司 政， 吳艷兵， 段 彬， 胡興偉， 湯榮平， 張會(huì)員

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710065； 3.華能瀾滄江水電股份有限公司， 云南 昆明 650200)

1 研究背景

LD水電站采用河床式電站廠房， 2018年9月該電站下閘蓄水。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，蓄水后廠房壩段壩頂變形持續(xù)增大，與左、右岸相鄰壩段呈現(xiàn)出明顯的變形差。截止2021年6月15日，9#廠房壩段垂線測(cè)得壩頂向下游累計(jì)變形最大值達(dá)到25.00 mm，超過(guò)原計(jì)算值。大壩變形一般由水壓、溫度、時(shí)效3個(gè)分量組成。同類型的太平灣水電站大壩過(guò)渡區(qū)及左岸擋水壩段也曾出現(xiàn)水平變形差，主要原因?yàn)椴煌瑝味嗡芩畨汉奢d不同及溫度作用下不同壩段變形機(jī)制存在差異[1-2]。文正花[3]將班多水電站變形數(shù)據(jù)同壩前水位與環(huán)境溫度進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)了該河床式水電站大壩變形與壩前水位及溫度變化之間的規(guī)律，結(jié)果表明在蓄水階段大壩變形隨庫(kù)水位升高向下游增大，蓄水后大壩變形主要隨溫度做年周期性變化。華倩宇等[4]提出的位移統(tǒng)計(jì)模型從溫度分量中分離出了水化熱分量，其計(jì)算結(jié)果表明殘余水化熱對(duì)大壩總位移的影響隨時(shí)間逐漸明顯，不可忽視。除水壓與溫度之外，時(shí)效對(duì)大壩變形的影響同樣重要，在眾多經(jīng)典的徐變計(jì)算模型中，朱伯芳[5]提出的多項(xiàng)指數(shù)函數(shù)模型對(duì)大體積水工混凝土的適用性較好。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在基巖蠕變計(jì)算模型方面也取得了大量的研究成果，主要分為3類：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、理論模型、元件模型[6]。趙夢(mèng)瑤等[7]利用FLAC3D中的Cvisc蠕變模型模擬基巖蠕變，在考慮基巖蠕變情況下對(duì)某重力壩深層抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了分析，結(jié)果表明當(dāng)基巖較軟時(shí)，考慮基巖蠕變對(duì)大壩特征點(diǎn)變形及壩體深層穩(wěn)定均會(huì)產(chǎn)生影響。除水壓、溫度、時(shí)效3個(gè)主要因素之外，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者研究了河床式電站廠房壩段與溢流壩段之間橫縫止水的布設(shè)形式對(duì)壩體變形的影響，為類似工程優(yōu)化橫縫止水布置提供了參考[8-9]；岳晨雨[10]研究了深厚覆蓋層軟土地基上的廠房沉降，采用卸載-再加載模量代替原始變形模量，提高了變形計(jì)算精度，并對(duì)該類地基不同處理方式下的廠房沉降進(jìn)行了計(jì)算分析。在大壩變形預(yù)測(cè)相關(guān)研究中，國(guó)內(nèi)大量學(xué)者利用統(tǒng)計(jì)模型對(duì)各變形分量進(jìn)行了描述[11-13]。針對(duì)LD水電站廠房壩段變形問(wèn)題的特殊性，為厘清各分量在總變形中的占比，了解變形持續(xù)增大的原因，預(yù)測(cè)壩頂變形趨勢(shì)，本文在充分考慮廠房壩段各種荷載及邊界條件的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件ANSYS對(duì)LD水電站廠房壩段各變形分量進(jìn)行了計(jì)算分析。研究成果可為保障電站后期安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐，同時(shí)為解決類似工程問(wèn)題提供了一種思路。

