溪洛渡特高拱坝初期蓄水期监测反馈分析

张 冲，尹华安

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2.国家能源水电工程技术研发中心混凝土坝分中心，四川 成都 610072)

1 概 述

拱坝以结构轻巧、线条光滑、体形优美、自适应能力强和超载安全系数大而著称。在坝址和坝高相同的条件下，拱坝体积仅为重力坝的1/2～1/5。坝越高，拱坝的优势也就越明显[1-2]。我国是目前世界上修建特高拱坝最多的国家，如建成的二滩(坝高240m)、小湾(坝高295.5m)、拉西瓦(坝高251m)、在建的溪洛渡(坝高285.5m)、锦屏I级(坝高305m)、拟建的白鹤滩(坝高279m)、乌东德(坝高277m)等。然而我国大量特高拱坝工程均处于试运行期、建设期和规划期，缺乏足够监测资料实际论证特高拱坝的受力变形特性。溪洛渡拱坝是我国装机规模最大的特高拱坝工程，目前已经进入初期蓄水阶段，由于前期对监测工作的重视，获得了大量监测成果资料，从而可以有效地开展监测反馈分析，综合论证大坝的实际安全状态，预测后期蓄水过程中大坝的变形状况，指导实际蓄水过程，同时为其他特高拱坝监测运行提供参考。

溪洛渡水电站位于四川和云南交界的金沙江溪洛渡峡谷河段挡，水建筑物采用混凝土双曲拱坝，最大坝高285.5m，坝顶高程610m，居世界特高拱坝之列。坝身有10个导流底孔、7个泄洪表孔、8个深孔，坝身开孔较多，大坝结构较为复杂。

坝址河谷呈对称的窄“U”型，河道顺直，岸坡陡峻，基岩裸露，河床覆盖层较浅，坝址区两岸谷肩及河床出露基岩均为二迭系上统峨眉山玄武岩，主要由12个玄武岩岩流层组成，总厚度490～520m，岩层以4°～6°倾角缓倾下游偏左岸。建基岩体风化卸荷较弱，区内断层不发育，典型的构造主要表现为岩流层层间和层内的构造错动带和节理裂隙系统。坝址区具备修建300m级高混凝土拱坝的地形地质条件。

溪洛渡拱坝坝身主要监测内容包括：坝体变位监测、坝基变位监测、渗流渗压监测、坝体横缝监测、坝基接缝监测、温度观测、坝体应力应变观测、拱端压应力、上下游水位、气温、降雨环境量观测等，本文根据监测反馈分析的需要，主要以坝体坝基变位监测进行反馈及预警分析，包括5、10、15、22、27坝段的垂线系统、347.00m高程、395.00m高程、470.00m高程、527.00m高程、563m高程廊道水准监测系统、坝后桥观测墩标及坝基多点位移计等。各仪器的布设位置如图1所示。

本文主要围绕溪洛渡特高拱坝初期蓄水阶段的变形受力特征展开讨论和分析。首先，基于原型监测成果，运用测值过程线图、空间分布图、特征值统计等分析归纳大坝的变形特征，建立若干监测反馈目标。其次建立有限元数值模型，通过监测反演分析，探索当前状态大坝及基础材料力学参数和空间展布，对数值仿真模型进行修正。再次，利用修正模型，通过现场实测数据与数值试验成果的综合对比，综合评判当前变形受力状态，并对将来蓄水运行过程作出预测分析和安全评价，以期为蓄水决策提供技术支撑。

2 蓄水监测及反馈目标设定

大坝各高程廊道沉降变位监测系统是投入较早的大坝位移监测系统，伴随大坝的浇筑及封拱过程，陆续获得各个时段大坝沉降变形资料。从定性角度分析，大坝沉降变形通常分为3个阶段：

