谷幅变形对拱坝工程安全影响案例分析及有关启示

武明鑫，赵全胜

(水电水利规划设计总院，北京100120)

0 引 言

谷幅变形是指大坝坝址区库岸发生水平变形的现象。由于拱坝是高次超静定结构，通过拱作用将水荷载传递到两岸山体，坝体结构受力对坝基变形极为敏感，相比于重力坝或当地材料坝，谷幅变形对拱坝结构安全性的影响最大。在拱坝设计理论中，坝体结构和坝基相互作用，其中坝体混凝土结构主要处于弹性工作状态，而坝基岩石从天然的平衡状态将经历建设期大规模的开挖和工程蓄水期的快速加载，坝基在高应力和渗流耦合作用下的受力变化机制十分复杂，常规的库盆压力、稳定渗流模型等都难以预测和解释其变形特征[1]。因此，综合采用安全监测、数值仿真、统计预测、工程类比等多种手段对拱坝谷幅变形开展研究，并分析其对拱坝结构的安全影响，对于高拱坝初期蓄水及长期安全性评价具有重要意义。

我国较早就开始对高拱坝谷幅变形开展监测工作，以监测成果分析、数值模拟等为主要手段，对谷幅变形机理、变形过程、收敛趋势，以及拱坝受力状态和安全运行影响等开展了全面研究。谷幅观测方面，20世纪80年代起李家峡、二滩等工程就开始了较为系统的监测工作[2-3]；廖年春等[4]对谷幅监测手段和监测成果的可靠性进行了分析。谷幅变形机理方面，杨强等[5]对锦屏一级工程进行研究，认为两岸岩体的渗流与饱水过程引起的岩体有效应力下降可能是谷幅变形的主要原因；张国新等[6]、梁国贺等[7]分别用数值仿真和回归分析的方法分析了库水位、库盆压力、温度变化、渗流场变化、岩体蠕变等不同因素与溪洛渡拱坝谷幅收缩的关系；Jiang等[8]通过分析溪洛渡水电站蓄水前后坝址区可能变化的水文地质条件，认为溪洛渡坝址深部阳新灰岩在蓄水后冷却与渗压变化是导致河谷谷幅和库盘变形的主要因素；Yin等[9]建立水热交换模型，分析库水对阳新灰岩的冷却作用，模拟溪洛渡拱坝谷幅收缩过程。拱坝安全性分析评价方面，张冲等[10]结合监测成果与有限元数值分析评价了溪洛渡水电站蓄水初期拱坝工作性态；汤雪娟等[11]采用子模型法对谷幅收缩变形直接作用下拱坝受力状况进行了模拟；刘有志等[12]、杨学超等[13]对不同量值谷幅收缩作用对拱坝的影响进行了预测。

本文针对谷幅变形对拱坝工程的安全影响进行了案例分析，重点对工程的运行情况和应对措施进行了讨论，同时也提出了相关的建议。

1 谷幅变形对拱坝工程安全影响案例分析

1.1 瑞士Zeuzier拱坝

Zeuzier拱坝位于瑞士西南部Liene河上，最大坝高154 m，坝顶高程1 778 m，坝顶长256 m、宽7 m，坝底宽25 m。水库正常蓄水位1 777 m，库容约0.5亿m3。Zeuzier拱坝于1957年完工。1978年，Rawil公路隧洞开始修建，隧洞距Zeuzier坝址垂直距离400 m、水平距离1 400 m。

Zeuzier拱坝在正常工作20多年后，1979年检查时发现拱冠梁产生向上游变位，坝体上游面垂直缝张开、下游沿建基面出现裂缝，廊道内也发现有裂缝。经分析，认为Rawil公路隧洞开挖过程中抽排了渗入隧洞的山体地下水，最大流量可能达到700～1 000 L/s，岩体水文地质条件的巨大改变导致Liene河谷发生了沉降和横向收缩变形。通过拱坝布置的监测仪器，监测坝顶发生的沉降达130 mm，河谷横向收缩达75 mm，坝顶向上游变形达到125 mm。坝体发生了多条裂缝，其中开度大于1 mm的裂缝分布见图1，最大张开15 mm[14]。

