江垭大坝抬升资料分析及初步建模

2011-07-16廖文嘉黄立波

水利信息化 2011年5期

杨威，廖文嘉，黄立波

（湖南澧水流域水利水电开发有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

江垭水利枢纽工程位于湖南省慈利县澧水一级支流娄水中游，总库容为 18.55 亿 m3，正常蓄水位236 m，死水位 188 m，下游河床水位 125 m。大坝为全断面碾压混凝土重力坝，建基面高程为 114 m，坝高 131 m，坝顶总长 368 m，分为 13 个坝段，右起第 5～7 为溢流坝段。大坝内设置了 3 层观测排水廊道，高程分别为 120、160、200 m。大坝主体于1998 年 10 月 19 日正式下闸蓄水，1999 年底基本建成并投入试运行。

经观测，自水库蓄水运行以来，坝体及近坝山体发生了不同程度的抬升现象，而且一直没有停止，表现为持续抬升。经过分析和论证，认为抬升是由坝址基岩独特的地质构造所决定。本文对多年来的监测资料进行了整理分析，并建立统计模型，以判断其发展趋势。

1 坝址地质情况

江垭水库坝址处于江垭向斜 NW 翼，岩层走向与河流流向近于正交，倾向下游而略偏向右岸，平均倾角为 38° 左右。坝基处基岩为二叠纪石灰岩，大坝上游依次有泥盆纪、石英、志留纪、粉砂岩等砂岩分布；大坝下游有上二叠统硅质、页岩及三叠纪、白云质等灰岩分布。大坝主要持力层为二叠纪石灰岩，岩石坚硬，强度满足设计要求。基岩岩层存在隔水层和含水层交替分布的特性，使得不同的岩溶含水层分别形成独立的地下水渗流系统。在坝基下分布有倾向下游的 D2y岩层，该岩层为石英砂岩夹薄层页岩的承压热水含水层，厚 173 m，勘探资料表明 D2y含水层裂隙发育，富水性好，透水性强，该含水层分布受江垭向斜构造控制，在顺河流向剖面上呈现“U”型形态。含水层的补给区域位于坝址下游的向斜 SE 翼地表出露地区，海拔约为 700～1000 m，运输距离约 20～24 km。建坝前承压热水于坝址上游 160～310 m 处沿断层呈泉群状涌出，出露高程120～126 m，测得热水水温为 53 ℃ 左右。坝基地质纵剖面如图1 所示。

图1 江垭大坝坝基地质剖面图

2 抬升现象及机理

1998 年 12 月 30 日江垭水库 120 m 高程廊道进行了首次沉降观测，并确定了基准值。1999 年 9 月在复测中发现大坝及近山坝体发生了不同程度的抬升，抬升发生在距坝轴线上游约 500 m、下游约1100 m 的范围内，其中坝体抬升现象最为明显，抬升量较大。

自 1999 年 9 月抬升现象被发现，即引起各方的高度重视，湖南省水电勘测设计研究院、中国科学院地质与地球物理研究所及成都理工大学对抬升现象进行了专题分析研究，对岩层的取芯进行了压水和应力模拟试验。经过近 5 a 的考察和研究，专家组认为，水库蓄水后，水位的升高使得 D2y承压热水层水头增大，D2y岩层内空隙水压力增大，导致破碎岩体的有效应力降低，在总应力不变的情况下导致D2y岩层回弹扩容变形，从而引起上覆盖体的抬升。受水库最高水位的限制，D2y岩层内空隙水压力存在上限，抬升量也将是有限的[1]。