图1 大坝位移监测系统

(1)大坝浇筑阶段，这一阶段的显著特点是，各高层廊道在自重等荷载作用下均发生垂直往下的变形，且下部高程廊道沉降变位大于上部高程廊道；

(2)初期蓄水阶段，该阶段随着水位抬升，库水对于大坝库盆的作用效应大于对于大坝的作用效应，各高程廊道沉降变位继续增加；

(3)后期蓄水阶段，该阶段大坝受库水影响的特性逐步显现，底部高程廊道在拱坝梁向应力作用下继续垂直往下变形，但上部高程廊道在大坝梁向应力作用下出现了抬升变形。

根据各廊道监测初值获取时间，以及大坝施工浇筑面貌，以大坝廊道沉降变形稳定后的增量作为监测反馈目标，以470m高程廊道为例，2011年末至2012年末，廊道沉降与大坝浇筑进度基本呈线性关系，故选取该时段沉降位移增量作为监测反馈目标，监测显示，2012年度沉降量达13mm。初期蓄水至540m过程的沉降变位可作为监测反馈复核。监测显示，水位超过500m后，大坝中下部高程沉降变形基本停滞，540m水位与500m水位沉降变形基本相当，如图2所示。

图2 坝体470m高程廊道垂直位移分布示意

大坝水平位移是反映拱坝受力特征最有效的标志，通常而言，可以分为三个阶段：

(1)大坝浇筑期，在自重作用下，由于倒悬作用，大坝整体往上游变形，大坝径向位移呈对称分布，指向上游，陡坡坝段往河谷方向变形，边坝段切向位移大于中间坝段，且基本反对称；

(2)初期蓄水阶段，自重作用下大坝往上游、往河谷方向的变位在大坝水荷载作用下逐渐减弱，至某特征水位，大坝自重产生的水平位移和大坝受库水作用产生的水平位移基本抵消，大坝整个水平位移系统接近0值；

(3)后期蓄水阶段，随着水位的进一步抬升，水荷载成为大坝水平变形的主要决定性因素，这时大坝水平位移指向下游，指向山里，拱冠梁处径向位移最大，且基本对称分布，两岸四分之一拱圈处切向位移最大，且基本反对称分布，至最高水位时，该水平变位系统亦达到最大值。第(2)(3)阶段的切换，通常没有一个明确的特征水位，而变现为一个较为宽泛的水位区间。

溪洛渡大坝水平位移主要依赖于大坝垂线系统，但大坝垂线系统受制于大坝浇筑进度影响，投入运行时间较晚，只能反映第三阶段变形，2013年4月，563.25m高程以下的各坝段垂线系统全部投入使用，当时水位约440.00m。本文以该时段为监测反馈初值，后期随水位继续上涨，当水位到达500.0m高程，15号坝段395.25m高程垂线系统获得最大径向变位5.44mm；当水位达到540.0m高程，15号坝段470.25m高程垂线系统获得最大径向变位17.57mm。15号坝段各垂线径向位移分布如图3所示，图中显示，大坝径向变位与水位上升关系良好，其他各坝段垂线系统均小于15号坝段。

监测数据显示，大坝切向变位基本呈现出反对称的变形特征，但右岸部分切向变形量略大于左岸部分，图4、图5给出了563m高程、470m高程拱圈切向变位，以上游水位从439m升至540m高程、563m高程廊道切向位移增量分布为例，反对称变形基本显现，左岸最大切向位移约2mm，而右岸最大切向位移接近5mm。

图3 15号坝段径向位移分布示意

此外，重要的大坝变位数据还应包括多点位移计获得的近坝基础变形数据，然而目前溪洛渡多点位移计数据较为离散，同一坝段多支多点位移计之间数据规律亦不统一，因此，本文不对多点位移计监测数据进行分析。