图1 Zeuzier拱坝上下游坝面产生的裂缝(1980年12月)

为确保工程安全，Zeuzier拱坝放空了水库。待河谷变形趋于稳定后，1982年至1983年期间采用环氧树脂灌浆方法对坝体裂缝进行了修复，修复后分4个阶段蓄水，至1988年Zeuzier拱坝才恢复正常运行。图2是坝顶等效径向位移时程，直至2000年坝顶径向位移仍有缓慢向上游变形的趋势，暂未达到稳定[15]。

图2 Zeuzier拱坝坝顶等效径向位移时程(向下游为“+”)

Zeuzier拱坝修复的投入和电量损失巨大，Rawil公路隧洞最后也被废弃。瑞士在1990年代进行Gotthard Base隧洞工程论证时，对山体排水引起河谷变形专门开展相关研究[16-17]。研究认为，山体节理裂隙发育的情况下，隧洞开挖会对饱和岩体进行排水，造成节理面上有效应力增加、深部岩体裂隙压缩，在一定范围外的山体(山谷)表面，会引起张开或收缩位移。为确保隧洞沿线Nalps和Santa Maria拱坝工程的安全，采取了控制隧洞建设期间排水速率等措施，并对拱坝谷幅开展了监测。

1.2 意大利Beauregard重力拱坝

Beauregard重力拱坝位于意大利西北部Aosta河谷，坝高132 m，坝顶高程1 771 m，坝顶宽5 m，底宽45.6 m。水库正常蓄水位1 770 m，库容约0.7亿m3。水库于1958年至1968年蓄水，蓄水期间左岸坝肩边坡发生了向河谷的变形。监测显示，1970年至2008年左岸坝肩边坡1 813 m高程累计水平位移200 mm，1 680 m高程累计水平位移120 mm[18]。

坝肩边坡变形引起了坝体水平位移向上游的变化，坝体垂线监测成果显示，蓄水以来至2008年，拱冠梁位于坝顶高程1 771 m的测点向上游位移210 mm，而位于低高程1 664 m的测点水位位移几乎不变(图3)。

图3 Beauregard拱冠梁径向位移时程(向下游为“+”)

Beauregard拱坝受到左岸边坡挤压，上游面横缝张开、下游面底部出现接近水平的裂缝，见图4。虽然采取了限制水库水位等措施，坝肩边坡变形速率有所减小，但坝体受到的影响较为长期，混凝土裂缝仍在发展。通过对坝体进行无损检测，混凝土波速分布见图5。Beauregard拱坝的破坏区域(波速小于3 km/s的区域)主要集中在下游中低高程建基面和坝趾附近。

图4 Beauregard拱坝下游坝面开裂情况

图5 Beauregard拱坝混凝土损伤区域

为确保大坝安全，1965年起Beauregard水库水位由1 770 m降至1 730 m，1969年起进一步降至1 710 m，2005年开始库水位在1 700～1 702 m之间运行。经过进一步安全评估和论证，认为Beauregard大坝变形已接近破坏前的临界状态，2013年起对大坝进行了拆除，坝顶高程由1 771 m降到1 720 m，拆除混凝土达16万m3，拆除工程于2015年完工[19]。

1.3 广东流溪河拱坝

流溪河拱坝位于广东省从化市境内，拱坝坝高78 m，坝顶高程240 m，顶宽2 m，底宽22 m。水库正常蓄水位235 m，最低水位213 m，库容约3.25亿m3。

溪流河拱坝建成于1958年，水库蓄水运行后，大坝出现向上游方向的不可逆水平位移，左1/4拱位移较大，拱冠次之，过程见图6[20]。大坝向上游的不可逆水平变形主要发生在每年夏季高温低水位组合，至2000年左1/4拱累计变形达20 mm，拱冠累计变形16 mm。另外，观测到大坝结构缝出现0.2～1.4 mm的压缩变形。经系统检查，混凝土裂缝主要分布在下游坝面，靠近左岸部分较多，以水平缝为主[21]。

