锦屏一级水电站边坡变形对拱坝影响分析

2021-10-28邱茂星

中国农村水利水电 2021年10期

邱茂星，位伟

（武汉大学土木建筑工程学院，武汉430072）

0 引言

锦屏一级水电站地处四川省境内的雅砻江干流，拥有世界最高双曲拱坝，坝高305 m，坝顶高程1 885 m，坝顶长度589.3 m。库区枯期蓄水位1 635.7 m，死水位1 800 m，正常蓄水位1 880 m，自2012年蓄水以来，库区共经历了6 次完整的库水涨落循环。水电站在修建及蓄水过程中会破坏库岸边坡原有的水岩平衡状态，在长期库水涨落引起的浸泡-风干循环作用下，边坡岩体力学性质会逐渐劣化，造成宏观上边坡稳定性降低［1-3］。岩石在长期荷载作用下也会发生流变现象，进而引起边坡变形［4］。两岸边坡发生变形，挤压大坝，可能引起坝身局部开裂，形成渗漏通道，影响拱坝的正常运行［5］。

锦屏一级水电站已监测到明显的谷幅收缩变形。国内已有学者对锦屏一级水电站谷幅收缩规律及库水涨落循环对边坡变形的影响机制进行了探讨［6，7］，杨强［8］、程立［9］等对锦屏一级水电站边坡变形对拱坝的影响进行的研究。但目前对锦屏一级水电站不同水位条件下，边坡当前变形及长期变形对拱坝安全影响的研究较少。本文针对锦屏一级水电站，利用数值模拟的方法，综合考虑边坡岩体劣化效应和流变效应，对蓄水以来，锦屏一级水电站不同水位条件下边坡变形对拱坝的影响进行探讨，计算边坡长期蠕变作用下坝体内部的应力变形分布，阐明边坡长期变形对大坝安全的影响，为边坡-大坝系统的长期安全评价提供依据。

1 计算模型、参数与计算工况

1.1 计算模型与参数

锦屏一级水电站模型如图1 所示。模型的范围：顺河向2 100 m，横河向2 400 m。以坝底建基面中心为基准，延顺河向向上游取1 000 m，向下游取1 100 m；以拱冠梁为基准，向左、右岸各取1 200 m；延坝底建基面向下取480 m（向下游和左岸为X、Y轴正方向）。模型包含331 753个单元，121 408个节点。主要考虑的断层有F5、F8、F42-9、SL42-1、煌斑岩脉X 等，断层结构如图2所示。

图1 三维数值计算模型（单位：m）Fig.1 3D numerical calculation model

模型在底面采取x，y，z三个方向全部固定约束，在四周边界面采取法向位移固定约束。坝体混凝土及各类岩体参数如表1所示。

表1 岩体力学参数Tab.1 Mechanical parameters of rock mass

1.2 计算工况

本次计算采用有限元数值模拟方法。计算岩体初始地应力场仅考虑自重作用。水电站在蓄水后长期运行的过程中，计算拱坝变形要考虑的荷载包括：坝体自重、拱坝上下游水位压力、上游泥沙压力（1 644.4 m，浮容重5 kN/m3）［9］、两岸边坡变形等。本次研究在上游正常蓄水位1 880 m 和死水位1 800 m 两种不同水位条件下，对不同边坡变形情况下的拱坝变形和应力分布进行了计算和分析，具体工况及荷载组合如表2所示。

表2 荷载组合工况Tab.2 Load combination conditions

2 边坡流变反演分析

2.1 边坡流变参数反演计算

研究参考锦屏一级水电站安全评价报告［10］，考虑了岩体参数的劣化效应［11］，对边坡变形展开流变参数反演计算。流变采用三参数流变模型，选取有完整监测数据的外观测点，对蓄水后2013年6月15日至2020年7月28日期间监测数据展开反演，外观测点水平位移矢量监测值及参与反演的外观测点如图3所示（图中圈出的为参与反演的外观测点）。以各测点位移计算值和实测值差值的平方和为目标函数，通过试算、迭代和修正，最终得到岩体流变参数反演结果如表3所示。

表3 流变参数反演结果Tab.3 Rheological parameter inversion results

图3 2013年6月-2020年7月边坡外观测点水平位移矢量监测值及参与反演的外观测点Fig.3 The monitored values of horizontal displacement vectors of the outer observation points of the slope from June 2013 to July 2020 and the outer observation points participating in the inversion

图4 为外观监测值与计算结果的对比，各外观测点横河向位移实测值与反演参数计算值变化趋势一致、变形量值接近，表明反演参数和边坡流变模型是合理可靠的。

图4 蓄水期监测值与反演计算值Fig.4 Monitoring value and inverse calculation value during impoundment period

2.2 边坡变形分析

利用反演参数进行正向计算，预测边坡长期变形趋势和变形收敛时间。设定变形速率小于0.03 mm/月时为完全收敛和变形稳定时间。根据图5外观测点正向计算横河向位移随时间变化曲线分析，确定2034年7月为最终流变稳定时间。图6 为2009年8月边坡开挖至2020年7月左岸边坡拱肩槽横河向位移分布。图7为2009年8月至长期变形稳定时左岸边坡拱肩槽横河向位移分布。

