某混凝土拱坝异常变形规律原因初探

胡 蕾，马 琨，李端有，李 波

(长江科学院水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北武汉430010)

某混凝土双曲拱坝坝顶高程610 m，最大坝高285.5 m，正常蓄水位600 m，自2013年5月4日开始蓄水。一般情况下，蓄水之后坝体将倾向下游变形，但该混凝土拱坝坝体却出现较为明显的倾向上游的变形。为了探究这一异常现象的原因，本文拟通过建立大坝变形监控模型，将变形效应量按照成因分解为多个分量，从而明确各影响因素的作用效果及其与变形效应量之间的关联程度。

大坝变形监控模型按常规仅考虑水压和温度的影响，虽另外分解出时效变形分量，但时效因子的选取也通常是为了反映时效变形“初期增长较快、后期渐趋稳定”的一般规律性，主要凭借经验选取[1]。然而，除上述影响因素之外，本文所研究的混凝土拱坝还存在一个值得注意的问题，即该混凝土拱坝在坝址上下游侧均观测到了显著的谷幅收缩变形，自蓄水以来持续增大，该谷幅收缩现象是否是造成前述大坝指向上游的异常变形的主要原因，其所占多大比重是值得澄清的，因此在建立监控模型探索异常变形的驱动机制时，理应考虑谷幅收缩对坝体变形的影响。

1 问题的描述

图1为混凝土拱坝拱冠梁15号坝段各高程径向位移，图2～3为河床16号坝段应力分布。为便于分析，大坝563.25 m高程以下的位移监测成果统一取蓄水开始时间2013年5月4日为基准时间，由于坝顶高程垂线测点于2014年7月4日安装，该高程位移监测成果统一取2014年7月4日为基准时间。

图1 拱冠梁15号坝段各高程径向位移

图2 河床16号坝段应力分布

图3 上游库区722 m高程谷幅收缩变形过程

由图1可知，无论库水位高低，大坝整体均呈现为倾向上游的变形，在低水位时尤为明显。由图2可知，坝踵垂直向压应力较大，大于坝趾的压应力；切向应力均表现为压应力，但河床坝段上游面切向压应力小于下游面切向压应力。上述应力分布规律与坝体倾向上游的变形是相互对应的。另外，自蓄水以来，该混凝土拱坝在坝址上下游均观测到了显著的谷幅收缩变形，并且自蓄水以来持续增大，至2017年2月最大谷幅收缩变形已接近80 mm，如图3所示。实际上，谷幅收缩是目前我国高拱坝普遍面临的问题，已建成的李家峡拱坝、锦屏一级拱坝等工程都出现了谷幅收缩变形[2- 4]。国内相关研究虽然对高拱坝谷幅收缩变形成因进行了初步探讨，但很少关注谷幅收缩变形对大坝结构受力的影响[5]。文献[6]的研究已确认了该混凝土拱坝在初次蓄水期间存在坝肩向河谷中心变位的趋势，那么该变位趋势与坝体异常变形之间是否存在关联，影响程度如何是值得探讨的问题，为了澄清这一问题，本文所建立的监控模型在考虑水压和温度影响的同时，拟引入合适的因子形式描述谷幅收缩变形，从而探寻各环境量与坝体异常变形之间的关联。

2 考虑谷幅收缩变形影响的预置时效因子

该混凝土拱坝坝址上下游谷幅监测各测点的变化规律相似，以上游722 m高程谷幅为例，以时间t(监测日期—基准日期2013年5月4日)为自变量对谷幅收缩量进行拟合，得到谷幅收缩量y与时间t之间的关系为y=0.000 03t2-0.094 6t-2.490 2，过程线如图4所示。

