水布垭面板堆石坝坝体后期变形时空分布规律研究

2021-07-12

长江科学院院报 2021年7期

(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，大连 116024)

1 研究背景

混凝土面板堆石坝是我国高坝建设的主要坝型之一，是一种以筑坝堆石体为支撑结构、堆石体上游侧布设的钢筋混凝土面板作为挡水防渗结构的坝型。由于筑坝堆石体自身的变形特性，在自重、库水以及复杂环境的综合影响下，水库蓄水运行数年后坝体变形仍有持续缓慢发展。混凝土面板堆石坝坝体变形大致可以分为3个阶段：填筑阶段、集中蓄水阶段、稳定运行阶段。从已有的面板堆石坝沉降监测资料来看，坝体沉降变形主要发生在填筑阶段，稳定运行阶段中沉降变形占比较小，且其中相当一部分是因筑坝堆石料流变造成的[1]。

面板堆石坝在稳定运行阶段由堆石料流变所产生的变形称为后期变形。王勇和殷宗泽[2]通过研究认为堆石料的流变对面板的影响是趋于危险的，不能忽略。李昌彩[3]指出坝体流变对坝体位移、面板应力变形、面板周边缝位移、面板与防浪墙接缝变形有重要影响，直接关系坝体的工作性态。沈婷和李国英[4]指出影响面板受力特性的最主要因素是坝体变形，尤其是坝体后期变形。由此可见，分析面板堆石坝的后期变形对认识大坝的运行状态是有重要意义的。

在坝体长期变形监测资料分析方面，现有研究多侧重于坝体最大沉降测点或数个特征测点的变形情况或某一时刻大坝整体变形的分布情况[1,5-6]，而对大坝整体后期变形的分布规律研究尚存不足，综合考虑时间演化和空间变异性的坝体后期变形演化规律的研究成果甚少，对坝体后期变形的空间分布规律还未有直观认识，不利于坝体变形控制研究的深入开展；另一方面，相关研究的欠缺在一定程度上也是由于高面板堆石坝的长历时实测变形资料较为稀少所导致的。

为此，本文以具有代表性的水布垭高面板堆石坝为研究对象，通过分析截至2015年12月的坝体长期变形监测资料，研究坝体后期变形的时空分布规律，从而为高混凝土面板堆石坝的设计施工和安全运行提供一定参考和指导。

2 工程简介

水布垭混凝土面板堆石坝是目前世界上运行中坝高最高的混凝土面板堆石坝。最大坝高233.2 m，坝顶高程409 m，坝顶宽度12 m，坝轴线长度608 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2002年1月正式开工，2008年9月4台机组全部并网发电，建设运行期间的一些主要施工、蓄水时间节点如表1所示。

表1 主要时间节点

坝体表面测点设置情况：在面板顶部高程402 m处设置1条测线，共10个测点(SA1-1—SA1-10)监测水平和垂直位移；坝顶防浪墙上游底板高程405 m处设置1条垂直位移测线，共10个测点，与SA1-1—SA1-10沿坝轴向分布对应，编号为BM1-1—BM1-10；大坝下游面测点包括顶部(SA2-1—SA2-9)、高程370 m(SA3-1—SA3-7)、高程340 m(SA4-1—SA4-6)、高程300 m(SA5-1—SA5-4)、高程265 m(SA6-1—SA6-3)、高程235 m(SA7-1—SA7-2)处共31个测点，分布如图1(a)所示。

图1 水布垭面板堆石坝变形测点布置

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、0+212、0+356 m这3个监测断面，在高程235、265、300、340、370 m共布设了11条测线，共70个测点；0+212 m断面的测点布置如图1(b)所示。变形监测中，沉降以向下为正，上抬为负，顺河向的水平位移以向下游为正，向上游为负，沿轴向位移以向左岸为正，向右岸为负。本文采用最大坝高断面(0+212 m)和下游坝面测点的实测数据开展研究，监测数据截至2015年12月。

3 坝体后期变形的界定

2007年9月22日，库水位达到389.61 m，初期集中蓄水阶段结束，之后库水位在355.68～399.51 m之间呈年变化，如图2所示。可知，集中蓄水完成后，测点沉降变形逐渐趋缓，之后随水位变动发生周期性波动演化；与填筑阶段和集中蓄水阶段相比，集中蓄水完成后坝体变形受库水位变动的影响不大；集中蓄水完成后至2015年12月，测点长期变形未呈现出明显增量，该阶段测点沉降变形占对应测点总沉降量很小。需要注意，集中蓄水完成后持续一定时段内，测点沉降变形速率趋缓，但仍持续增加[1]，集中蓄水的影响尚未完全消除。

