丹江口大坝加高后工作性态分析

郑光俊 颜天佑 田振宇 雒翔宇

摘要：丹江口大坝加高工程包括混凝土坝和左右岸土石坝。将工程完工蓄水后的运行监测资料和有限元仿真计算成果进行了对比，分析了混凝土坝的坝体稳定、应力、变形、新老混凝土结合状态及初期工程缺陷处理效果，以及土石坝的坝体变形、渗流场和渗漏等，综合评价了坝体的工作性态。结果表明：丹江口大坝加高后工作性态总体正常，满足正常蓄水要求。

关键词：丹江口大坝;  大坝加高; 工作性态; 混凝土坝; 土石坝

中图法分类号：TV64 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.014

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0073 - 07

0 引 言

丹江口水利枢纽位于湖北省丹江口市汉江干流与支流丹江的汇合口下游约800 m处，是开发、治理、保护汉江的关键性控制工程，大坝加高后其工程任务为防洪、供水、发电、航运等综合利用[1]，是南水北调中线一期工程的水源地。大坝加高工程是在初期工程的基础上改建、扩建而成，具体包括混凝土坝及左右岸土石坝（图1），总长3 442 m。大坝加高后，坝顶高程由初期的162.0 m加高14.6 m至176.6 m，水库正常蓄水位由157.00 m提高至170.00 m，设计洪水位172.20 m，校核洪水位174.35 m，水库总库容增加到339.1亿m3。初期工程于2005年9月开工，2013年8月通过蓄水验收。

丹江口大坝加高无规程规范可依，国内很少有工程实例可供借鉴。该工程的主要特点为在运行情况下进行的加高，新老坝体结合状态复杂，加之初期大坝缺陷种类多，检查及处理难度大[2]。鉴于丹江口大坝加高规模大、技术难度高，“十一五”国家科技支撑计划将“丹江口大坝加高工程关键技术研究”列为重大项目课题进行了研究。大坝加高后的工作性态备受关注。已有研究结果表明：大坝稳定、应力、变形及新老坝体结合状态等均满足设计要求，初期大坝裂缝经处理后处于稳定非扩展状态，大坝工作性态总体正常[3-4]。

2021年10月10日，丹江口水库首次蓄水至正常蓄水位170.0 m，大坝的工作性态再次成为社会各界关注的焦点。本文以截至2021年10月17日的丹江口大坝监测数据为基础，结合仿真计算结果，分析评价了大坝加高后的工作性态。

1 技术路线及分析方法

选取丹江口大坝典型坝段进行大坝运行状态分析和评价。首先，根据大坝运行监测成果率定获得的大坝三维有限元结构设计计算模型及参数[5-6]，按照运行过程中实测的水温、气温等边界条件，开展大坝工作状态的仿真计算，获得相关坝段关键部位的应力、变形、渗流成果和可能的变化区间;其次，将仿真分析计算结果与运行监测成果进行比较分析，验证设计计算模型及参数，开展大坝设计条件及工况下的应力与变形分析，对大坝工作状态进行总体评价。

1.1 混凝土坝模型及参数

根据坝段的结构特点、位置及功能等不同，在混凝土坝工作性态研究中分别选取右联转弯1坝段、右联7坝段、深孔10坝段、18坝段等作为研究对象，以三维有限元法为主进行研究。

先建立有限元仿真分析模型，并以7坝段和18坝段为代表（图2），根据实际施工资料，考虑水位变化和年气温变化，结合监测资料的实测温度值和变形量，分析研究导温系数、新老混凝土坝的弹性模量、新老混凝土结合面结合度等参数的取值，并对温度边界条件进行率定;再利用确定的参数和边界条件，进行大坝工作性态研究。

1.2 土石坝模型及参数

选择最不利断面作为丹江口土石坝的工作性态分析与评价的典型断面。选择桩号1+140断面（图3）进行左岸土石坝渗流计算;该断面在初期工程运行阶段进行了加固，并且出现过测压管测值异常[7]。选择土石坝与混凝土结合部位桩号0+000断面（图4）进行右岸土石坝分析评价;该断面较其他断面沉降量大，且尚未收敛。

先以二维分析方法建立有限元模型，考虑水位变化，根据渗压监测资料，分析研究各渗透分区参数的取值;然后，据此开展土石坝二维及三维数值模拟分析，评价土石坝工作状态。

2 混凝土坝工作性态

2.1 混凝土坝稳定

在丹江口混凝土坝段结构设计稳定分析中，坝基扬压力是一项主要荷载，也是大坝监测的重要内容之一。工程蓄水后的监测结果表明：混凝土坝的坝基防渗帷幕、排水孔等综合措施对降低坝基扬压力效果明显，坝基扬压力折减系数远小于设计取值;2021年水位抬升到正常蓄水位的过程中，典型坝段坝基渗透压力折减系数与上年度相比基本无变化。

典型坝段坝基渗压力折减系数设计值、监测值及抗滑稳定安全系数如表1所示，坝基抗滑稳定计算中，建基面力学参数同初期工程大坝设计取值。由表1数据可知，渗压力折减系数实测值（最大值）小于设计采用值，因此稳定复核成果表明混凝土坝段的抗滑稳定是安全的。