3 数值反馈试验及变形机理分析

3.1 数值模型及模拟方法

整体模型以坝轴线为中心，向上游取1.7km、左右岸各取2倍坝高、下游取2.5倍坝高，建基面以下约取1.5倍坝高，坝顶高程以上模拟至710m高程，网格模型见图6。地基模型详细模拟了各岩流层分布及软弱夹层，层间层内错动带为C2、C3、C5、C6、C7、C8、C9及Lc3、Lc4、Lc5、Lc6、Lc8以及软弱夹层P2βn，模拟了左岸坝基置换A区、C区，右岸置换B区、D区和E区。坝身模型模拟了大坝坝身孔口、贴脚、横缝等复杂结构特征。施工过程模拟了大坝季度浇筑及接缝灌浆面貌。模型全部采用六面体单元。

图4 563m高程廊道切向位移分布

图5 470m高程廊道切向位移分布

模型底面采用固定铰支座约束三向位移，4个侧面采用活动铰支座约束法向位移。水面以下的大坝及库岸表面施加静水压力边界条件。计算考虑了自重、水压以及浇筑期温度回升。

图6 大坝及基础有限元模型

考虑到初期蓄水阶段荷载较小，整个大坝基础系统均处于弹性工作状态。此外，溪洛渡拱坝基础由14个岩流层组成，层间、层内错动带发育，因此基础岩体具有较强的各向异性。故采用各向异性线弹性本构模型模拟基础岩体及大坝混凝土材料。

实施过程中，采用地质参数建议值为参数初值，利用本文第2节监测数据，以大坝及基础变形值以及变形规律为目标，反演推求大坝及基础当前阶段的材料参数，进而评价大坝工作状态，预测后期蓄水安全状况。

3.2 拱坝变位特征分析

经大量反馈分析计算，结果显示，溪洛渡拱坝数值仿真实验与监测数据表现出了良好的一致性。

竖向沉降变形是反映大坝混凝土自重效应以及库盆沉降的最佳监测数据，图7及表1给出了相关廊道竖向变位分布数据，可以看出，其分布规律和最大沉降位移均与图3给出的监测数据相似。

表1 计算数据与监测数据对比

计算显示，浇筑阶段梁向的竖向变位整体呈现下部大、上部小的特点，如图8所示，这与拱坝浇筑的实际一致，当拱坝浇筑时，下部拱圈先期成型并在自重作用下开始沉降，此时上部高程拱圈尚没有浇筑，因此底部的沉降变形不会被传递到上部，上部新的拱圈依然按照原设计控制坐标进行放线浇筑，而上部新增的沉降变形反过来又会继续加大底部的沉降变形，因而总体表现出底部沉降大、上部沉降小的特点，这与设计工况是截然不同的。设计分析时普遍采用整体自重或分缝自重的计算成果，该计算中，同一坝段一次加载，下部的沉降会立刻传递到上部，因而呈现出下部竖向变位小、上部竖向变位大的特点。监测仪器能否反映这种变位的特征，取决于其投入运行的时间，显然投入越早，越能反映这个特点。

图7 470m高程拱圈竖向沉降变形

图8 2013年3月大坝竖向变位等值线

大坝水平变位是大坝受水荷载作用，拱坝充分发挥结构特点的最客观反映。如图9所示，计算显示，浇筑期间，由于拱坝梁向倒悬的作用，大坝径向位移指向上游，最大达21mm；围堰拆除，大坝开始挡水后，大坝径向变位逐渐恢复，蓄水至500m高程附近时，拱冠梁径向位移回归0值附近，后期水位抬升，大坝开始往下游变形，当水位蓄至540m高程时，大坝径向位移达18.6mm(以440m水位时的计算值为初值)，最大变形发生在470m高程，如图10所示，这与监测数据17.57mm十分接近。

同样，如图11大坝切向位移分布显示，在大坝浇筑期拱坝径向位移指向河谷，这主要是陡坡坝段在自重的作用下，往河谷方向挤压变形；大坝蓄水后，往河谷方向的径向变位逐渐减轻，当水位达到500m高程附近，径向变位大致接近0值，随着水位进一步增加，径向变形逐渐指向两岸山体，拱坝拱效应逐渐显现，整个变位过程，径向位移始终保持反对称的状态，显示了大坝工作状态保持良好。