图2 最大坝高断面SV1—SV12测点沉降演化曲线及水位曲线

为研究坝体后期变形的分布规律，避免集中蓄水阶段水位上升对坝体变形的影响，需要选取合适的时间界定后期变形。根据已有面板堆石坝坝体长期变形资料结果[7-8]分析可知，一般初期集中蓄水后2～3 a，集中蓄水对坝体变形的影响基本消失，大坝变形逐渐趋于收敛。

为此，先取2010年1月1日，也即初期集中蓄水阶段结束后2年3个月，作为起始记录时间，采用MatLab编程实现数据智能获取，提取得到最大坝高断面SV1—SV38测点的历年沉降增量数据如图3所示。

图3 最大坝高断面测点历年沉降增量

由图3可知，2010年各测点的年沉降增量仍有较大的离散性，部分测点的年沉降增量从2010年到2011年有明显变化；2011年及之后，断面所有测点的年沉降增量表现出明显的集聚性，为此本文选定2011年及之后坝体变形作为后期变形开展研究。

4 后期变形增量的时空分布规律

4.1 最大坝高断面后期变形增量的时空分布规律

4.1.1 后期沉降增量

根据各测点的变形监测资料，提取最大坝高断面上SV1—SV38测点在2011年1月1日至2015年12月1日间的沉降增量，得到如图4的测点范围内坝体后期沉降增量分布。

图4 最大坝高断面SV1—SV38测点后期变形沉降增量分布和增量柱状图

由图4(a)可知，最大坝高断面发生显著后期变形的部位在坝体高程320～370 m偏向下游侧、坝体中上部以及坝轴线附近次之；坝体中下部以及上游坝坡的后期沉降增量较小。

由图4(b)可知，最大坝高断面测点后期沉降增量的最大值出现在35号测点处，为114.9 mm；最大坝高断面上不同高程测点的后期沉降增量沿顺河向的分布规律存在一定差异，表现出中下部坝体(235、265、300 m高程处测点)的后期沉降增量在顺河向基本呈现中部最大，向两侧减小的分布规律，而上部坝体(340、370 m高程处测点)的后期沉降增量基本呈现出顺河向逐渐增大的趋势；此外，最大坝高断面的后期沉降增量整体上呈现出随高程增加而增大的趋势。

堆石坝体的变形具有明显的空间各异性和时序性，不同填筑时期、不同填筑部位的变形有明显的差异。为量化坝体不同部位在不同变形阶段的变形差异，分析了坝体各部位后期变形发生的程度，统计得到0+212 m断面后期沉降增量占比(后期沉降增量/沉降总量×100%)的分布情况如图5所示。

图5 最大坝高断面SV1—SV38测点后期沉降增量百分比分布云图和增量百分占比柱状图

由图5可知，后期沉降增量占比值较大区域位于坝体上部的上游侧和下游侧，上游侧SV36测点最大，为19.45%，下游侧SV38测点次之，为15.7%；坝体340 m高程以下区域的后期沉降增量百分比基本<5%，且表现出坝体高程越低测点的后期沉降增量百分占比越小的分布规律。以上结果表明：坝体变形时效性明显，填筑越晚的坝体，后期沉降变形越显著(见图5(a))。由此可知，控制坝体后期沉降的重点在坝体中上部，适当提高坝体中上部筑坝料的填筑标准对控制坝体后期沉降变形能起到良好效果。

4.1.2 后期水平位移增量

水布垭面板堆石坝坝内变形情况复杂，一些部位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监测数据缺失。根据获取的测点监测数据，有SE13—SE16、SE20水平位移测点属于以上问题。测点数据的缺失影响分布云图的生成，为此仅采用柱状图研究最大坝高断面后期变形阶段坝体水平位移增量的分布规律。

最大坝高断面各测点后期水平位移增量的分布情况如图6所示。对比图4(b)与图6可知，水平位移增量与沉降增量的分布规律存在显著的差异；除测点1的水平位移增量(73.7 mm)明显偏大外，其余测点的后期水平位移增量基本在20 mm左右，≤40 mm，后期水平位移增量整体不大，且未表现出与高程相关的分布规律。对比后期变形阶段的沉降增量与水平位移增量的分布规律及量级可知，坝体后期变形主要为沉降变形。

图6 最大坝高断面SE1—SE38测点水平位移增量分布

4.2 下游坝面后期变形增量的时空分布规律

下游坝面测点在后期变形阶段发生的沉降、顺河向、坝轴向变形的分布情况如图7所示。

图7 下游坝面测点后期变形分布(俯视图)

由图7(a)可知，最大值区域出现在顺河向0～50 m范围内的坝体中部(坝轴向坐标为200～300 m)，也即最大坝高断面接近坝顶部位；下游坝面的后期沉降增量整体呈现出顺河向向下游和沿坝轴向向两岸逐渐减小的规律，最大的后期沉降增量为88.0 mm，后期沉降增量最小值出现在下游坡脚部位，为3.0 mm；由图7(b)可知，下游坝面后期沉降增量占比的最小值>39.2%，大部分测点的后期沉降增量占比>50%，其中最大沉降增量对应的沉降总增量占比为55.3%。以上结果表明：下游坝面的较大部分沉降变形发生在后期变形阶段。