2 工程概況

LD河床式水電站攔河壩共分16個(gè)壩段，從左到右依次為左副壩、溢流壩段、縱向?qū)味?、河床式廠房機(jī)組壩段(9#～11#)、底孔壩段、右副壩，壩頂總長(zhǎng)度為351.9 m。單個(gè)機(jī)組段寬度為28.6 m，機(jī)組壩段總寬度為85.8 m，順河向長(zhǎng)度為76.0 m，廠房最大高度為76.6 m，建基面高程為1 743.90 m，壩頂高程為1 820.50 m。

壩址區(qū)所處地層巖性較為單一，為二疊系上統(tǒng)深黑色、墨綠色斜長(zhǎng)石絹云母石英千枚巖夾少量微晶片巖及變質(zhì)砂巖。廠房部位開挖揭露的巖體為微新巖體，總體上巖體結(jié)構(gòu)呈層狀，完整性較好。廠房基巖為千枚巖或千枚巖與變質(zhì)砂巖互層，巖體等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

LD水電站廠房壩段壩頂順?biāo)飨蜃冃蚊黠@，8#泄洪底孔壩段與9#廠房壩段間、12#縱向?qū)味闻c11#廠房壩段間的壩體上游面頂部均可見(jiàn)明顯錯(cuò)臺(tái)，如圖1所示。錯(cuò)臺(tái)在每年3-4月份達(dá)到最大，之后逐漸減小，以年為周期往復(fù)變化。上游帷幕灌漿廊道內(nèi)機(jī)組壩段與相鄰壩段變形基本一致，結(jié)構(gòu)縫面處無(wú)明顯的錯(cuò)臺(tái)，如圖2所示。

圖1 廠房壩段與相鄰壩段上游面錯(cuò)臺(tái) 圖2 壩體上游帷幕灌漿廊道結(jié)構(gòu)縫

3 監(jiān)測(cè)資料分析

3.1 監(jiān)測(cè)儀器布置

廠房壩段水平變形由垂線系統(tǒng)和引張線共同監(jiān)測(cè)。垂線系統(tǒng)布置在9#廠房壩段，包括正垂線PL2和倒垂線IP2。垂線室位于9#壩段1 753.00 m高程、壩左0+010.400 m位置。倒垂線IP2從垂線室壩下0+009.625 m位置垂直向下延伸至1 706.00 m高程，正垂線PL2從垂線室壩下0+011.620 m位置垂直向上延伸至壩頂1 820.50 m高程。壩體垂直變形主要通過(guò)水準(zhǔn)網(wǎng)監(jiān)測(cè)。9#廠房壩段進(jìn)水口頂部設(shè)有兩個(gè)水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)LD12和LDX11，LD12位于壩下0+0.050 m、壩左0+071.500 m位置；LDX11位于壩下0+023.000 m、壩左0+071.500 m位置；尾水平臺(tái)設(shè)有一個(gè)水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)LDW11，位于壩下0+077.700 m、壩左0+071.500 m位置?；鶐r變形由基巖變位計(jì)監(jiān)測(cè)，9#廠房壩段壩踵和壩趾分別布設(shè)MD1-CF和MD2-CF兩個(gè)基巖變位計(jì)，監(jiān)測(cè)深度為15 m。9#廠房壩段監(jiān)測(cè)儀器布置位置如圖3所示。

圖3 9#廠房壩段監(jiān)測(cè)儀器布置圖

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖4為9#廠房壩段LD12、LDX11測(cè)點(diǎn)垂直變形量過(guò)程線(沉降為正，抬升為負(fù))。由圖4可以看出，截止2021年6月15日，9#廠房壩段進(jìn)水口頂面上游側(cè)LD12測(cè)點(diǎn)最大沉降量為1.81 mm(2021年2月7日)，進(jìn)水口頂面下游側(cè)LDX11測(cè)點(diǎn)最大沉降量為7.37 mm(2021年2月7日)。變形曲線與溫度相關(guān)性較強(qiáng)，表現(xiàn)為溫度升高時(shí)壩體略微抬升，溫度降低時(shí)壩體略微沉降。廠房壩段壩頂上游側(cè)沉降量小于下游側(cè)，總體表現(xiàn)為向下游傾斜。