图4 上游库区高程722 m谷幅收缩变形

模型时间实测值/mm拟合值/mm常数项水压分量/mm温度分量/mm时效分量/mm复相关系数模型一2014年9月28日19.2417.39-147.511191.54-2.23-24.410.942模型二2014年9月28日19.2417.882015年6月15日-20.44-21.002015年10月19日5.114.702016年5月26日-26.41-27.102016年10月8日-1.54-1.21-1.50352.96-2.77-30.8121.380.10-40.9753.17-2.39-44.5822.221.00-48.8253.02-2.61-50.120.976

从图4可见，谷幅收缩变形曲线自蓄水以来呈抛物线形状变化，假定谷幅收缩与其引起的坝体变形之间线性相关，则谷幅收缩引起的坝体变形为

(1)

3 建模结果

(2)

(3)

采用逐步回归方法得到各分量的回归系数和回归常数，模型一和模型二的建模结果分别见式(4)、(5)。

(4)

(5)

表1列出了模型一和模型二建模结果，图5为模型二各变形分量的过程线。

图5 模型二各变形分量

4 模型合理性分析

由表1可知，虽然两个模型的复相关系数均较高，但模型一的回归常数项较大，远大于测值。根据统计理论，如果统计模型真实反映了所有环境量对变形的实际影响，则合理的回归方程常数项应很小，接近于0。

若统计模型无法真实地反映环境量对观测物理量的影响，可能有两个原因：①由于外界的干扰或被观测对象发生了变化，导致环境量与观测物理量之间的固有关系发生了变化，此时应分时段或分对象建立多个监控模型；②被观测对象未发生变化且处于相对稳定的环境中，但回归分析时环境变量的描述不合理。

对于本案例中的监控模型，常数项的大小主要取决于环境变量的描述是否合理。在所有环境变量中，水压分量和温度分量的描述因子已经经过大量理论分析和实践检验，可以认为基本是合理的，而时效因子的选取主要凭借经验，由不合理的时效因子形式所描述的时效分量必然难以反映坝体实际的时效变形，回归方程存在误差，误差只能以常数项的形式反映在回归方程中，表现形式就是常数项绝对值较大。

因此，当监控模型回归方程中的常数项较大时，应对预置时效因子进行优化，模型二中的回归常数项较小，也证明了考虑谷幅收缩影响的预置时效因子较为合理，以此建立的监控模型质量较高。

5 环境量对坝体变形的影响

由于模型二的建模质量较高，结果较为合理，因此基于模型二分析各环境量对坝体变形的影响。

由图5a可知，温度变形分量较小，这与运行期混凝土的温度较为稳定，仅随气温变化有小幅波动的客观规律是吻合的。

坝体变形主要由水压分量和时效分量组成，由图5b可知，水压变形分量自蓄水以来均指向下游，说明尽管作用于河床库基岩体的库盆水压力使得坝体有向上游变形的趋势，但与坝面水压力的作用叠加后，水压荷载的综合作用效果是使坝体倾向下游变形，仅因水位抬升消落变化而使水压变形分量的大小存在波动。

由图5c可知，在时效因子中考虑了谷幅收缩的影响后，时效变形分量指向上游，自蓄水以来持续增大，当其大于水压变形分量时，坝体则表现为倾向上游变形，由此基本可以解释大坝指向上游的异常变形现象。

上述分析表明，在谷幅持续收缩的条件下，两岸坝肩岩体挤压拱坝坝体，这很可能是坝体倾向上游变形的主要原因。

6 结 论

为解释某混凝土拱坝在蓄水后坝体倾向上游变形的原因，本文采用逐步回归方法，引入考虑谷幅收缩变形影响的预置时效因子建立坝体变形监控模型，结果表明：

(1)考虑谷幅收缩影响的预置时效因子可以较为真实的反映环境量对监测物理量的影响，据此建立的监控模型也较为合理。

(2)进入运行期后，温度作用对坝体变形的影响较小，水压荷载的作用效果是使得坝体倾向下游变形，在谷幅持续收缩的条件下，拱坝坝体受到了两岸坝肩岩体对其显著的挤压作用，这很可能是坝体倾向上游变形的主要驱动力。