初期集中蓄水对水布垭面板堆石坝变形特性的影响分析

2020-06-17杨启贵

中国农村水利水电 2020年6期

徐琨，杨启贵，周伟，马刚，张超

(1. 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；2. 大连理工大学水利工程学院，辽宁大连 116024；3. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

0 引言

面板堆石坝是我国高坝建设的主要坝型之一。作为水利枢纽的挡水建筑物，面板堆石坝上游侧的面板是其主要的防渗结构。面板由竖缝止水结构和周边缝止水结构连成一体，铺设在坝体上游面上，承担阻水防渗功能。为保证面板防渗结构不被破坏，面板和坝体间的变形应相互协调，面板能适应坝体的变形，这就要求面板浇筑后坝体的变形应尽可能地小。然而，由于筑坝料自身的力学特性，水库蓄水后，在水荷载的作用下坝体往往又会发生较明显变形，尤以坝体上游区域为甚[1]。

程展林等[2]和周伟等[3]的研究表明，面板堆石坝坝体沉降主要发生在坝体填筑和水库蓄水过程中，之后沉降逐渐趋于收敛。为避免或减少面板与坝体的不协调变形，面板堆石坝施工过程中要求应在堆石体填筑变形稳定后进行混凝土面板的浇筑。然而，面板浇筑后，水库蓄水引起的坝体变形仍不可避免。现有研究多关注坝体最大沉降测点、坝体变形的整体演化趋势、长期运行后的变形分布及最大沉降量等[2-5]，但忽略了水库蓄水对坝体，尤其是对坝体上游侧变形影响的深入研究。随着我国水电开发的深入，高面板堆石坝建设的需求日益强烈，坝高从200 m级提升至300 m级，坝高的大幅增加使得亟须对300 m级超高面板面临的诸如坝体变形控制、面板挤压破坏、坝体分区设计等关键技术问题开展深入研究[6,7]。面板浇筑完成后，水库蓄水，由此引起的坝体变形直接关乎面板的受力变形情况，为避免或降低蓄水对面板造成不利影响，开展水库蓄水对坝体变形的影响研究对开展坝体分区优化、提出相应的变形控制方法是非常有意义的。

综上，本文依据水布垭面板堆石坝变形的实测资料，通过分析水库初期集中蓄水对坝体变形的影响，进一步认识蓄水引起的坝体变形增量的空间分布特征，以期能为高面板堆石坝坝体分区优化和变形控制提供一定指导和参考。

1 研究工程概况

清江水布垭面板堆石坝为目前世界上最高的混凝土面板堆石坝，大坝坝顶高程409 m，坝顶宽度12 m，坝轴线长度608 m，最大坝高233.2 m。水库正常蓄水位高程400 m，相应库容43.12 亿m3，校核洪水位高程404 m，总库容45.8 亿m3。水布垭面板堆石坝工程于2001年9月开挖大坝两岸高程200.0 m以上趾板基础，2002年1月正式开工，2008年9月4台机组全部并网发电，大坝建设运行过程中的一些主要施工、蓄水时间节点如表1所示。

表1 主要时间节点Tab.1 Some main time for constrution

坝体内部变形采用引张线式位移计和水管式沉降仪监测，水平位移计设计编号以“SE”开头，水管式沉降仪设计编号以“SV”开头，从左岸至右岸依次布置了0+132 m、0+212 m和0+356 m三个监测断面。0+212 m断面为最大坝高断面，也是承受水压力最大断面。本文将分析该断面上测点的监测数据，研究水库初期集中蓄水(2007年4月22日-2007年9月22日，水位从265.45 m上升至389.61 m，5个月升高124.16 m)对坝体变形的影响。最大坝高断面(0+212 m)处分别在235、265、300、340和370 m高程处布置5条测线，共布置38个测点，水平位移计和水管式沉降计在同一对应位置，如图1所示。为叙述方便，本文研究中简称各测点为1～38号测点。

图1 河床中部(0+212 m)监测断面仪器布置图(高程：m，长度：cm)Fig.1 Deformation monitoring arrangement of the largest section

2 初期集中蓄水引起变形增量的确定

实测资料中，钢丝水平位移计实测位移以向下游为正，向上游为负；水管式沉降仪实测沉降以下沉为正，上抬为负。初期集中蓄水阶段(2007年4月22日-2007年9月22日)历时5个月，水位达到相应测点高程的时间如表2所示。初期集中蓄水开始时，上游水位265.45 m，对于235 m高程的测点按2007年4月22日作为本文研究的变形增量起始时刻。

表2 水库初期集中蓄水阶段水位到达对应测点高程时间Tab.2 The time of water level reaching the elevation of monitoring point at the initial concentrated impoundment

