江垭大坝运行期抬升变化趋势分析

2021-06-02杨开华柳亚新

大坝与安全 2021年1期

杨开华，柳亚新，刘常，秦朋

（1.湖南澧水流域水利水电开发有限责任公司，湖南长沙，410000；2.长江水利委员会长江科学院工程安全与灾害防治研究所，湖北武汉，430010）

江垭水利枢纽工程位于湖南省慈利县境内澧水支流溇水中游，下距慈利县城57 km，是以防洪为主、兼有发电、灌溉、供水、航运、旅游等综合效益的大（1）型水利工程。工程于1995年7月正式开工，1998年10月下闸蓄水，1999年11月3台机组全部投产发电，2003年1月通过全面竣工验收。坝址控制流域面积3711 km2，大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高131 m，水库设计正常蓄水位236 m，校核洪水位240.85 m，总库容17.41亿m3。

1999年9 月，水准测量发现大坝及近坝山体产生了不同程度的抬升现象。由于坝体本身向上抬升的情况比较罕见，自发现江垭大坝抬升以来，已展开一系列关于此现象的研究。这些研究的主要观点是水库蓄水使承压热水含水层水头增大，一方面导致上覆隔水层扬压力增大，另一方面导致承压热水含水层中有效应力减小，后者引起的含水岩层卸荷回弹扩容是大坝抬升的主要机制[3]。笔者结合相关研究，分析自蓄水以来与抬升相关的监测资料[4]，通过因子分析进一步论证卸荷回弹扩容机制的正确性，并给出关于大坝运行安全情况的结论。

1 工程地质概况

江垭坝址位于一“U”形峡谷地段，谷宽70～95 m，两岸山顶标高700～800 m，左岸坡角40°～45°，右岸坡角50°～55°，地形比较对称。坝址处基岩为二叠纪石灰岩，坝线上游依次有泥盆纪砂岩、石英砂岩、志留纪砂岩、粉砂岩分布，大坝下游则有上二叠统硅质灰岩、页岩、三叠纪灰岩、白云质灰岩分布。坝址处为一横向谷，岩层走向与河流流向近于正交，倾向下游偏右岸，倾角38°～40°，无顺河断层分布。两岸基岩多裸露，边坡尚稳定，大坝主要持力层为二叠纪石灰岩，岩石坚硬，强度满足设计要求。坝址的工程地质和水文地质具有以下特点：

（1）坝址区分布地层具有隔水层和含水层交互分布的特点。

（2）由于岩溶含水层和上下相对隔水层相间分布，且横河向分布，因此各岩溶含水层分别形成独立的地下水渗流系统。坝址区上部和下部岩溶含水层层面溶隙发育，为地下水渗流的主要通道。地下水由岸坡向河床渗流排泄。

（3）坝基下分布有向下游倾斜、透水性良好的承压热水含水层，是江垭坝址的独特地质现象。D2y石英砂岩层为一向斜盆地深循环加温承压含水层，水源来自坝下游江垭向斜南东翼云台观组（D2y）地表出露的地区，高程700～1000 m。承压热水含水层（D2y）构成江垭向斜下部地层，在向斜轴部最大埋藏深度约1800 m。承压热水渗径总长约20～24 km，在溇水河谷江垭大坝上游涌出，出露高程120～126 m。

图1 热水含水层地质构造示意图Fig.1 Geology of hot water aquifer

（4）大坝帷幕及与其下部相接的相对隔水层，在空间上形成一个朝向水库的簸箕状隔水体。

（5）建坝蓄水后，因地下水位抬高，水库内出露的D2y石英砂岩大面积被库水浸泡。D2y厚173 m，且有顺层断层F2发育，除在坝基90 m深以下向下游倾斜分布外，在坝前160 m以上的上游河床及两岸出露。河床两岸形成陡峭山坡，岸坡岩体卸荷松动强烈，裂隙发育。

