xiǎn)，必須加以重視。太平灣重力壩近二十年的位移變化總體上呈現(xiàn)出如下特征：河床壩段冬季向下游變形，夏季向上游變形，且總體為正值(向下游為正)；岸坡壩段則與之相反，冬季向上游變形，夏季向下游變形，且總體為負(fù)值。太平灣大壩所表現(xiàn)出的河床與岸坡壩段水平位移變形情況，與一般水工建筑物的變形規(guī)律有所不同，因此，該工程的水平位移規(guī)律具有一定的特殊性。

縱觀現(xiàn)有工程，也不乏出現(xiàn)變形異常的例子，如梅山壩3號(hào)和12號(hào)垛側(cè)向位移過(guò)大，李雪紅等[1]運(yùn)用時(shí)效分析、數(shù)學(xué)模型、有限元模型，定性定量、多方法多角度地綜合分析，解釋了是由溫度荷載、地形以及壩體結(jié)構(gòu)相互作用造成的。針對(duì)江埡大壩抬升過(guò)大的現(xiàn)象，王蘭生等[2]分析得到水庫(kù)蓄水變化造成的孔隙水壓力增高是主要原因，并判斷今后的升降變幅將逐漸減小。小浪底大壩的不協(xié)調(diào)變形[3]，則是由于不同區(qū)域的材料設(shè)計(jì)和力學(xué)性能沒有很好地匹配。

從目前大壩變形成因分析研究現(xiàn)狀可以看出，國(guó)內(nèi)外對(duì)于河床與岸坡壩段變形規(guī)律相反的研究涉及不多。這種異常變形是什么原因引起的以及對(duì)大壩有什么樣的影響，目前尚不清楚，所以本文對(duì)該異常變形成因進(jìn)行分析。研究成果不僅能認(rèn)識(shí)大壩結(jié)構(gòu)變形過(guò)程的成因和機(jī)理，為后續(xù)研究提供理論參考，還可為類似大壩變形分析提供指導(dǎo)性參考。

1 工程基本情況

太平灣水電站位于鴨綠江下游，水庫(kù)為日調(diào)節(jié)形式，死水位28.8 m，正常蓄水位29.5 m。樞紐建筑物由溢流壩(4號(hào)～32號(hào)壩段)、擋水壩(0號(hào)～3號(hào)、33號(hào)～61號(hào)壩段)、河床式廠房及變電站等組成，壩型為混凝土重力壩，壩全長(zhǎng)1 185.5 m，最大壩高31.5 m，壩頂高程36.5 m。為監(jiān)測(cè)大壩變形，在壩頂設(shè)置真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)。垂線系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)水平位移工作基點(diǎn)位移、校測(cè)壩體水平位移。其中正垂線1條，布置在20號(hào)壩段；倒垂線6條，布置在0、3、20、33、61號(hào)壩段，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，目前均采用監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。大壩平面圖與激光準(zhǔn)直布置系統(tǒng)見圖1。環(huán)境量過(guò)程線見圖2。

針對(duì)上述壩體水平位移異常變化問(wèn)題，研究對(duì)象選取典型變形異常壩段進(jìn)行成因分析，分別為河床溢流壩段18號(hào)、河岸擋水壩段58號(hào)。圖3是18號(hào)、58號(hào)水平位移實(shí)測(cè)值過(guò)程線，其中2006年與2014-2015年實(shí)測(cè)資料有缺失。本文首先結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)特征、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置，以及水文氣象、地形地質(zhì)、日照輻射等諸多條件，對(duì)異常變形的原因開展了定性分析與判斷；再結(jié)合有限元法數(shù)值模擬，定量論證該大壩異常變形的成因。

圖1 太平灣大壩立視圖與激光布置圖Fig.1 Taipingwan dam elevation view and laser plane layout

圖2 環(huán)境量過(guò)程線Fig.2 Environment volume process line

圖3 18號(hào)、58號(hào)壩段水平位移過(guò)程線(下游為正，上游為負(fù))Fig.3 Horizontal displacement process line of 18# and 58# dam section (downstream is positive, upstream is negative)