图6 流溪河拱坝变形过程线(向下游为“+”)

经分析，河谷发生了较大范围的变形对大坝产生挤压可能是流溪河拱坝产生向上游位移的原因之一，但由于早期对谷幅变形影响认识不深，没有开展有针对性的监测，未作为重点可能因素进行研究分析。从1989年至1999年，在夏季高温期间将流溪河最低库水位控制在228 m左右，改善了坝体应力状态，经进一步检查坝面裂缝深度没有较大变化[20]。

1.4 国内特高拱坝甲工程

甲工程为混凝土双曲拱坝，最大坝高305 m，坝顶高程1 885 m，坝顶宽16 m，底宽63 m。水库正常蓄水位1 880 m，库容77.6亿m3。工程左岸坝肩地质条件较差，开挖过程中受卸荷影响产生了向河谷方向的变形；水库蓄水后，左岸边坡存在蠕滑变形，大理岩和砂板岩岩性分界(高程1 800 m)上部的岩体向河谷方向变形较大，下部岩体变形较小。

图7为工程蓄水后下游1 930 m高程和1 730 m高程谷幅的变形过程。至2018年，高高程谷幅最大收缩变形约30 mm，从2016年第3个蓄水周期开始基本收敛；下游谷幅收缩变形值明显小于上游，累计收缩变形不大于10 mm[22-23]。

图7 甲工程谷幅变形(张开为“+”)

受左岸边坡变形影响，拱坝弦长总体上呈缩短趋势，至2018年6月大坝弦长压缩总量3.40～17.6 mm，其中1 778 m和1 730 m高程弦长缩短量较大[22]。从2016年第3个蓄水周期起，弦长变形已基本稳定，且水位上升伸长、水位下降缩短，符合一般规律。

拱坝水平径向位移总体偏向下游，随水位呈周期性变化，表现出与水位良好的相关性(图8)。2015年达到第2个正常蓄水位以后，在同水位高程下坝体径向变形基本一致，1 730 m高程径向位移最大，约为43 mm，坝顶1 885 m高程径向位移约为18 mm。采用拱梁分载法和有限元法模拟正常蓄水位条件下拱坝最大径向位移，拱坝最大径向位移分别为85.1 mm和92.3 mm。拱坝甲实测位移比计算位移偏小的原因，除特高坝分期蓄水导致坝体中上部开始监测的时间滞后于水荷载加载时间外，经分析谷幅收缩的影响也可能占偏差的30%左右[23]。

图8 特高拱坝甲工程拱冠梁坝段径向位移(向下游为“+”)

1.5 国内特高拱坝乙工程

乙工程为混凝土双曲拱坝，最大坝高285.5 m，坝顶高程610 m，正常蓄水位600 m，死水位540 m。工程2013年5月导流底孔下闸蓄水后，两岸山体表现出向河谷的变形。根据监测结果，坝址上游722 m高程谷幅测线变形量最大，至2019年5月累计收缩94.2 mm，坝顶附近谷幅测线累计收缩69.7 mm，变形过程见图9。工程乙由水库蓄水引起的谷幅变形具有变形范围大、收缩量值大，沿高程、左右岸和上下游方向收缩量值基本均匀、对称的特点[24]。

图9 特高拱坝乙工程谷幅变形时程(张开为“+”)

谷幅收缩变形引起了拱坝受力变形工作性态的变化，包括坝体径向位移向上游变形、垂直变形受限、拱向应力增加等。根据垂线监测成果，拱冠梁坝顶径向发生累计向上游的变形(图10)，蓄水前3年最大径向位移向上游方向每年增量约5 mm，2017年向上游的累计位移达51.3 mm，2018年第4次库水消落期拱坝径向向上游位移基本稳定，位移为52.7 mm。监测结果也显示坝体中低高程下游面切向(拱向)压应力呈增大趋势，蓄水前4年最大拱向压应力累计增加约3 MPa，至2018年最大拱向压应力测值基本稳定，在9.5 MPa左右(图11)。