2 监测资料分析

2.1 监测布置情况

自发现抬升现象以来，江垭大坝的监测系统逐步增设完善。目前监测项目主要包括：大坝及山体的垂直位移、坝体和坝基的开度、渗压、渗流场的监测。其中，为观测垂直位移，在坝顶、廊道和上下游两岸山体分别布设一等水准网，监测网在大坝下游右岸约1 km的较为稳定部位设置2个工作基点，在大坝下游右岸500 m部位设置1个校核基点，水准控制网定期联测20 km以外的国家水准点。截至2019年11月，坝顶、120廊道已分别复测51次、57次。

2.2 监测结果分析

2.2.1 坝体抬升位移

在大坝的120廊道内，BL4～BL8坝段埋设了7个一等水准点（LD4-1～LD8-2）。为了解20年来抬升的整体趋势，提取各测点的历史最大位移，取当前位移和2个10年期的总位移作为特征值，其统计结果见表1。

表1 廊道垂直位移特征值统计（单位：mm）Table 1 Eigenvalues of verticaldisplacement of gallery

图2 廊道垂直位移典型过程线Fig.2 Typical process line of vertical displacement of gallery

廊道抬升变化特征为：（1）廊道位移整体呈持续抬升的趋势，抬升量逐年减小，但未完全收敛。2009～2019年期间变化量为1999～2009年期间变化量的4%～11%，可以看出廊道抬升变化量在近10年间已大幅度减小。（2）抬升与库水位之间存在正相关的关系，尤其在抬升初期，抬升变化与库水位的波动基本同步。但当库水位基本稳定后，水位以外的因素对抬升的影响逐渐突出。（3）廊道各测点的位移以7号坝段为中心向两侧递减，说明坝体中部的廊道抬升较为明显。

发现抬升后，在坝顶沿坝轴线方向依次布置了12个水准监测点（BD01～BD12），于2002年6月21日首测，自建点起每次均与坝基廊道进行联测。整理数据得到坝顶垂直位移的特征值统计和典型过程线见表2和图3。从表2和图3可以看出：由于温度对坝顶位移的影响相比廊道更为显著，所以坝顶位移波动幅度较廊道大，坝顶抬升量也在逐年减小，总体趋势与廊道相同，说明大坝抬升属于整体变形。

表2 坝顶垂直位移特征值统计（mm）Table 2 Eigenvalues of verticaldisplacement of dam crest

图3 坝顶垂直位移典型过程线Fig.3 Typical process line of vertical displacement of dam crest

为监测坝区垂直位移，在大坝上下游两岸、坝肩、坝趾布设一等水准点共34个。根据测得的数据，发现左右岸的位移变化规律相似，其中左岸测点的垂直位移变化如图4所示。左右岸山体垂直位移波动较大，与水位、温度均有一定相关性，抬升量逐年减小，但并未完全收敛。左右岸山体变形整体分布基本表现为：靠近坝体、河流部位抬升量偏大，远离坝体、河流部位抬升量偏小，说明近坝山体的抬升与大坝的抬升具有一定的整体性。

图4 左岸山体垂直位移过程线Fig.4 Process line of vertical displacement of mountain on left bank

2.2.2 其他监测情况

除垂直位移外，其他监测项目的成果揭示了以下结论：

（1）接缝开合度：受气温影响，且与温度呈负相关线性关系，过程线呈周期性变化，开合度变化较小。坝体周边部分接缝开合度变化平缓，已经收敛。

（2）坝体渗流：绝大多数测点渗压水位随时间呈逐渐减小的变化趋势，基本趋于稳定，在同一高程上，靠近坝体上游侧的测点渗压水位较高，靠近下游侧较低，渗压水位分布符合一般规律。

（3）坝基渗流：坝基多年平均渗压水位沿坝轴线的分布无明显规律，河床溢流坝段基础最高，右岸次之，左岸最低，具体分布与其渗流边界条件有关。大部分坝基测压管、渗压计渗压水位有较明显的年周期变化。坝基防渗帷幕和排水效果良好，坝体及坝基总渗流量较小，在稳定情况下与库水位相关，整体上渗流量有逐渐缓慢减小的趋势。