3 抬升监测及分析

自发现抬升现象至今已经超过 10 a，对抬升的监测工作一直在进行，抬升监测主要采用在抬升区域布设观测墩，组建 1 等水准网等方法进行。观测基点设置于抬升区域外，并单独设立水准环线进行校核，观测成果表明基准点是稳定的[2]。至 2009 年 12月 26 日，120 m 高程廊道、坝顶和近坝山体抬升的复测分别达到了 40，34，33 次。其中坝顶的首次测量时间为 2000 年 6 月 12 日，即 120 m 高程廊道第 6 次复测之时，近坝山体的首次测量时间为 2000 年 8 月 20 日，即 120 m 高程廊道第 7 次复测之时，自此抬升观测开始同步进行。此外，江垭枢纽的其它监测项目如变形、应力应变、温度及渗流监测等项目也取得了大量的数据资料，为抬升分析提供了参考。

3.1120m高程廊道抬升情况

120m高程廊道布设有 7 个 1 等水准测点，自右岸起分别为 LD4-2 (“LD”表示廊道，“4”表示测点所在坝段，“2”表示为该坝段的第 2 个测点，下同)、LD4-1，LD5-1，LD6-1，LD7-1，LD8-1，LD8-2。

为说明120m高程廊道抬升的逐年变化情况，在每年度均选取 1 次抬升数据进行对比，具体对照如表1 所示；为直观了解 120 m 高程廊道抬升量与水位间的关系，取 120 m 高程廊道 7 个测点的平均抬升量，结合水位绘制了如图2 所示的过程线。

通过对表1 及图2 的分析，总结 120 m 高程廊道抬升发展存在如下特点：

1）总体上，无论是单个测点的位移量还是 7 个测点的平均位移量，多年来一直表现为持续抬升，但抬升的年度增量大体上呈现逐渐减小趋势。至 2009 年 12 月，在 -39.1 mm 的累计抬升量中，约 -30 mm 发生在抬升初期的 2 a 时间内，占总抬升量的 77 %，在随后的 8 a 里仅有 -9 mm 左右，占23 %，大体上越到后期抬升速率越慢。

2）120 m 高程廊道各测点一致性较好，各点大体上呈均匀抬升，总体上以 7、8 # 坝段抬升量稍大，左岸抬升量较右岸稍大。在表1 中，不同测点同期测值相差不大，如在本期测量中，最大和最小抬升量测值相差仅为 4.1 mm，相对应的测点分别为 LD4-2 和LD8-1，测点间相距达 125 m，而相邻坝段之间的抬升量测值相差更小，最大仅为 1.5 mm，相应测点分别为 LD4-1 和 LD5-1。由此可以判断，虽然 D2y岩层膨胀变形导致的抬升量达到 -37.6～-40.8 mm，但实际上基岩的整体性较好，使得沿坝轴线方向布设的所有测点的垂直位移变形具有基本的一致性。

3）抬升受水位的影响，不但表现为抬升量受水位变化的影响，更重要的是体现了在较高水头长期作用下抬升量持续增加的变形模式，即产生时效位移。在图2 中，水位升高会导致抬升量增加，水位降低会导致抬升量有所减小，存在一定的正相关关系，这种现象在蓄水初期表现得最为明显，体现了抬升量受水位变化影响的特点，但是，当水库水位达到正常运行水位，并在这一水位附近长期波动而不再升高时，抬升量仍然表现出长期缓慢增长的趋势。

3.2 坝顶抬升情况

坝顶（245 m 高程）沿坝轴线方向自右到左共设置了 12 个 1 等水准测点，分布于 0～11 # 坝段，依次命名为 BD01～BD12（“BD”表示坝顶，数字表示测点所在坝段）。由于受到温度等因素影响，坝顶抬升规律相比 120 m 高程廊道复杂，具有明显的年变化周期。

表2 为坝顶 4～7＃坝段 1 等水准测点 2006 年度的 3 次复测值，分别为第 25，26，27 次，3 次复测时间分布较均匀，分别为 1，6，10 月，期间水位变化较小，有利于分析温度的影响。