圖4 9#廠房壩段LD12、LDX11測(cè)點(diǎn)垂直變形量過(guò)程線

圖5為9#廠房壩段基巖變位計(jì)變形量過(guò)程線(拉伸變形為正，壓縮變形為負(fù))。由圖5可知，壩基深部巖體隨壩體混凝土澆筑重量的增加呈壓縮變形趨勢(shì)，混凝土澆筑完成后，基巖變形基本無(wú)變化。2018年9月下閘蓄水后壩踵基巖壓縮量稍有減小，水庫(kù)蓄水穩(wěn)定后壩踵和壩趾基巖壓縮量均處于穩(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測(cè)開始以來(lái)，9#廠房壩段壩踵MD1-CF深部變形量介于-0.73～0.48 mm之間，而壩趾MD2-CF深部變形量介于-0.13～0.13 mm之間，壩基深部變形很小。

圖5 9#廠房壩段基巖變位計(jì)變形量過(guò)程線

圖6為9#廠房壩段垂線順河向變形量過(guò)程線(向下游為正)。由圖6可以看出，垂線室倒垂線IP2順河向變形量介于1.87～5.27 mm之間，倒垂線各測(cè)點(diǎn)變形量的變化較小，表明壩基變形趨于穩(wěn)定。壩頂正垂線PL2順河向變形量介于16.24～25.00 mm之間，其中最大順河向累計(jì)變形量為25.00 mm，發(fā)生在2021年4月27日。蓄水階段，正垂線PL2測(cè)值變化和庫(kù)水位變化呈現(xiàn)正相關(guān)，庫(kù)水位抬升，則垂線變形量向下游增大，庫(kù)水位穩(wěn)定后，則垂線變形量隨溫度呈現(xiàn)年周期性變化。2020年8月15日-2020年10月27日垂線系統(tǒng)儀器出現(xiàn)故障，因此該時(shí)段內(nèi)無(wú)讀數(shù)。監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)引張線與垂線變化趨勢(shì)一致。

圖6 9#廠房壩段垂線順河向變形量過(guò)程線

4 廠房壩段變形計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

本文選取LD水電站9#廠房壩段進(jìn)行三維有限元仿真計(jì)算，計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖7所示。坐標(biāo)系原點(diǎn)位于發(fā)電機(jī)及蝸殼中軸線1 770.40 m高程(水輪機(jī)安裝高程)處，橫河向?yàn)閄軸方向，指向右岸為正；順河向?yàn)閅軸方向，指向下游為正；鉛直方向?yàn)閆軸方向，向上為正。

圖7 9#廠房壩段變形計(jì)算有限元模型示意圖

4.2 外荷載作用下廠房壩段變形計(jì)算

在影響壩體變形的各種荷載中，水壓力為主要因素[14-15]。為研究壩前水位變化對(duì)廠房壩段變形的影響， 在考慮壩體混凝土自重、永久設(shè)備重量等不變荷載的同時(shí)，還需考慮上游水位變化，分別計(jì)算各蓄水時(shí)段不同的水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力等作用下壩體的變形。根據(jù)施工期試驗(yàn)數(shù)據(jù)， C25混凝土彈性模量為28.72 GPa，泊松比為0.167。廠房建基巖體變形模量為6 GPa，泊松比為0.25。上、下游灌漿廊道處均設(shè)有壩基排水孔，在排水孔處對(duì)揚(yáng)壓力進(jìn)行折減，上、下游折減系數(shù)按實(shí)測(cè)值分別取0.17、0.31。

水庫(kù)蓄水過(guò)程中，下游水位基本穩(wěn)定在1 780.00 m高程。不同壩前水位作用下廠房壩段順河向變形計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同上游水位時(shí)外荷載作用下9#廠房壩段順河向變形云圖