2 定性分析

針對(duì)太平灣河床與岸坡壩段變形異常的特點(diǎn)，結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)特征、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置，以及水文氣象、地形地質(zhì)、日照輻射等諸多條件，對(duì)異常變形的原因開展了初步定性分析與判斷，具體如下：

①如果岸坡壩段與河床壩段溫度變形機(jī)制相同，那么必定是溫度荷載(如水溫滯后)或者是激光變形基點(diǎn)受深部地溫滯后等因素引起，但由圖5水溫過(guò)程線可知，水溫滯后氣溫的時(shí)間并不長(zhǎng)(1個(gè)月左右)，因此不應(yīng)導(dǎo)致半年的相位差；而從激光準(zhǔn)值線的基準(zhǔn)點(diǎn)溫度滯后來(lái)看，目前尚沒有充分的依據(jù)(根據(jù)對(duì)地形地貌以及日照輻射影響等的分析)證明可能存在半年左右的相位差，因此，初步推斷是溫度對(duì)岸坡壩段與河床壩段變形的影響不同或兩者觀測(cè)方法上存在差異。

②如果是由于溫度對(duì)岸坡壩段與河床壩段變形的影響不同或兩者觀測(cè)方法上存在差異，那么根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地形、地質(zhì)、水位條件以及變形觀測(cè)點(diǎn)的布置等因素，綜合分析原因如下：

一方面，河床壩段位于水下的上游壩面受氣溫影響相對(duì)較??；而下游壩段處于空氣之中，受氣溫變化顯著。因此其溫度變形的機(jī)制更多表現(xiàn)為：夏季，下游壩面升溫幅度大而上游壩面升溫幅度小，由此引起壩頂向上游轉(zhuǎn)動(dòng)，表現(xiàn)為向上游變形；冬季與之相反。另一方面，從河床壩段向岸坡壩段推進(jìn)，隨著壩基面逐漸提高，上游壩體在水下部分逐漸減少，岸坡壩段的上下游面總體均為直立面，且位于上游水位以上，因此溫度變形主要為熱脹冷縮的體積變形。激光準(zhǔn)直所在的測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為冬季由于混凝土溫降收縮向上游變形，而夏季由于混凝土溫升膨脹向下游變形，由此估算出溫度變幅如下：

Δu=±α·ΔT·S

(1)

式中：α為混凝土線膨脹系數(shù)，取1.0×10-5；ΔT為氣溫相對(duì)平均值變化，取20 ℃；S為激光準(zhǔn)直點(diǎn)距離壩頂中軸線的距離，取3 200 mm。

即由此產(chǎn)生的變幅約為0.64×2=1.28 mm，該數(shù)值激光準(zhǔn)直與實(shí)際觀測(cè)到的變幅相當(dāng)。由于激光準(zhǔn)值布置在壩頂下游側(cè)，因此岸坡壩段表現(xiàn)為冬季向上游變形，夏季向下游變形。由此可見，溫度場(chǎng)分布差異對(duì)河床和岸坡壩段變形的影響是不同的。

(3)對(duì)于河床與岸坡壩段變形數(shù)值相反，其原因有兩個(gè)方面：首先，河床壩段受庫(kù)水推力的作用，因此向下游變形，而岸坡壩段沒有這種變形。其次，激光準(zhǔn)直首次觀測(cè)(基準(zhǔn)值)時(shí)氣溫總體較高，平均大約22 ℃，高于年平均氣溫，因此加劇了岸坡壩段與河床壩段變形的差異，使岸坡壩段向上游變形更多，河床壩段向下游變形更多。

3 定量論證

由上面的定性分析可以看出太平灣水平位移變形呈現(xiàn)與氣溫相關(guān)的年周期性變化，因此本次計(jì)算主要考慮溫度場(chǎng)對(duì)壩體變形的影響，同時(shí)水荷載一并考慮。