表1 120m高程廊道测点各年度复测抬升量对照表

图2 12m高程廊道测点平均抬升量过程线

表2 2006年坝顶部分测点抬升量对照表

从表2 可以看出，坝顶 4 个测点 2006 年度 3 次观测平均值为 -17.9～-11.1 mm，变幅高达 6.8 mm，而 120 m 高程廊道测点由于位于坝内深处，温度影响极其微小。根据监测资料，同期相对应的测点LD4-1、LD5-1、LD6-1、LD7-1 经换算后的抬升量为 -16.15～-15.6 mm（120 m 高程廊道抬升第 6 次复测时，坝顶同期进行初次测量，此后同步观测。为便于对比同期坝顶和 120 m 高程廊道测点抬升量变化，在本节将 120 m 高程廊道第 6 次复测值作为初测值归零，第7 次复测值减去第 6 次复测值作为初次复测值，以此类推），相应的 2006 年年变幅为 0.4 mm，仅为坝顶测点同期变幅的 6 %。

根据江垭大坝实测资料，坝址最低气温出现在 1 月，最高气温出现在 8月，气温对碾压混凝土的作用范围往往达到表层以内 10 余 m。表层混凝土温度变化大，变形较大；内部混凝土温度变化较小，而且相对气温存在 2～3 个月滞后，使混凝土的温度变形也小，且存在滞后现象。坝顶抬升量在 12 月～次年 3 月明显要比 120 m高程廊道测点小，6 月左右基本相当，8～10 月比120 m 高程廊道测点大，这正是温度变化导致混凝土体积变化，进而影响到抬升测值。

影响坝顶抬升量测值变化的因素较多，温度是主要因素，但坝体在水压作用下产生位移、挠曲、转角，坝段之间、坝体与山体之间也存在相互作用，这些均可能引起垂直位移变化。坝顶抬升量实质上是 120 m 高程廊道抬升量与以上各种因素所引起的垂直位移量的叠加。

3.3 近坝区山体抬升情况

近坝山体共设置 29 个 1 等水准测点，布置在存在抬升现象的 2 岸坝肩、附近山体等范围。

近坝山体 1 等水准测量过程中，受到较多因素的影响，进而影响了测值的稳定性和可靠性。由于地形及地质因素影响，部分山体表层不够稳定，在水位、降雨等因素作用下出现了滑移，导致了测值异常，不同测点处气温及测点所在处岩体的热膨胀系数存在差异，也会带来一定的误差，此外人类活动（公路建设等）对个别测点所在山体位移也有一定的影响。

虽然存在各种因素的干扰，但抬升测值还是大致体现了以下规律：

1）山体随水位抬升而抬升，抬升量相比 120 m高程廊道较小，并且滞后时间更长，上涨滞后约2～4 个月，回落滞后约 6 个月左右。

2）近坝山体抬升量大小取决于山体位置，靠近大坝的山体（如坝肩部位）抬升量较大，与坝体抬升量接近，反之抬升量较小；某处山体抬升量大小还取决于该部位至 D2y岩层的垂直距离，即 D2y岩层上覆盖岩层厚度。厚度越大，抬升量越小，反之抬升量越大，这说明上覆盖层对 D2y岩层扩容变形具有抑制作用。

3.4 其他与抬升相关的监测情况

与抬升相关的监测项目主要有以下 4 点：

1）D2y承压热水层监测。主要通过钻深孔来监测 D2y岩层的承压水头、水温、水质等，监测数据表明多年来 D2y岩层处于稳定状态。

2）渗流监测。包括扬压力、绕坝渗流、坝基渗漏等监测，多年来未发现异常。

3）接缝观测。包括段坝间及边坡接缝观测，未发现坝段之间及大坝与山体之间存在异常的错动或接缝张开的情况。

4）水平位移监测。监测资料通过平面网、垂线、引张线等设备取得。监测数据表明，大坝水平与垂直位移密切相关。大坝的空间位移存在如下规律，水库水位增长，大坝向下游、右岸位移，并发生抬升；水库水位下降，大坝向上游、左岸恢复，并有一定的沉降。大坝这一位移规律，与岩层略偏右岸的特点有关。