由圖8中計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)上游水位從庫(kù)底蓄至1 784.00 m高程時(shí)，壩頂順河向變形最大值變化很小，約為0.80 mm；當(dāng)上游水位蓄到1 795.00 m高程時(shí)，壩頂順河向變形最大值增加到2.70 mm；當(dāng)上游水位蓄至1 816.00 m高程時(shí)，壩頂順河向變形最大值增加到12.33 mm。此時(shí)PL2測(cè)點(diǎn)順河向變形為12.02 mm，廠房壩段基底面最大變形為3.49 mm。

在上下游水壓力、自重及地基面揚(yáng)壓力作用下，廠房壩段順河向變形整體向下游，垂直方向變形為上游壩頂略微抬升，尾水平臺(tái)略微沉降，廠房壩段在外荷載作用下整體表現(xiàn)為向下游傾斜，與監(jiān)測(cè)資料變形規(guī)律一致。當(dāng)壩前水位在1 784.00 m高程以下變化時(shí)，壩頂順河向變形變化較小，在1 784.00 m高程以上變化時(shí)，壩頂順河向變形變化較大。其主要原因有兩點(diǎn)：(1)當(dāng)水位在1 780.00 m高程以下時(shí)，壩前、壩后水位幾乎同時(shí)抬升，此時(shí)水位變化對(duì)壩頂PL2點(diǎn)順河向變形影響很??；當(dāng)蓄水超過(guò)1 780.00 m高程時(shí)，壩前水位繼續(xù)抬升，而壩后水位保持不變，因此在上、下游不平衡水壓力作用下，廠房壩段順河向變形逐漸向下游增大；(2)當(dāng)壩前水位在1 793.00 m高程以下時(shí)，進(jìn)水口下部結(jié)構(gòu)掏空率低，剛度大，因此結(jié)構(gòu)變形較小；當(dāng)壩前水位超過(guò)1 793.00 m高程時(shí)，進(jìn)水口上部結(jié)構(gòu)掏空率高，剛度小，因此在水壓力作用下，進(jìn)水口上部產(chǎn)生了較大的順河向變形。

4.3 溫度作用下廠房壩段變形計(jì)算

LD水電站在蓄水達(dá)到穩(wěn)定之后，關(guān)鍵部位的變形呈現(xiàn)出隨季節(jié)周期性變化的規(guī)律，初步分析是溫度變化所致[16]。本文根據(jù)混凝土施工進(jìn)度安排及熱力學(xué)參數(shù)，對(duì)9#廠房壩段自施工期開始至2021年6月全過(guò)程溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。LD水電站廠房壩段壩體混凝土于2015年8月中旬開倉(cāng)澆筑，2017年6月澆至壩頂1 820.50 m高程，施工結(jié)束。2018年9月LD水電站下閘蓄水，同年10月流道過(guò)水發(fā)電。根據(jù)LD水電站混凝土試驗(yàn)結(jié)果，得出廠房壩段C25混凝土的比熱為0.971 kJ/(kg·℃)，導(dǎo)溫系數(shù)為0.003 731 4 m2/h，導(dǎo)熱系數(shù)為8.696 kJ/(m·h·℃)，線膨脹系數(shù)為5.7×10-6/℃。計(jì)算過(guò)程中考慮了氣溫、水溫以及混凝土水化熱對(duì)壩體混凝土溫度的影響。氣溫和水溫變化曲線如圖9、10所示。

圖9 LD水電站壩址區(qū)氣溫曲線

圖10 LD水電站庫(kù)區(qū)不同深度水溫模擬曲線

采用氣溫余弦公式[5]對(duì)該水電站壩址區(qū)氣溫進(jìn)行擬合，擬合方程如下：

(1)

式中：Ta為氣溫，℃；Tam為年平均氣溫，為17.5 ℃；Aa為氣溫年變幅，為13.16 ℃；t為時(shí)間，d；t0為年最高氣溫距1月1日的天數(shù)，為196 d。