图5 外观测点正向计算横河向位移随时间变化曲线Fig.5 Forward calculation of transverse displacement curve with time at outer observation points

图6 2020年7月左岸边坡拱肩槽横河向位移云图Fig.6 Transverse river displacement of arched shoulder groove of the left bank slope as of July 2020

图7 长期变形稳定时左岸边坡拱肩槽横河向位移Fig.7 Transverse river displacement of arched shoulder groove of the left bank slope under long-term deformation and stability

3 边坡变形对拱坝的影响

3.1 拱坝变形分析

对各工况条件下拱坝变形情况进行分析。表4为各工况条件下拱坝下游坝面最大位移及出现位置，分析可知，从不考虑边坡变形到考虑边坡长期变形，拱坝整体顺河向最大位移略有增加，两拱端横河向位移减小，变形方向指向河谷。

表4 围堰抗滑稳定计算成果表Table 4 Calculation results of anti-sliding stability of cofferdam

表4 拱坝下游坝面最大位移及出现位置 mmTab.4 Maximum displacement and position of downstream dam surface of arch dam

3.1.1 正常蓄水位1 880 m三种工况拱坝变形分析

图8～图10分别为工况1～工况3拱坝下游坝面位移图，分析可知：

图8 工况1下游坝面位移图（单位：mm）Fig.8 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 1

图9 工况2下游坝面位移图（单位：mm）Fig.9 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 2

图10 工况3下游坝面位移图（单位：mm）Fig.10 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 3

左拱端：蓄水后至2020年7月，大坝下游面顺河向最大位移增量为3.8 mm，位于1 885 m 高程；横河向最大位移增量为-3.0 mm，位于1 885 m 高程；大坝1 800 m 高程以下横河向位移改变量较小，最大位移增量为-0.7 mm，位于1 740 m 高程。2020年7月到边坡长期变形收敛，下游面顺河最大变形增加1 mm，位于1 885 m 高程；横河向最大位移增量为-1.2 mm，位于1 885 m高程。

拱冠梁：蓄水后至2020年7月，大坝下游面顺河向最大位移增量为4.1 mm，位于1 710 m 高程；横河向最大位移增量为-1.7 mm，位于1 885 m高程。2020年7月到边坡长期变形收敛，拱冠梁顺河向和横河向位移改变量均很小，不超过0.1 mm。

右拱端：蓄水以来至2020年7月，大坝下游面顺河向最大位移增量为1.6 mm，位于1 680 m 高程；横河向位移改变量较小，不超过0.3 mm。从2020年7月到边坡长期变形收敛，顺河向与横河向位移改变量均不超过0.1 mm。

3.1.2 死水位1800 m三种工况拱坝变形分析

图11～图13 为工况4～工况6 条件下拱坝下游坝面位移云图，分析可知：

图11 工况4下游坝面位移云图（单位：mm）Fig.11 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 4

图12 工况5下游坝面位移云图（单位：mm）Fig.12 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 5

图13 工况6下游坝面位移云图（单位：mm）Fig.13 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 6

左拱端：蓄水后至2020年7月，大坝下游面顺河向最大位移增量为4.2 mm，位于1 885 m 高程；横河向最大位移增量为-3.2 mm，位于1 885 m 高程；大坝1 800 m 高程以下横河向最大位移增量为-0.6 mm，位于1 770 m 高程。从2020年7月至边坡长期变形收敛，下游面顺河最大变形将增加1 mm，位于1 885 m高程；横河向最大位移增量为1.2 mm，位于1 885 m高程。

拱冠梁：蓄水后至2020年7月，大坝下游面顺河向最大位移增量为14.7 mm，位于1885 m 高程；横河向最大位移增量为-0.7 mm。从2020年7月至边坡长期变形收敛，拱冠梁顺河向和横河向位移改变量均很小，不超过0.1 mm。

右拱端：蓄水后至2020年7月，大坝下游面顺河向最大位移增量为1.7 mm，位于1650 m高程；横河向位移改变量很小，不超过0.4 mm。从2020年7月至边坡长期变形收敛，顺河向和横河向位移改变量均不超过0.1 mm。

综上所述，坝体顺河向位移具有良好的对称性，量值在同一高程从拱冠梁至左右拱端逐渐减小。水库蓄水以来，拱坝受左岸边坡变形影响而发生变形调整。蓄水作用主要影响大坝上游边坡变形，坝肩边坡受蓄水影响小。蓄水后，拱坝各部位顺河向均表现出指向大坝下游的位移增量；横河向变形，大坝左拱端表现出向右岸的变形增量，右拱端表现出向左岸的变形增量，大坝拱冠梁附近位移量改变量较小。1 800 m高程以下边坡由于岩体条件较好，且初次蓄水后一直处于蓄水位以下，边坡受蓄水影响较弱，因此1 800 m以下大坝位移增量较小。