3.1 計(jì)算模型

網(wǎng)格劃分的原則是靠近表面的2 m內(nèi)細(xì)分，便于邊界溫度傳遞分析；內(nèi)部網(wǎng)格可以較粗略。18號(hào)壩段有限元網(wǎng)格模型共20 229個(gè)節(jié)點(diǎn)、19 7201個(gè)單元。58號(hào)壩段有限元網(wǎng)格模型共28 732個(gè)節(jié)點(diǎn)、25 452個(gè)單元。網(wǎng)格模型如圖4。

機(jī)車無(wú)動(dòng)力回送中，由于其空氣壓縮機(jī)無(wú)電停止使用，此時(shí)必須開放機(jī)車無(wú)動(dòng)力裝置。無(wú)動(dòng)力裝置由：DE無(wú)動(dòng)力塞門、DER壓力調(diào)整閥、C2充風(fēng)節(jié)流孔、CV單向止回閥等部分組成。

圖4 典型壩段有限元模型Fig.4 Finite element model of typical dam

3.2 邊界條件及荷載

計(jì)算坐標(biāo)系為：X軸正方向順?biāo)髦赶蛳掠?；Y軸垂直于水流方向，向左岸為正；Z軸正方向豎直向上。位移約束條件：壩基底面XYZ三向全約束，側(cè)面法向約束。溫度邊界條件：按第三類邊界條件考慮，壩體表面與空氣接觸，溫度等于氣溫；壩體表面與庫(kù)水接觸，溫度等于庫(kù)水溫度。

太平灣有完備的氣溫實(shí)測(cè)資料，見圖2，為了減小計(jì)算量，模擬公式如下：

Ta=6.36-8.51sin(2πτ/365)-21.82cos(2πτ/365)

(2)

式中：Ta為氣溫，℃；τ為時(shí)間，月。

2011-2013年該水庫(kù)高程26 m處的實(shí)測(cè)水溫見圖5，并參考朱伯芳院士的研究成果[4]，通過(guò)MATLAB初步模擬并在有限元計(jì)算過(guò)程中微調(diào)，最終模擬公式如下：

T(y,τ)=7.07+4.75e-0.04y+12.17e-0.018y×

cos[2π/12(12τ/365-6.5-1.5+1.3e-0.085y)]

(3)

式中：T(y,τ)為水深y處在時(shí)間τ時(shí)的水溫，℃；y為水深，m；τ為時(shí)間，月。

圖5 水溫過(guò)程線Fig.5 Water temperature process line

3.3 參數(shù)反演

混凝土熱力學(xué)參數(shù)是準(zhǔn)確計(jì)算溫度場(chǎng)的前提，對(duì)于缺乏材料參數(shù)的老壩，有必要對(duì)其進(jìn)行參數(shù)反演。為了定量驗(yàn)證，以實(shí)測(cè)水平位移值與有限元計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，其中線膨脹系數(shù)會(huì)影響計(jì)算值的幅度，而導(dǎo)溫系數(shù)會(huì)影響相位，因此本文主要針對(duì)壩體的線膨脹系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)進(jìn)行反演。

有限元計(jì)算采用線彈性模型，壩身和閘墩采用混凝土C30，閘門和支臂采用普通碳鋼。相關(guān)力學(xué)熱學(xué)初參數(shù)見表1。

表1 主要材料初參數(shù)Tab.1 The main material parameters

線膨脹系數(shù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)模型反演法得到。首先從原型監(jiān)測(cè)資料中分離出真實(shí)溫度分量δT，統(tǒng)計(jì)模型的表達(dá)式：

δ=δH+δT+δθ

(4)

其中，溫度分量表達(dá)式如下式，溫度分量過(guò)程線見圖6。

(5)

(6)

導(dǎo)溫系數(shù)反演則參照文獻(xiàn)[6]，假定多個(gè)不同的導(dǎo)溫系數(shù)ai，根據(jù)有限元可以得到多個(gè)ai～Δi之間關(guān)系的樣本點(diǎn)，采用最小二乘法擬合兩者之間的函數(shù)關(guān)系f(Δ)。壩頂實(shí)測(cè)位移相對(duì)于氣溫的滯后時(shí)間Δ，則真實(shí)導(dǎo)溫系數(shù)：

a=f-1(Δ)

(7)