任意深度的平均水溫Tm(y)可由下式[5]進(jìn)行擬合：

Tm(y)=c+(Ts-c)e-0.04y

(2)

c=(Tb-Tsg)/(1-g),g=e-0.04H

(3)

式中：H為水庫(kù)深度，m；Ts為庫(kù)表年平均水溫，為16.5 ℃；Tb為庫(kù)底年平均水溫，為6.6 ℃。

混凝土絕熱溫升θ(τ)隨齡期的變化由雙曲線公式表示如下[5]：

θ(τ)=θ0τ/(n+τ)

(4)

式中：θ0為混凝土最終絕熱溫升，為29.5 ℃；τ為混凝土齡期，d；n為常數(shù)，取值為5.0。

混凝土彈性模量E(τ)與齡期τ的關(guān)系如下[5]：

E(τ)=E0(1-e-0.40τ0.34)

(5)

式中：E0為最終彈性模量，GPa，E0=1.45E(28)，E(28)取實(shí)測(cè)值28.72 GPa。經(jīng)計(jì)算E0=41.6 GPa。

溫度場(chǎng)計(jì)算模擬了從2015年8月15日混凝土開始澆筑到2021年6月15日時(shí)間段內(nèi)混凝土水化熱溫升、水溫、氣溫等的變化過(guò)程?；炷翝仓八蛔兓^(guò)程由APDL編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用ANSYS中的單元生死功能，將所有單元“殺死”，然后根據(jù)澆筑進(jìn)度分層激活，并加初始水化熱及邊界條件，蓄水后與水接觸的所有混凝土表面由固-氣邊界變?yōu)楣?水邊界[17]。

9#廠房壩段不同時(shí)間溫度場(chǎng)如圖11所示?；炷翝仓K激活后分別經(jīng)過(guò)水化熱溫升期、溫降期，最終逐漸達(dá)到穩(wěn)定溫度場(chǎng)[18]。穩(wěn)定溫度場(chǎng)即混凝土溫度隨環(huán)境溫度周期變化，峰值不再明顯變化。進(jìn)水口胸墻、主廠房排架柱等單薄部位混凝土達(dá)到穩(wěn)定溫度所需時(shí)間較短，約為1 a時(shí)間。廠房壩段進(jìn)口流道底部與尾水管上部大體積混凝土達(dá)到穩(wěn)定溫度需時(shí)較長(zhǎng)，如進(jìn)水口底部大體積混凝土內(nèi)部在澆筑完成3～4 a以后才達(dá)到穩(wěn)定溫度。達(dá)到穩(wěn)定溫度場(chǎng)后，各部位混凝土溫度年平均值接近同高程氣溫或庫(kù)水水溫年平均值。庫(kù)底水溫年平均值遠(yuǎn)小于環(huán)境氣溫，因此混凝土所處部位水深越大，則其溫度受蓄水影響越大。混凝土溫度穩(wěn)定后，未蓄水部位邊界溫度隨氣溫變化而變化，蓄水部位邊界溫度隨水溫變化而變化，廠房壩段于2018年10月過(guò)水發(fā)電，因此后期整個(gè)流道均為水邊界，溫度與水溫相同。

圖11 9#廠房壩段不同時(shí)間溫度場(chǎng)云圖

基于溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，對(duì)9#廠房壩段溫度作用下的變形進(jìn)行了計(jì)算。圖12為9#廠房壩段順河向溫度變形云圖。提取壩頂PL2測(cè)點(diǎn)溫度作用下變形數(shù)據(jù)，對(duì)所有數(shù)據(jù)減去 2017年11月19日開始監(jiān)測(cè)時(shí)的變形計(jì)算值，得到PL2測(cè)點(diǎn)溫度分量變形曲線，如圖13所示。

圖12 9#廠房壩段不同時(shí)間順河向溫度變形云圖

圖13 PL2測(cè)點(diǎn)順河向溫度變形曲線(向下游為正)