图7(c)所示为下游坝面后期顺河向水平位移增量的分布情况。由图7(c)可知，后期变形阶段的顺河向水平位移增量与沉降增量有相似的分布规律，后期顺河向水平位移增量的最大值同样分布在坝体上部，位于最大坝高断面附近的坝顶部位，为53.2 mm，与后期沉降增量相比偏小。由后期顺河向水平位移总增量占比分布情况(图7(d))可知，坝体下游面的后期顺河向位移增量占比处在49.1%～74.6%区间，整体偏大，最大值发生部位的占比>50%，表明坝体下游面的大部分顺河向水平位移同样发生在后期变形阶段。

图7(e)所示为下游坝面后期坝轴向位移增量的分布情况。由图7(e)可知，后期坝轴向位移增量基本呈左右岸对称分布，左岸坝体发生指向右岸的后期坝轴向位移增量，最大为33.6 mm，右岸坝体发生指向左岸的坝轴向位移增量，最大为21.6 mm；左、右两岸的后期坝轴向位移增量的最大值均发生在靠近坝肩的部位，呈现出共同指向最大坝高断面的分布特征；此外，左岸的后期坝轴向位移增量大于右岸的，这是由于大坝右岸边坡缓于左岸(见图1(a))。

综上可知，下游坝面在后期变形阶段的三向变形增量的分布规律与面板堆石坝一般变形规律[9-10]类似；此外，最大坝高断面和下游坝面的变形发生时序存在差异，下游坝面的沉降和顺河向位移主要在后期变形阶段发生，而坝内的沉降主要发生在后期变形阶段之前。

此外，图7(b)和图7(f)中增量占比值可达到100%，主要是由于下游坝面底部1～2个测点在后期变形阶段起始时的变形与结束时的变形发生的方向相反，从而造成后期变形增量大于总变形量(如起始时变形为-0.5 mm，结束时变形为1.0 mm，则后期变形增量为1.5 mm，而总量为1 mm)，由此计算得到的变形增量占比>100%，实质上结束时的变形都是在后期变形阶段期间发生的，因此画图时对于占比>100%的测点均取占比值为100%。但需指出的是，这些测点的变形量非常小，仅有1～3 mm，相对于大坝整体变形是可忽略不计的。

5 后期变形阶段历年沉降增量时空分布规律

后期变形增量的分布情况直观展示了坝体后期变形阶段的变形增量分布特征，对认识坝体后期变形的空间分布规律有直接指导作用，但仅通过研究坝体后期变形增量的分布特征无法判定坝体后期变形的发展演化趋势以及演化规律的空间分布特征。为此，本节提取最大坝高断面和下游坝面各测点在后期变形阶段的历年沉降增量，依此研究坝体后期沉降变形演化的空间分布特征。

5.1 最大坝高断面的历年沉降增量时空分布规律

最大坝高断面上SV1—SV38测点历年沉降增量的分布情况如图8所示。可知，历年沉降增量分布基本呈现出高程越高部位测点的年沉降增量越大的规律；大部分测点的年沉降增量随时间变化发生明显的波动，并未表现出逐年减小的趋势。

图8 最大坝高断面测点历年沉降增量分布

虽然最大坝高断面各测点历年沉降增量的历时演化多表现出一定的波动性，但从整体来看，测点历年沉降增量呈逐年减小趋势；2015年，各测点的沉降增量整体偏小，仅个别测点的沉降增量超过10 mm/a。

5.2 下游坝面的历年沉降增量时空分布规律

下游坝面在平行于坝轴线的不同纵断面处设置了数排沉降测点，纵断面桩号越小表示测点距坝轴线越近，所处高程也就越高(见图1(a))。下游坝面测点历年沉降增量的分布情况如图9所示。

图9 下游坝面测点历年沉降增量分布

由图9可知，下游坝面测点历年沉降增量均呈现出明显分布规律：不同高程测点的历年沉降增量均呈现中部最大并向两侧逐渐减小的凸型分布规律，也即下游坝面不同高程上始终为最大坝高断面附近的沉降增量最大；且随着纵断面桩号的增大，也即随着高程的降低，测点的年沉降增量逐渐减小；此外，下游坝面各测点的年沉降增量基本都呈现逐年稳定降低趋势。2015年，各测点的沉降增量最大值为10 mm量级，且同一高程各测点间沉降差异变小，凸型分布已不明显，表明测点间变形差异逐渐减弱，下游坝面变形逐步稳定。