图9 拱冠梁顺河向位移分布示意

图10 拱冠梁径向位移分布(以蓄水前为初值)

溪洛渡垂线系统由于投入运行时间较晚，故无法完整反映大坝从自重状态到挡水状态完整的变形过程。

图11 563.25m高程廊道径向变位分布示意

3.3 材料参数评价

根据监测反馈目标，综合反馈后的材料参数如表2所示。

表2 坝基岩体材料参数

溪洛渡坝基由12层玄武岩岩流层组成，基本水平，略倾左岸和下游，且整个坝址区除了层间层内错动带外，其他结构弱面不发育，因此溪洛渡基础岩体呈现出明显的水平变模大于垂直变模的特点。具体到各岩级而言，本文反演的Ⅰ、Ⅱ类岩体基本位于设计建议的Ⅰ、Ⅱ类岩体参数之间，两者基本一致。Ⅲ1、Ⅲ2类岩体主要位于建基面上，其受固结灌浆影响，实际参数较设计参数略大，且越差的岩体，固结灌浆对变形参数的提升效应越明显。层间层内错动带需要明确区分固结灌浆范围内的结构弱面和超出固结灌浆范围的结构弱面，超出范围的部分参数与设计参数基本接近，而固结灌浆范围内的层间层内错动带参数提升效应极为明显[8]。综上所述，本次溪洛渡反馈分析给出的大坝基岩材料参数与设计给出的建议值基本一致，且规律性良好，较好反映了溪洛渡地质构造的特点。

对于大坝混凝土，设计给出的建议值是考虑了大坝长久运行，受徐变效应影响后的稳定模量，而当前溪洛渡大坝混凝土龄期普遍在3年附近，混凝土实际弹模较高。

以A区混凝土试验资料为例，试验显示混凝土弹性模量受两类因素影响[9]，一类是混凝土强度增长带来的混凝土弹性模量增长，两者之间呈正相关。统计资料显示，只考虑该因素，其弹模E与龄期D(天)的关系大致如下，其相关性在0.9以上：

E=6.131 911n(D)+15.006

另一类因素是大坝混凝土的徐变效应，随着龄期的增长，其徐变效应逐渐显现，导致大坝混凝土弹模降低。根据实验资料显示，溪洛渡大坝A区混凝土的徐变可用如下统计公式表示：

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

结合大坝混凝土受力状态，在3年龄期附近，其徐变导致的大坝混凝土弹模损失一般不超过20%，因此，当前阶段，溪洛渡大坝混凝土的实际弹性模量约在45～50GPa之间。本文实际反演参数大致反映了当前阶段混凝土的实际弹性模量状态。

综上所述，反馈分析显示的基础变形模量客观反映了溪洛渡坝址区地质基本特点，与设计建议参数基本一致，略有提升，说明现场坝基岩体的固结灌浆具有一定的效果，能改善大坝基础的刚度以及其整体性。大坝混凝土反演弹模在48GPa左右，客观反映了当前大坝混凝土弹模受强度增长和徐变同时作用的影响效应，反演的弹模值基本是合理的，符合大坝工程特点的一般性认识。

当然，需要说明的是，任何模型的反演参数均与模型及方法本身有一定关系，本文反演的参数并不一定适用于其他的分析模型。

4 大坝蓄水安全预测评价

溪洛渡蓄水规划方案显示，今年8月份，溪洛渡将大致蓄水至560m高程。

从前文图8～10的相关成果看，随着水位继续增长，径向位移继续增加，当蓄水至560m高程时，预计径向位移达20-26mm(以440m水位为初值的增量值)，最大位移作用点缓慢上抬至490m高程附近；切向继续保持反对称分布，最大值缓慢增长，以563m高程拱圈为例，预计达6mm左右，但需要说明的是，当前垂线系统切向位移监测数据变化较为迟滞，左岸始终在0值附近摆动，需要进一步查明原因。