圖13中的計(jì)算結(jié)果表明，9#廠房壩段溫度變形分量隨環(huán)境溫度呈年周期性變化，壩頂溫度變形分量極值與庫(kù)底水溫極值出現(xiàn)時(shí)間基本相同。在空間上，廠房壩段變形呈現(xiàn)以下規(guī)律：低溫導(dǎo)致壩頂向下游變形，高溫導(dǎo)致壩頂向上游變形，且混凝土變形極值出現(xiàn)時(shí)間滯后于邊界溫度極值出現(xiàn)時(shí)間；廠房壩段底部溫度變形小，頂部溫度變形大；結(jié)構(gòu)單薄部位溫度變形大，大體積混凝土部位溫度變形??；且由圖12(b)、12(c)可以看出，廠房壩段壩頂與尾水平臺(tái)變形方向相反，7月份廠房壩段變形呈現(xiàn)出向上、下游張開的態(tài)勢(shì)，4月份則向中間收縮。分析以上變形規(guī)律的原因主要有以下幾點(diǎn)：(1)混凝土材料導(dǎo)熱性能差，壩段底部大體積混凝土內(nèi)部感知外界溫度能力弱[19]，內(nèi)部混凝土溫度變化滯后于邊界溫度，導(dǎo)致溫度變形極值出現(xiàn)時(shí)間滯后于溫度極值出現(xiàn)時(shí)間。在底部大體積混凝土變形的影響下，壩頂變形同樣滯后于溫度變化，最低氣溫出現(xiàn)在1月份，而壩頂變形最大值出現(xiàn)在3-4月份，滯后約兩個(gè)月。(2)不同深度水溫隨季節(jié)變幅不同，如圖10所示，水深1 m處水溫年變幅約為24 ℃，而水深70 m處水溫年變幅約為7 ℃。壩踵部位水深為69.0 m，尾水管出口處水深為29.1 m，2020年7月-2021年3月間壩踵混凝土溫度變形變化約為0.3 mm，尾水管出口處混凝土溫度變形變化約為-1.4 mm，尾水管出口部位變幅大于壩踵部位，由此可見(jiàn)水深越大，溫度變形變幅越小。(3)廠房?jī)?nèi)部混凝土邊界溫度與氣溫相同，氣溫變幅大于水溫變幅，因此在高溫時(shí)段，廠房?jī)?nèi)部高溫使得廠房壩段混凝土從中間向上、下游膨脹，導(dǎo)致壩頂向上游變形，尾水平臺(tái)向下游變形；低溫時(shí)段水溫高于氣溫，廠房?jī)?nèi)部低溫使得廠房壩段混凝土向中間收縮，導(dǎo)致壩頂向下游變形，尾水平臺(tái)向上游變形。通過(guò)以上計(jì)算分析，溫度變形變化規(guī)律與極值出現(xiàn)時(shí)間均與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。壩頂PL2點(diǎn)在溫度作用下順河向變形介于-1.55～6.07 mm之間。

由上述分析可知，LD水電站廠房壩段溫度作用下的變形規(guī)律與同類型的班多水電站基本一致[3]，壩頂變形皆表現(xiàn)出低溫時(shí)向下游增大，高溫時(shí)向上游回縮的規(guī)律。其次，不同結(jié)構(gòu)形式的壩段在溫度作用下的變形機(jī)制不同，是導(dǎo)致河床式水電站廠房壩段與其他壩段變形存在差異的一個(gè)主要原因。

4.4 時(shí)效影響的廠房壩段變形計(jì)算

混凝土大壩的時(shí)效變形非常復(fù)雜，通常由以下3部分組成：(1)混凝土徐變；(2)基巖的軟化及蠕變；(3)壩體材料的老化。由圖5基巖變位計(jì)測(cè)值可知，蓄水穩(wěn)定后基巖變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此在計(jì)算時(shí)間段內(nèi)可不考慮基巖的軟化及蠕變；壩體混凝土也處于運(yùn)行早期，可不考慮筑壩材料的老化[20-21]，因此時(shí)效變形僅考慮壩體混凝土徐變。