3.2 拱坝应力分析

拱坝应力分布情况是衡量拱坝稳定的重要参考依据，尤其是坝面拉应力分布情况，表5 和表6 分别给出了蓄水到1 880 m和1 800 m水位时各三种工况条件下大坝主应力最大值。

3.2.1 正常蓄水位1 800 m三种工况应力对比

图14 和图15 给出了工况1 和工况2 条件下拱坝的拉应力云图，结合表5分析可知：

图14 工况1拱坝拉应力云图Fig.14 Tensile force diagram of arch dam under condition 1

图15 工况2拱坝拉应力云图Fig.15 Tensile force diagram of arch dam under condition 2

表5 正常蓄水位1 880 m三种工况下大坝主应力最大值Tab.5 Maximum principal stress of dam under three working conditions of normal water level 1 880 m

从拉应力分布范围看，蓄水以来至2020年7月，大坝上游坝面右拱端拉应力区在高高程分布范围减小；下游坝面拉应力区在右拱端高高程分布范围略有减小，左拱端无明显变化；建基面拉应力区在右拱端高高程分布范围明显减小，其他区域变化不明显。2020年7月至长期变形收敛，大坝拉应力区分布范围无明显变化。

从拉应力量值看，工况1 时大坝上游坝面拉应力最大值位于1 742 m 高程右拱端；蓄水后至2020年7月，上游坝面最大拉应力由1 742 m 高程右拱端1.67 MPa 增大为1 592 m 高程右拱端1.82 MPa。下游坝面工况1 时最大拉应力位于1 885 m 高程右拱端，值为0.33 MPa，至工况2 时（2020年7月），最大值减小为0.28 MPa；建基面拉应力最大值和位置与上游坝面相同。2020年7月至长期变形收敛，大坝拉应力最大值出现位置未发生变化，上游坝面拉应力最大值变为1.9 MPa，增大0.08 MPa，下游坝面拉应力最大值变化很小，仅0.01 MPa。

从大坝上游面压应力量值看，工况1 时大坝上游坝面压应力最大值位于1 743 m高程拱冠梁，最大值为-6.21 MPa；至工况2 时（2020年7月），压应力最大值增加0.35 MPa。大坝下游坝面，工况1 时压应力最大值为-10.56 MPa，位于1 597 m 高程右拱端；蓄水后至工况2 时（2020年7月），压应力最大值增加0.23 MPa。建基面压应力最大值和位置与大坝下游面相同。2020年7月至长期变形收敛时，大坝上、下游坝面压应力最大值位置未发生变化，压应力最大值变化量仅0.01 MPa。

3.2.2 死水位1 800 m三种工况应力对比

图16 和图17 给出了工况4 和工况5 条件下拱坝的拉应力云图，结合表6分析可知：

图16 工况4拱坝拉应力云图Fig.16 Tensile force diagram of arch dam under condition 4

表6 死水位1 800 m三种工况下大坝主应力最大值Tab.6 Maximum principal stress of dam under three working conditions of dead water level 1 800 m

从拉应力分布范围看，蓄水后至2020年7月，大坝上游坝面与下游坝面拉应力区在1 850 m 高程以上分布范围均明显减小。从2020年7月至长期变形收敛时，大坝拉应力区分布范围无明显变化。

从拉应力量值看，工况4 时大坝上游坝面拉应力最大值为0.98 MPa，位于1 743 m 高程右拱端；至工况5 时（2020年7月），最大拉应力位置不变，最大值减小为0.89 MPa。下游坝面工况4 时最大拉应力位于1 885 m 高程拱冠梁附近，最大值为0.92 MPa；至工况5 时（2020年7月），最大拉应力仍位于1 885 m 高程右拱端，最大值减小为0.28 MPa；建基面拉应力量值及位置与上游坝面相同。2020年7月至长期变形收敛，大坝拉应力最大值位置未发生变化，上游坝面拉应力最大值变为0.9 MPa，下游坝面拉应力无明显变化。

从大坝上游面压应力量值看，工况4 时大坝上游坝面最大压应力出现在1 580 m高程左拱端，最大值为-13.7 MPa；至工况5 时（2020年7月），压应力最大值位置不变，最大值变为-13.5 MPa。大坝下游坝面，工况4时，压应力最大值为-8.2 MPa，位于1 597 m 高程右拱端；至工况5 时（2020年7月），压应力最大值变为-8.5 MPa。建基面压应力最大值及位置与大坝上游坝面相同。2020年7月至长期变形收敛时，大坝上、下游坝面压应力最大值位置未发生变化，量值变化较小，不超过0.1 MPa。

总体而言，水库蓄水后至边坡长期变形收敛阶段，两岸1 800～1 880 m 边坡以指向河谷的位移为主。水位在正常蓄水位1 880 m 时，最大拉应力由1 742 m 高程右拱端1.67 MPa 增大为1 592 m 高程右拱端1.9 MPa；水位在死水位1 800 m 时，最大拉应力位于1 743 m 高程右拱端，由0.98 MPa 减小为0.9 MPa。拱坝1 800 m 以上高程拉应力分布范围和量值明显减小，边坡变形对大坝应力分布起到了改善作用。