为研究水库初期集中蓄水对坝体变形的影响，需确定该阶段蓄水引起的测点位移变形量。

本文研究中水库初期集中蓄水引起的坝体变形增量选取遵循以下原则：①水库集中蓄水时段为2007年4月22日至2007年9月22日，时段跨度5个月，变形增量的计算时段应大于5个月；②计算变形增量所采用的时段应尽可能地短，以避免过多引入其他因素(如自重、上覆荷载、水位波动等)对变形的影响。

如图2和图3所示分别为高程235 m的1～12号测点沉降和水平位移的历时演化曲线。可知，在2007年4月22日集中蓄水时，测点位移变幅出现明显的变化，且距离上游侧越近的测点，所受影响越明显；约6个月后，测点变形速率有明显减缓的趋势。

图2 最大坝高断面(0+212 m)上1～12号测点沉降演化曲线Fig.2 Settlement process of 1～12# monitoring point in the largest section

图3 最大坝高断面(0+212 m)上1～12号测点水平向位移演化曲线Fig.3 Horizontal displacement process of 1～12# monitoring point in the largest section

为此，同时考虑到坝体上游侧直接受蓄水的影响，统计得到最大坝高断面靠近上游侧的各测点在(t0，t0+6月)以及(t0+7月，t0+12月)时段内的沉降增量(ΔV6，ΔV12-ΔV6)和水平向增量(ΔE6，ΔE12-ΔE6)，如表3所示。可知，上游侧各测点变形增量主要发生在前6个月，变形增量占比69.7%～98.9%。综上，本文研究中取(t0，t0+6月)时间段内各测点的变形增量(ΔV6，ΔE6)为衡量指标，分析初期集中蓄水对坝体的影响，开展相关研究。

表3 靠近上游各测点变形增量 mm

3 初期集中蓄水对坝体变形的影响

水布垭面板堆石坝坝内环境复杂，一些测点处的监测仪器在长期服役过程中发生损坏，无法获取正确的监测数据或数据缺失。根据获取的测点监测数据，有13-16号、20号、37号水平位移测点和15号沉降测点的监测数据属于以上问题，本文研究中不予考虑。

3.1 沉降增量的分布特征

统计最大坝高断面各测点在初期集中蓄水阶段的沉降增量(ΔV6)分布情况如图4所示。其中，正值表示发生沉降，负值表示发生抬动。

图4 初期集中蓄水引起的最大坝高断面(0+212 m)各测点的沉降增量Fig.4 Settlement increment of each monitoring point in section 0+212 m caused by the initial concentrated impoundment

由图4可知，高程235 m的1～12号测点沉降增量基本呈现出距上游侧越近沉降增量越大的分布特征，其余高程上测点的沉降增量分布也呈现相似规律；以上表明，初期集中蓄水引起的坝体沉降增量分布特征与坝高无关，都表现为上游侧受初期集中蓄水的影响最为明显。对比不同高程上测点沉降增量的分布可知，除高程265 m的13号测点(224 mm)和高程370 m的36号测点(159 mm)的沉降增量偏小外，各相同高程的近上游侧测点的沉降增量基本在同一量级水平(287～338 mm)；高程越高时，下游侧测点的沉降增量越大，高程340 m的32～35号测点、高程370 m的36～37号测点的沉降增量顺河向减弱不明显。这主要是由于随着高程的提升，坝体顺河向宽度变窄，由于颗粒体系受力传递的特性，测点仍处在水荷载的影响区。

根据测点坐标和图4中数据，插值得到最大坝高断面测点区域沉降增量的整体分布情况如图5所示。由图5可知，初期集中蓄水对断面沉降的影响呈现出明显的分区特征，坝内影响区域的分区边界基本平行上游面，且从上游至下游该影响逐渐减弱。

图5 初期集中蓄水引起的最大坝高断面(0+212 m)测点区域的沉降增量分布云图Fig.5 Distribution of the Settlement increment of each monitoring point in section 0+212 m caused by the initial concentrated impoundment

此外，为研究初期集中蓄水对各测点变形的相对影响程度，取各测点沉降变形基本稳定时的t0+36月时沉降值(V36)为总沉降值，统计得到各测点沉降增量的百分占比(△V6/V36×100%)如图6所示。由图可知，235 m高程的1和2号测点处的沉降变形程度受蓄水的影响最为明显，由初期集中蓄水引起沉降增量占比分别58.6%、53.8%；各高程均为上游侧测点的沉降增量百分占比最大，顺河向的分布规律与沉降增量的相似。该断面测点区域沉降增量百分占比的整体分布情况如图7所示。由图7可知，初期集中蓄水对断面变形影响程度较大的区域基本平行于坝体上游坡面且分布在坝体的近上游侧；从上游至下游，由初期集中蓄水引起的测点沉降变形程度逐渐减弱，次堆石区受到的影响程度基本小于10%。