从竖向位移看，随着水位增加，347m高程拱圈沉降变位基本稳定，395m高程、470m高程拱圈沉降变形会在原有沉降变位的基础上略有缩小，预计470m高程拱圈沉降变位将维持在15～20mm之间，如图12所示。在水压作用下，上部高程拱圈将出现往上的变形。

图12 各高程廊道沉降变位时间分布曲线

560m水位大坝上下游面主应力分布见图13、14，应力成果统计见表3。从图及表可以看出，溪洛渡大坝在蓄水至560m水位的过程中，整个大坝应力保持稳定，分布规律符合大坝常规受力特性。综合低水位的工况表明，上游面拉应力区随水位抬升而降低，且逐渐向坝踵集中，其余坝面拉应力较低，未见由于蓄水而拉应力范围和极值增加的迹象。蓄水过程中，大坝梁向及拱向应力出现重分布迹象，拱效应逐渐增强，如图15所示，扣除应力集中效应影响后，拉压应力极值均在合理的范围内。

表3 大坝应力统计

注：数据统计表扣除了周边应力集中区。

图13 水位560m，大坝上游面最大主拉应力云图

图14 水位560m，大坝下游面最大主压应力云图

图15 下游面主压应力矢量图

随着水位的抬升，拱坝承受的水荷载逐渐向两岸山体扩散，以400m高程拱圈为例，500m水位时，超过1MPa的主压应力区主要集中在建基面附近约0.5倍拱圈厚度范围内，540m水位时，这一区域达到约1倍拱圈厚度，560m水位时，进一步扩展到1.5倍拱圈厚度范围，如图16所示。

图16 水位560m、400m高程拱圈主压应力云图

5 结 论

长期以来，关于特高拱坝监测反馈的资料较少，这与我国当前特高拱坝建设运行的步伐有关。本文立足于建设中的溪洛渡拱坝工程，根据监测资料对大坝模拟方法进行修正，对材料参数进行反演，系统性地给出了一套监测反馈分析的方法，并结合相关分析，综合论述了溪洛渡拱坝变形特点，安全状况以及后期运行监测预测。本文主要有以下结论：

(1)特高拱坝从自重荷载作用变位转为水荷载作用变位，其变形特性发生较大的变化，更早地促使监测仪器投入使用将有助于揭示变形特征转换的过程。

(2)浇筑阶段，溪洛渡拱坝整体往上游、往河谷方向变位，蓄水阶段，在水荷载作用下，大坝变形逐步复位，且进而往下游、往两岸山体变位，径向变位远大于切向变位，大坝空间变位形态良好，显示大坝受力变形过程正常，安全可靠。

(3)当前阶段，溪洛渡拱坝基础岩石变形模量基本与设计建议值一致，部分略大，较好反映了溪洛渡坝址地质条件的特点，同时证明固结灌浆对于局部区域Ⅲ1、Ⅲ2以及层间层内错动带变形模量的提升是有效的。大坝混凝土龄期较短，弹模与混凝土强度的相关性较强，徐变效应暂不显著，整体弹性模量目前处于高位，后期随着龄期的增长，以及各种因素导致的徐变作用，混凝土的实际弹模将缓慢降低。

(4)整个蓄水过程，大坝基础变位、廊道沉降、大坝径向位移均正常连续变化，没有出现位移突变的迹象；蓄水至560m高程时，大坝顺河向位移最大值为20-26mm，往下游，与设计运行工况基本一致；大坝上下游应力分布正常，应力量值变化正常，未见应力恶化区域，应力分布规律整体符合大坝常规受力规律；两岸基础变形稳定，拉压应力量值均比较小。综合判断，初期蓄水阶段，大坝逐步蓄水至560m高程是安全的。

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