4 抬升统计建模

建立模型时，有 120 m 高程廊道、坝顶和近坝山体的抬升数据资料可供选用，但是由于坝顶监测点受温度等因素影响明显，而近坝山体测点受到滑坡等更复杂的因素影响，给建模带来了干扰。120 m高程廊道深处坝体内部，距离建基面仅有 6 m，最靠近 D2y承压热水层，而且常年温度几乎没有变化，相对而言受到的干扰最小，其抬升情况能够直观反映出 D2y岩层的变形情况，故数据予以采用。

一般而言，枢纽结构的位移分量包括水位、温度和时效分量，即：

经观测，120 m 高程廊道多年温度变幅很小，坝基 D2y承压热水层温度恒定，温度影响可忽略，将式（1）简化为：

位移量 δ 选取 120 m 高程廊道 7 个测点的平均抬升量，水位因子 δH选用时间 t 前 5，15，30，60，90，120 天的平均水库水位 H5～H120，时效因子 δθ选用 2 个时间对数式 ln (t+1+11)、ln (t+1-594)。其中：t 为从 1998 年 12 月 30 日首次观测之日起累计的天数；由于未能预料抬升现象发生，未能及时进行早期观测，1998 年 5～8 月，水库有多次短时蓄水（水位最高至 170.74 m）、放空水库（水位高程 128 m）过程，1998 年 10 月 19 日开始正式蓄水，首次观测时水位已经蓄水至 167 m 高程，11 为考虑首次观测前水库蓄水放水影响的修正天数；2000 年 8月 15 日(即首次观测后第 594 天)，蓄水高程首次达到水库多年平均水位 208 m，ln (t+1-594) 为蓄水首次达到多年平均水位以后的时效因子之一，594 为首次观测后第 594 天。

由总共 40 次观测成果得出以下回归方程：

Y = -10.7662 + 3.6394 ln (t +1+11) + 1.3363 ln( t +1-594) + 0.0337 H5- 0.1153 H15+ 0.1595 H30-

为便于运算，在式 (3) 计算过程中，将抬升量测值中表示抬升方向的“－”号省略，回归方程中，1.3363 ln (t +1-594) 一项，在 t ≤594 时不计入回归方程。

标准误差为 7.6655×10–1，R2= 9.9250×10–1，回归模型拟合残差在 ±2 ×标准误差内（95 % 置信度），拟合情况较好。120 m 高程廊道抬升观测值（平均值）、拟合值、残差过程线如图3 所示，部分日期抬升分量对照表如表3 所示。

图3120 m 高程廊道抬升观测值、拟合值、残差过程线

表3 部分日期抬升分量对照表mm

由统计分析得出以下结论：

1）江垭大坝抬升的位移模式与一般位移不同，抬升量以时效位移量为主。在表3 中，水位分量影响较小，而时效分量占总抬升量的 80 % 左右，这说明抬升的实质是 D2y岩层在一定的水头长期作用下持续扩张从而导致上覆盖层抬高的过程。

2）在 1998 年 12 月 30 日首次 1 等水位测量之前 (t ＜ 0)，大坝及附近山体已经产生了部分抬升，即实际抬升量要大于观测所取得的测值。从实际情况来分析，1998 年 5～8 月水库有多次短时蓄水、放空水库过程，1998 年 10 月 19 日正式蓄水起至首次水准测量时间长达 72 d，水位由 128 m 缓慢上涨至167 m，在增加的水头作用下 D2y岩层的扩张必定会导致抬升发生，而且抬升量在初期增长是较快的；从拟合结果来看，回归方程存在较大的拟合截距（常数项，-10.7662 mm，亦即图3 中拟合过程线与位移 Y 轴的交点），这说明首次观测 (t = 0) 之前，坝基已经存在较为明显的抬升，这与对实际蓄水状况的分析是吻合的。

3）根据时效位移的特点，抬升不会停止，但抬升速率将逐渐减小。根据统计模型的预测结果，在正常的运行水位（210 m 左右）情况下，50 a 后大坝抬升量将达到 -50 mm 左右。