图6 初期集中蓄水引起的最大坝高断面(0+212 m)各测点的沉降增量占比Fig.6 Proportion of settlement increment of each monitoring point in section 0+212 m caused by the initial concentrated impoundment

图7 初期集中蓄水引起的最大坝高断面(0+212 m)测点区域的沉降增量占比分布云图Fig.7 Distribution of the Proportion of settlement increment of each monitoring point in section 0+212 m caused by the initial concentrated impoundment

3.2 水平位移增量的分布特征

统计最大坝高断面各测点在初期集中蓄水阶段的水平位移增量(ΔE6)分布情况如图8所示。正值表示发生向下游位移增量，负值表示发生向上游位移增量。

由图8可知，各高程测点均表现出距上游面越近，水平位移增量越大的分布规律。235 m高程的3～12号测点中多数表现出水平位移增量为负值的情况，但增量较小。分析发现，2007年4月22日开始初期集中蓄水后，1～12号测点的水平位移均有明显的下跌情况，而在下跌后水平位移的降低值大于之后蓄水引起的增加值，且后期演化曲线有明显波动情况，如图3所示。通过关联相应的水位，发现2007年4月25日库水位达到277.5 m高程，之后开始陡降，2007年4月29日库水位降至271.3 m，直到2007年5月2日库水位重回277.5 m高程。除1号测点的水平位移在2007年5月7号开始转折升高、2号测点的水平位移在2007年5月11日开始转折升高外，其余测点均有明显的“平台”阶段。以上表明，水位陡升之后的陡降与1-12号测点出现的明显下跌有直接关系，且水位变动对距离上游面较远测点的水平位移的影响有所迟滞。

图8 初期集中蓄水引起的0+212 m断面各测点的水平位移增量Fig.8 Horizontal displacement increment of each monitoring point in section 0+212 caused by the initial concentrated impoundment

此外，高程300 m的25～30号测点、高程340 m的32～35号测点和高程370 m的36、38号测点的水平位移增量顺河向未有明显的降低，表明大约坝高1/2以上部位的下游侧坝体水平向位移仍易受初期集中蓄水的影响。

3.3 沉降增量与水平位移增量分布特征的异同

相同之处：初期集中蓄水对坝体沉降和水平位移的影响具有相似的分布特征，都表现出各高程的上游侧测点受到明显影响，且蓄水的影响沿顺河向逐渐减弱的规律；此外，都表现出，随着高程的增加，初期集中蓄水对坝体变形的影响沿顺河向减弱的程度降低，坝体下游侧部位受蓄水的影响较坝体低高程的下游侧部位更为明显。

不同之处：如图9所示，对比沉降位移增量与水平位移增量可知，同一测点发生的水平位移增量的量级普遍小于沉降增量的量级，表明初期集中蓄水对坝体沉降变形的影响大于对坝体水平向变形的影响。

图9 沉降位移增量与水平位移增量的对比Fig.9 Settlement increment and the horizontal displacement increment

4 初期集中蓄水影响区的划分

根据以上研究成果，可由初期集中蓄水阶段坝体变形增量的分布情况划分出初期集中蓄水对坝体变形的影响区，从而为堆石坝的坝体分区和变形控制提供一定参考。考虑到初期集中蓄水对坝体沉降变形的影响强于对坝体水平向变形的影响，影响区域的划分以测点沉降增量为主要衡量标准，同时兼顾测点水平位移增量的分布情况。

根据沉降增量(图4)和沉降增量百分占比(图6)的结果，可将235 m高程的1、2号测点，265 m高程的13、14号测点，300 m高程的23、24号测点，340 m高程的31号测点以及370 m高程的36号测点划分到强影响区范围，这些测点在初期集中蓄水影响下沉降增量和沉降增量占比均明显偏大。根据沉降增量(图4)和水位移增量(图6)的结果，可以将300 m高程的25～30号测点，340 m高程的32～35号测点和370 m高程的37和38号测点划分到较强影响区；此外，根据以上较强影响区测点的沉降增量量级，由图4，可将235 m高程的3～7号测点，265 m高程的15～18号测点划分到较强影响区。其余测点划分到弱影响区，最终划分情况如图10所示。

图10 水库初期集中蓄水对坝体变形影响的分区Fig.10 The influence zone of the initial concentrated impoundment for dam deformation

水库初期集中蓄水的影响分区图表明了水库初期集中蓄水对面板堆石坝坝体各区域变形影响程度的空间分布情况。在已有的面板堆石坝分区研究成果的基础上，从该影响分区为切入点深入开展研究，能为高或超高面板堆石坝的分区优化提供一些有益参考，从而在科学指导和经济合理的情况下减小蓄水对坝体变形的影响，由此降低或避免不利的面板应力变形情况的发生，保障坝体的安全运行。