徐變度C(τ,τp)采用經(jīng)驗(yàn)公式(6)[5]進(jìn)行計(jì)算：

C(τ,τp)=C1(1+9.20τp-0.45)[1-e-0.30(τ-τp)]+C2(1+1.70τp-0.45)[1-e-0.0050(τ-τp)]

(6)

式中：τ為齡期，d；τp為加荷齡期，d；C1=0.23/E0，C2=0.52/E0。

混凝土徐變與加荷齡期呈反比關(guān)系，與瞬時(shí)彈性變形呈正相關(guān)[22]。電站下閘蓄水時(shí)，進(jìn)水口上部混凝土齡期小，而底部澆筑較早的混凝土齡期大，且進(jìn)水口上部掏空率大，順河向剛度小，壩頂所產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性變形較大，壩底瞬時(shí)彈性變形較小，因此進(jìn)水口上部混凝土徐變較大。經(jīng)計(jì)算，截至2021年6月15日，9#廠房壩段頂部PL2順河向混凝土徐變變形增量為6.68 mm。蓄水后的第1年內(nèi)，壩頂混凝土徐變變形增長(zhǎng)4.33 mm，第2年內(nèi)增長(zhǎng)1.75 mm，第3年僅增長(zhǎng)0.65 mm。由此可見(jiàn)，與大部分工程類似，LD水電站廠房壩段壩頂混凝土徐變變形在蓄水后3年內(nèi)基本趨于收斂[23]。PL2測(cè)點(diǎn)順河向混凝土徐變變形過(guò)程線見(jiàn)圖14。

圖14 9#廠房壩段PL2測(cè)點(diǎn)順河向混凝土徐變變形過(guò)程線(向下游為正)

4.5 壩頂總變形計(jì)算分析

將9#廠房壩段PL2測(cè)點(diǎn)由外荷載、溫度以及時(shí)效3個(gè)因素引起的變形進(jìn)行疊加，得到該點(diǎn)順河向的總變形過(guò)程線，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖15所示。PL2測(cè)點(diǎn)計(jì)算最大值為24.41 mm，出現(xiàn)在2021年4月15日，與監(jiān)測(cè)值最大值25.00 mm比較接近。

圖15 9#廠房壩段PL2測(cè)點(diǎn)順河向變形計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖15中計(jì)算結(jié)果表明，在水位上升階段，PL2測(cè)點(diǎn)順河向變形隨水壓變化而逐漸增大，當(dāng)壩前水位穩(wěn)定后，PL2測(cè)點(diǎn)順河向變形隨溫度變化而呈周期性變化，每年3-4月變形最大，9月變形最小，由于溫度變形峰值的變化及混凝土徐變的發(fā)展，PL2測(cè)點(diǎn)順河向變形最大值每年有一定的增長(zhǎng)，隨著混凝土溫度場(chǎng)漸趨穩(wěn)定以及混凝土徐變發(fā)展平緩，PL2測(cè)點(diǎn)變形增長(zhǎng)幅度減小，逐漸趨于穩(wěn)定。PL2測(cè)點(diǎn)順河向變形計(jì)算曲線與監(jiān)測(cè)得到的變形曲線基本吻合，廠房壩段順河向變形趨于穩(wěn)定。

壩頂PL2測(cè)點(diǎn)順河向計(jì)算變形最大值組成分量中，外荷載分量占比最大，約占總變形量的50%；其次為時(shí)效分量和溫度分量，分別占總變形量的27%和23%。蓄水完成后，壩頂PL2測(cè)點(diǎn)順河向變形峰值增大了3.83 mm，其中混凝土徐變變形增量為3.31 mm，占該階段變形增量的86%；溫度變形增量為0.52 mm，占該階段變形增量的14%。由此可見(jiàn)壩頂PL2測(cè)點(diǎn)變形峰值增長(zhǎng)的主要原因?yàn)榛炷列熳?，次要原因?yàn)闇囟茸饔谩?/p>