图10 特高拱坝乙工程坝顶径向位移时程(向下游为“+”)

图11 特高拱坝乙工程拱向应力时程(受拉为“+”)

综合考虑乙工程坝体变形、应力等变化和库水位、谷幅收缩的关系，目前谷幅变形已趋于收敛，坝体应力变形响应和水位相关性较好，受谷幅变形的影响基本稳定，拱坝工作状态正常。

2 有关启示和建议

(1)谷幅收缩变形可能由工程区渗流场变化(蓄水或排水)、开挖卸荷、岩体蠕滑等多种复杂因素引起，在收缩量级较大的情况下，可能造成拱坝结构的损伤。高拱坝工程应在设计阶段充分考虑可能产生的谷幅变形影响，并在施工期尽早开展谷幅变形的监测。对于发现的谷幅变形现象，应分析其与特定的水文地质条件、边坡开挖、地下工程排水、水库蓄水等因素的相关关系，并结合大坝监测进一步判断其是否对拱坝结构产生影响。

(2)通过对二滩、小湾等高拱坝工程蓄水和运行期坝体监测成果的总结，工程蓄水后大坝径向位移与水位相关性明显，累计位移一般指向下游，运行期表现出向下游的径向变形逐渐增加的趋势；蓄水期间大坝拱向应力增加较为明显，运行期拱向应力主要呈随水位变化的波动状态[23]。当拱坝结构受到谷幅收缩变形作用时，会表现出水平径向位移偏向上游和拱向应力的增加。从已有损伤破坏的工程案例可知，受谷幅变形影响拱坝的损伤破坏形式主要是上游面横缝张开、下游面建基面附近和坝趾开裂，且该损伤破坏过程可能会持续相当长的时间，对大坝安全的影响巨大。

(3)从流溪河拱坝运行经验分析，当发现大坝发生了向上游方向的水平时效位移后，在夏季高温期间对水库最低水位进行了控制，有效改善了坝体应力状态，坝体裂缝没有进一步发展。而Beauregard拱坝因长期处于较低水位运行(非正常工况)，大坝受力状态差，再加上边坡挤压作用，混凝土损伤状态不断恶化，最终只好采取了降低坝高的拆除措施。可见坝前低水位是拱坝受谷幅变形影响较大的工况，如有条件可以提高水库最低运行水位，这样可一定程度上改善大坝受力状态，降低谷幅收缩影响。

(4)对谷幅变形机理的科学研究是认识谷幅变形影响的基础，大坝安全监测是掌握结构工作性态的重要手段。各工程由于水文地质条件的不同，诱发谷幅变形的影响因素和变形特点各不相同，拱坝结构表现出的变形受力状态响应也不尽相同。采取监测、检测、试验和仿真等多种手段，确定谷幅变形的范围，分析相关因素、预测变形量值，并复核结构安全，对于判断工程安全和采取相应措施是必要的。同时，鉴于谷幅变形影响的长期性，也需根据监测资料的延长持续进行分析、修正，监测工程运行状态。

3 结 语

为充分认识谷幅变形对拱坝的安全影响，本文收集了国内外受到谷幅变形影响的拱坝案例，包括瑞士Zeuzier拱坝，意大利Beauregard重力拱坝，国内流溪河拱坝和2座特高拱坝工程，对这几座拱坝的运行情况和应对谷幅变形的措施进行了分析和讨论。综合这些工程案例，本文建议高拱坝工程建设应尽早开展谷幅变形相关监测，对出现的谷幅变形需开展相关机理研究，同时应结合大坝安全监测资料、采用多种方法分析谷幅变形对拱坝的安全影响，并可采取提高水库最低运行水位等措施改善大坝受力状态，避免谷幅变形对拱坝造成损伤。