某碾压混凝土坝7号坝段异常水平位移原因分析

余成钢

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）

1 概述

大坝水平位移监测是混凝土坝最重要的监测项目之一。大坝水平位移受坝基地质条件、坝体结构、水压荷载、扬压力及坝体温度变化及时效等因素的综合影响，水平位移能较直接反映大坝实际运行状态。水平位移出现异常时应及时查明原因，分析对工程安全的影响，为评价大坝运行性态提供可靠依据。

2 工程实例

2.1 工程概况及存在的主要问题

某水电站为Ⅱ等大（2）型水电工程，总装机容量450 MW，水库总库容4.09亿m3，最大坝高113.0 m。拦河大坝为碾压混凝土重力坝，共分16个坝段，坝轴线采用折线布置，左岸1～6号坝段轴线方向向上游偏转约17°，其余坝段垂直于河床布置。

2009年工程正常运行以来，7号坝段坝顶水平位移（见图1）存在明显异常现象，主要表现在以下三个方面[1]：

（1）水平位移变形受气温影响很小，根据回归分析成果，左岸7号坝段上下游向水平位移温度因子占比为16.4%，远小于右岸11～15号等坝段温度因子占比（49.7%～73.7%之间）。

（2）7号坝段上下游向水平位移与库水位有高度相关性，受库水位影响明显，与一般混凝土坝正常运行期坝顶水平位移表现为随气温呈现年周期变化规律不一致。

（3）7号坝段上下游向水平位移存在向下游发展趋势。

笔者从坝体温度变化、坝体弹性模量等方面对以上三个方面异常现象的原因进行综合分析。

2.2 坝体温度变化对变形影响分析

采用间接耦合分析方法，先进行热分析，参考7号坝段实测温度进行调整后，将计算得到的坝体温度作为体荷载施加在结构分析中，在结构分析模块计算坝体在不同温度场情况下的大坝水平位移情况。

7号坝段有限元建模区域包括坝轴线往上游210 m，坝轴线往下游260 m，坝基深度180 m。模型共计122 298个单元，134 826个节点。有限元计算模型见图2。

根据工程勘测设计资料[1]，计算采用参数见表1。

图1 7号坝段坝顶实测水平位移Fig.1 Measured horizontal displacement of crest of section 7

图2 7号坝段有限元模型Fig.2 Finite element model of section 7

表1 计算采用参数Table 1 Parameters used in calculation

2.2.1坝体温度场下降过程对变形影响

为便于与实测水平位移变形成果进行对比，取2009年9月（7号坝段垂线起测时间）坝体温度为起始温度场，取2015年9月坝体温度作为稳定温度场，计算坝体温度场下降过程水平位移变化情况[1]。

2009年9 月、2015年9月模拟温度场见图3，选取2009年9月～2015年9月期间5个时间点的中间温度场，计算共计7个温度场情况下坝体水平位移情况，根据计算结果绘制2009年9月～2015年9月期间坝体温度下降过程坝顶水平位移过程线，见图4。

将坝体内部典型温度测点测值作为温度因子，对7号坝段坝顶上下游向水平位移进行回归计算，分离出因坝体温度下降导致的坝顶上下游向位移，见图5。

综上所述，计算及实测成果表明，7号坝段坝体温度场下降至稳定温度场过程对坝顶上下游向变形影响幅度为向下游约2 mm左右。

图3 模拟温度场Fig.3 Simulated temperature field

图4 2009年9月～2015年9月坝体温降过程变形计算成果Fig.4 Results of deformation calculation during dam temperature drop process,from September 2009 to September 2015

图5 坝体温降引起的坝顶实测变形成果Fig.5 Measured deformation of dam crest caused by dam temperature drop

2.2.2坝体温度因气温年周期性变化对变形的影响

根据实测成果，7号坝段高、低温季节下游面表层最大温差6～8℃[1]，但右岸12号坝段高、低温季节温差13℃左右，7号坝段可能受左岸下游侧厂坝连接段山体遮挡，坝体光照强度明显小于右岸坝段，因此7号坝段实测水平位移表现为受气温影响小，导致温度位移占比小。

根据有限元计算成果，在目前坝体温度场已较稳定情况下，低温季节向高温季节变化过程中，坝顶上下游向水平位移受气温影响幅度在1 mm以内。

2.3 坝体弹模对变形影响分析

7号坝段坝基、坝体上下游向水平位移分解过程线见图6。

2.3.1 坝基实测位移

坝基上下游向水平位移受气温、水位影响相对较小，符合一般坝基水平位移变形规律；略有向下游位移趋势，累计时效位移3 mm左右，已趋于收敛[1]。

7号坝段坝基渗水量比其他坝段大，可能存在一定地质缺陷，但坝基扬压力无异常。由图6可知，坝基向下游趋势性位移主要发生蓄水过程中，坝基向下游3 mm左右总位移量中有2 mm发生在水位升高至正常蓄水位过程中，是坝基受水压作用弹性变形的结果。正常运行以来向下游累计变形仅1 mm左右，表明7号坝段坝基即使存在一定缺陷，影响也十分有限，7号坝段坝基水平位移已逐步趋于稳定，坝基渗水也有明显减小现象。