經(jīng)反演，得到結(jié)果如下：線膨脹系數(shù)α=0.000 095 (1/℃)；導(dǎo)溫系數(shù)a=0.003 44 (kcal/kg/℃)。

3.4 論述分析

采用ABAQUS軟件模擬溫度、水壓、自重荷載。為了模擬隨時(shí)間變動(dòng)的水位和溫度，對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，借助ABAQUS提供的用戶子程序DISP定義各分量步上下游壩面的溫度邊界條件，包括水溫、氣溫以及太陽(yáng)輻射影響的情況。為了消除準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)的影響，溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)間取1986-2016年，共30 a；而為了減小計(jì)算量，變形計(jì)算時(shí)間僅取2014-2016年。

18、58號(hào)壩段溫度分量引起的水平位移的有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較曲線見圖6，氣溫最高時(shí)水平位移云圖見圖7，可以看出：18號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)處高溫向上游變形，最小值為-0.57 mm；低溫向下游變形，最大值為5.07 mm，符合河床壩段真實(shí)的變形規(guī)律。從水平位移云圖7(a)可以看出最高溫時(shí)，壩段整體向上游變形，壩趾及壩頂位移最大。58號(hào)壩段選取靠近下游側(cè)激光軸線上的點(diǎn)，高溫時(shí)測(cè)點(diǎn)處向下游膨脹，最大值為0.10 mm；低溫時(shí)測(cè)點(diǎn)處向上游收縮，最小值為-1.13 mm；符合岸坡壩段真實(shí)的變形規(guī)律。從水平位移云圖7(b)可以看出最高溫 時(shí)，測(cè)點(diǎn)處位移幾乎為0，由于只考慮溫度影響且上下游面都處于空氣之中，所以位移呈對(duì)稱。

圖6 18號(hào)、58號(hào)壩段有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較曲線Fig.6 Comparing curves of finite element calculation results and measured values of 18# and 58# dam section

圖7 18號(hào)、58號(hào)壩段氣溫最高時(shí)溫度分量引起的水平位移云圖Fig.7 Horizontal displacement cloud map caused by temperature components at the highest temperature of 18# and 58# dam section

壩頂變形呈現(xiàn)明顯的周期性變化，河床和岸坡壩段的計(jì)算值特征基本與實(shí)測(cè)值相符，有限元模擬結(jié)果好。壩體實(shí)測(cè)變形特征可以在有限元計(jì)算成果中得到較好的反映。

4 結(jié) 論

本文首先對(duì)大壩河床與岸坡壩段異常變形的原因開展了定性分析與判斷，然后建立典型壩段三維有限元模型，對(duì)壩體變形進(jìn)行定量驗(yàn)證。得出結(jié)論如下：

(1)溫度荷載是河床與岸坡壩段年周期變形的關(guān)鍵荷載。

(2)河床與岸坡壩段的變形趨勢(shì)相反主要是由兩者溫度場(chǎng)分布差異引起的。河床壩段位于水下的上游壩面受氣溫影響相對(duì)較小；而處于空氣之中的下游壩段，受氣溫變化顯著。因此冬季下游壩面降溫幅度大于上游壩面，引起壩頂向下游轉(zhuǎn)動(dòng)，表現(xiàn)為向下游變形；夏季與之相反。而岸坡壩段的上下游均為直立面，都位于水位以上，因此溫度變形主要為熱脹冷縮的體積變形，由于激光準(zhǔn)值布置在壩頂下游側(cè)，因此岸坡壩段表現(xiàn)為冬季向上游變形，夏季向下游變形。又因?yàn)楹哟才c岸坡壩段受庫(kù)水推力的作用影響不同，以及首次觀測(cè)(基準(zhǔn)值)的氣溫偏高，加劇了岸坡壩段與河床壩段變形的差異。

綜上所述，壩體受荷特點(diǎn)不同以及觀測(cè)點(diǎn)布置在下游側(cè)導(dǎo)致河床與岸坡壩段在溫度變形機(jī)制的不同，使得二者的變形趨勢(shì)相反；初次觀測(cè)的溫度偏高加劇了兩者變形的差異。

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