經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)體積較大、掏空率小、剛度較大時(shí)，溫度與時(shí)效對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響較小。當(dāng)結(jié)構(gòu)掏空率大、受力部位較單薄、剛度較小時(shí)，溫度與時(shí)效對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響較大。蓄水之前進(jìn)行的變形計(jì)算對(duì)溫度及時(shí)效作用的考慮不足，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)值大于原設(shè)計(jì)值。因此，對(duì)于河床式水電站廠房壩段等掏空率較大的混凝土結(jié)構(gòu)而言，變形計(jì)算過(guò)程應(yīng)充分考慮溫度及時(shí)效的影響。

5 討 論

如上所述，溫度、時(shí)效作用對(duì)河床式水電站廠房變形的影響顯著，設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)充分考慮。不同工程隨著結(jié)構(gòu)尺寸及型式、壩址區(qū)氣溫條件、蓄水時(shí)混凝土齡期等的變化，其變形組成中各分量的占比也會(huì)隨之變化。如班多水電站廠房壩段尺寸及結(jié)構(gòu)型式與LD水電站非常相似，由其變形監(jiān)測(cè)資料分析可知，其變形占比中水壓分量占比與LD水電站相近，但其壩址區(qū)日均氣溫年變幅大于LD水電站，導(dǎo)致溫度分量在總變形中占比較大[3]。不同階段導(dǎo)致壩體變形增長(zhǎng)的原因也會(huì)有所差別，如LD水電站在運(yùn)行初期因時(shí)效作用導(dǎo)致大壩變形最大值出現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)。而太平灣[1]、柘溪[24]等運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的大壩，其變形異?；蜃冃卧龃髣t主要與溫度或水位變化有關(guān)。在沒(méi)有進(jìn)行徐變?cè)囼?yàn)的前提下，設(shè)計(jì)階段無(wú)法準(zhǔn)確考慮時(shí)效分量，因此對(duì)于新建工程，時(shí)效變形往往是最大的不確定因素。尤其是河床式廠房等尺寸大、掏空率大的工程結(jié)構(gòu)。由于混凝土徐變往往是時(shí)效變形的主要部分，因此建議規(guī)模較大的工程進(jìn)行徐變?cè)囼?yàn)，然后結(jié)合有限元計(jì)算分析，可以在設(shè)計(jì)階段達(dá)到對(duì)工程結(jié)構(gòu)變形較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

6 結(jié) 論

本文從外荷載、溫度、時(shí)效3個(gè)方面開展研究，對(duì)LD河床式水電站廠房壩段變形進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，將計(jì)算得到的變形分量進(jìn)行疊加，然后與實(shí)測(cè)變形相比較分析，總結(jié)壩頂變形持續(xù)增大的原因。得出以下結(jié)論：

(1)廠房壩段變形主要由外荷載變形、溫度變形、時(shí)效變形3部分組成。壩頂最大變形中，外荷載分量占比最大，約占總變形量的50%；其次為時(shí)效分量和溫度分量，分別占總變形量的27%和23%。

(2)廠房壩段壩頂變形增大的主要原因?yàn)榛炷猎缙谛熳冚^大，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。該階段廠房壩段大體積混凝土溫度場(chǎng)還未完全穩(wěn)定，致使溫度變形分量最大值小幅增加。隨著溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定及混凝土徐變發(fā)展平緩，壩頂順河向變形最大值逐漸趨于穩(wěn)定，不會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。

(3)在進(jìn)行河床式水電站廠房壩段變形計(jì)算時(shí)，若忽略溫度與時(shí)效的影響，將導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差異偏大。建議在同類工程變形計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)充分考慮溫度與時(shí)效的影響。