图6 7号坝段上下游向水平位移分解Fig.6 Decomposition of horizontal displacement of section 7

2.3.2 坝顶实测位移

坝顶上下游向水平位移受库水位影响十分明显，尤其是2014年7月库水位升高至正常蓄水位附近时，坝体水平位移向下游发生3～4 mm左右突变，同时期坝体施工层面渗压计测值均未见异常变化，坝体下游面未见异常渗水现象，表明施工层面结合面出现弱化的可能性低[1]。因此有必要对坝体混凝土弹模进行反演，查明是否存在混凝土质量差导致的坝体弹模偏低问题。

2.3.3 坝体弹模反演

以混合模型为基本原理，运用有限元法分别计算不同水位工况下坝顶上下游向水平向位移，以此建立坝顶上下游向水平位移的混合模型，通过混合模型分别反演坝体弹模[2]。

基于前文建立的有限元计算模型，共计算从死水位（446.0 m）～校核洪水位（457.29 m）之间8种水位工况，典型计算工况下坝体上下游向水平位移云图见图7，根据计算成果绘制坝顶上下游向水平位移与库水位关系曲线，见图8。

图7 典型工况坝体变形云图Fig.7 Deformation nephogram of dam under typical conditions

结合7号坝段垂线观测资料得出坝顶变形混合模型[3]，得到拟合系数0.97，弹性模量调整参数X为0.97，由 X=Ec0/Ec可知 Ec为22.68 GPa，复相关系数R为0.89，剩余方差为0.48 mm，实测值与拟合值接近。说明该混合模型结果总体较可信[4]。

根据有关资料，碾压混凝土坝坝体混凝土的弹性模量一般在12.5～30 GPa之间[5]，本次反演得到的坝体综合弹模为22.68 GPa，与设计值考虑成果偏离不大，表明坝体弹模正常，不存在坝体弹模明显偏低导致水平位移与库水位相关明显的问题。

3 结语

（1）坝体变形受气温影响很小的原因：左岸7号坝段受坝轴线方位、下游侧厂坝连接段山体遮挡等因素影响，坝体温度变化幅度很小，下游面表层高、低温季节最大温差仅6～8℃，明显小于右岸12号坝段温差13℃；在目前坝体温场已较稳定情况下，7号坝段低温季节向高温季节变化过程中坝顶水平位移受气温影响幅度小于1 mm，反映坝顶温度位移分量占总位移的比重较低。

图8 计算水平位移和库水位的关系曲线Fig.8 Relation curve of calculated horizontal displacement and reservoir level

（2）坝体变形与水位相关性高的原因：从7号坝段坝基、坝顶上下游向水平位移分解情况看，坝基水平位移与库水位相关性不明显，与库水位相关性高主要反映在坝体变形上；从施工层面渗压及下游面检查情况看，层间结合较好；根据弹模反演结论，7号坝段坝体综合弹模为22.68 GPa，不存在明显偏低的现象；与同类同规模工程相比，本工程库水位变化对坝顶水平位移影响幅度并未超出2～4 mm的合理范围，上下游向水平位移与库水位相关性明显不是坝体自身原因导致，由于温度位移分量占总位移偏小，导致水压位移分量占比偏高。

（3）趋势性位移：7号坝段坝基向下游3 mm左右位移量中约有2 mm发生在水位升高至正常蓄水位过程中，是坝基弹性变形的结果，水库正常运行以来坝基向下游累计时效变形仅1 mm左右，量值很小，表明即使坝基存在一定缺陷，对坝基位移影响也十分有限，实测成果表明坝基水平位移正逐步趋于稳定，同时坝基渗水正逐步减少。坝体温降过程对坝顶上下游向变形影响幅度基本在2 mm左右，时效位移分量在5～6 mm左右，扣除2014年7月库水位升高至正常蓄水位附近时坝顶发生3～4mm左右向下游水平位移的影响，坝顶实际并不存在异常的下游向趋势性位移。

目前7号坝段变形正常。

[1]余成钢.戈兰滩水电站大坝安全首次定期检查监测资料分析报告[R].杭州:国家能源局大坝安全监察中心,2017:110-129.

[2]卢有清,吴中如.混凝土重力坝变形的混合模型及其应用研究[J].大坝与安全,1989(3):17-34.

[3]岳建平,华锡生.坝体弹模及坝基变模反演分析的研究[J].武汉测绘科技大学学报,1993,18(3):22-54.

[4]程琳,徐波,吴波,等.大坝安全监测的混合回归模型研究[J].水电能源科学,2010,28(3):48-50.

[5]吴中如.混凝土坝安全监控的确定性模型及混合模型[J].水利学报,1989(5):61-70.