3 统计模型分析

3.1 模型建立

混凝土重力坝在水压和温度等荷载作用下，任一点产生位移δ，按其成因可分成主要的三部分：水压分量δH、温度分量δT和时效分量δt，即：

3.1.1 水压分量

在水荷载作用下，大坝任一点产生的垂直位移由三部分组成，即库水压力作用下坝体本身产生的位移、坝基面变形引起的位移及库水重力作用使坝基面转动引起的位移。由坝工理论可知，库水压力作用产生的垂直位移δH与水深Hi（i=1，2，…，n，为幂次数）呈线性关系，即：

不同的坝型，n取值不同，江垭大坝是混凝土重力坝，n取3较为合适，垂直位移基准值当日的库水位为基准水位。

3.1.2 温度分量

温度分量δT主要是由坝体和坝基温度变化引起的位移。大坝的温度变化主要由埋设在坝体和坝基内的温度计测值反映。因此，根据温度计布设情况，选用不同的温度分量因子。由弹性理论分析可知，在变温荷载作用下，大坝的任一点位移δT与各点变温值呈线性关系，因此当有足够数量的温度计时，可选用各温度计的测值作为温度分量的因子，即：

式中：bi为系数；Ti为第i支温度计的变温值；m为温度计支数。江垭大坝在坝体内部、坝基部位、近坝水域均埋设了温度计，由于使用多年，多数温度计已出现不同程度故障，数据系列不全。本次建模分析分别在上述部位各选择1支数据系列完整的温度计作为样本。

3.1.3 时效分量

δH和δT是碾压混凝土坝任一点的弹性位移分量，大坝在荷载作用下，除了弹性位移外，还会产生随时间和荷载变化的时效位移。混凝土重力坝常用时效模型为：

式中：c1、c2为系数；t为天数。

事实上，从分析时段开始时刻t1至任一时刻t，大坝所受荷载不断变化，大坝整体在卸载时又存在蠕变的恢复。因此，在水压等变化荷载作用下，时效位移用式（4）表示不够全面，应补充变化荷载作用下的时效位移部分，即：

式中：d1、d2为系数；k一般取1～2，在实例分析中k取2。

3.2 因子分析

本次模型分析分别在大坝廊道和坝顶各选择4个测点进行非线性回归，各系数计算成果见表3，拟合过程线见图5～6。由图表可知，模型拟合结果良好，各测点复相关系数较高，均在0.95以上，说明所建模型是合理的。

图5 坝顶垂直位移统计模型拟合过程线Fig.5 Fitting curve of vertical displacement of dam crest

图6 廊道垂直位移统计模型拟合过程线Fig.6 Fitting curve of vertical displacement of gallery

使用主成分提取法分别对大坝坝顶和廊道部分测点进行主轴因子分析，得到因子分析成果见表4。各测点的Bartlett检验均小于0.05的显著度，因子分析的解即KMO度量均在0.5左右，说明变量之间存在一定关系，基本适合做因子分析。根据成分矩阵中最高荷载定义，因子在主成分上荷载越大，与主成分的联系越紧。各测点水压分量δH成分值均较低，温度分量δT和时效分量δt成分值较高。

从廊道垂直位移变化过程线可看出，抬升主要发生在前3～5年，在该过程中，抬升量和库水位有一定幅度的同步波动，但之后抬升大幅减小，抬升变化在数值上与库水位相关性相对较弱。因此可以推断，库水位造成大坝抬升的弹性变形主要发生在库水位上涨过程中，库水位稳定后，坝体抬升基本属于衰减蠕变，在水压荷载不发生大幅变化的前提下，温度效应的影响逐渐明显，这与“江垭大坝抬升是地质历史积存应变能释放的过程[5]”相符。根据此理论，由于库水位回落时已扩容错位的卸荷难以回归原位，因此库水位引起的升降幅度将日趋减小，该预测和监测资料的分析结果一致，这也进一步证明了扩容抬升机制的正确性。