2.2 混凝土坝变形

选择右联转弯坝段1坝段、右联7坝段、深孔10坝段和18坝段等作为典型坝段进行了研究。仿真计算结果表明：各坝段在运行过程中的位移变化规律与监测数据相同，计算值略大于监测值。7坝段2020～2021年典型时刻坝顶顺流向位移仿真计算值与监测值对比统计如表2所示。

仿真计算成果表明：2020年12月至2021年8月上旬，水位从164.0 m降低至161.0 m，仿真计算得到的坝体顺流向位移增量（包含温度场的影响）如图5（a）所示：坝顶向上游位移值为5.1 mm，而监测值为4.5 mm;2021年8月上旬至10月上旬，水位从161.0 m抬升至170.0 m，仿真计算得到的坝体顺流向位移增量（包含溫度场的影响）如图5（b）所示：坝顶向下游位移值为3.6 mm，而监测值为3.1 mm。

从以上数据可以看出，在各期变化中，仿真计算的位移变化规律与监测数据相同，位移计算值略大于监测值。

2.3 混凝土坝应力

大坝加高工程完工及蓄水后，坝踵及新老坝趾处的竖向应力变化是评价坝体安全性的重要指标。以右联转弯1坝段、右联7坝段、深孔10坝段和18坝段等为典型坝段进行了研究，结果表明：与大坝加高前相比，在大坝加高后和水库水位抬升过程中，坝踵附近的坝体应力呈受压趋势，应力状况没有恶化;老坝趾和新坝趾处竖向应力均有所增大，呈受压趋势。

右联7坝段从大坝加高当年（2006年）至2020年10月底，高程104 m（坝踵以上5 m）上游面、距表面0.5 m和2.0 m处的竖向应力变化过程如图6所示。由图可知，大坝加高完建后，104 m高程上游面最大竖向应力从约-0.5 MPa增加至约-3.0 MPa，压应力增幅为2.5 MPa左右。大坝加高后的运行期坝体压应力基本呈周期性变化，随着水位抬升，压应力略有减少，最大为3.1 MPa、最小为1.4 MPa。

新、老坝趾处的竖向应力变化曲线如图7所示。由图可见，从大坝加高工程完建后，老坝趾的竖向应力从-0.2 MPa增加至-2.5 MPa。大坝加高完成、库水位抬升之后，竖向应力年变化在-1.5～-2.5 MPa之间，老坝趾压应力约增加0.2 MPa。大坝加高工程完成至水库水位上升之前，新坝趾的竖向应力年变化在0～-0.6 MPa之间;水库水位抬升期间，由于库水压力使新坝趾有受压的趋势，而温度荷载变化不大，所以新坝趾处的最大竖向压应力有所增大，增幅最大为0.4 MPa。因此，大坝蓄水期间，新坝趾呈受压趋势。

在贴坡新浇混凝土内的106 m高程（近坝趾）处埋设1支应力计，距下游面约5 m。该处竖向应力实测值结果表明：2021年8～10月水位由161.0 m抬升至170.0 m期间，坝趾应力为压应力，变幅约为0.1 MPa。通过仿真计算，得到如图8所示对应测点位置的应力计算值变化曲线。图8表明：坝趾应力为压应力，水位抬升后，压应力略有增加，从8月上旬的约-0.60 MPa增加至10月的-0.85 MPa，增幅约为0.25 MPa。可见，坝趾处应力的监测值和计算值均为压应力，应力变化幅值接近。

2.4 新老混凝土结合状态

丹江口大坝加高工程中，新老混凝土结合面的结合比例设计控制指标为不小于20%。为监控新老混凝土结合状态，分别在右1，7，10，17，21，31和34坝段布置了测缝计（测值误差范围±0.2 mm），共计60支。根据 2020年8月27日（夏季）测值，在60支测缝计中有26支测缝计开合度小于0 mm，缝面闭合比例为43. 3%。监测结果表明新老混凝土结合比例大于40%，满足设计要求。

采用仿真计算方式得到的7坝段水位抬升前后新老混凝土结合面接触状态示意如图9所示，图中白色表示接触，红色表示脱开;新老混凝土结合面开合情况统计如表3所示。

由图10及表3可知，2021年8月上旬至10月上旬水位抬升期间，结合面接触面积略有增大，结合面平均开度、最大开度略有减小，结合面有压紧的趋势。其中，相对于161.0 m水位，170.0 m水位的结合面斜坡、直立段接触面积比例分别增加1.5%， 1.4%，结合面平均张开度总体减小0.02 mm。

图10为7坝段坝坡不同高程监测点的新老混凝土结合面开度历程曲线。由图可知：蓄水期间，大部分区域开度减小，仅在斜坡段表现为两侧局部略有增大，但开度变化不大，主要是由蓄水过程中的外界温度下降引起;结合面开度变幅在0.1 mm以内。与监测值对比，开度计算值变化规律与监测值相同;水位抬升后，新老混凝土结合面有壓紧趋势，开度变化均小于0.1 mm。

2.5 缺陷处理效果

丹江口大坝加高施工期间，检查发现初期大坝表面裂缝较多，其数量较运行期历次检查中的数量有所增加，大坝表面Ⅱ类及以上裂缝统计条数为3 242条，总长度为34 536.25 m（包括廊道裂缝）[8]，部分裂缝规模有所发展。在大坝加高期间，对初期大坝存在的裂缝开展了成因和危害性分析，并进行了全面的检查和处理。经处理的裂缝大体可分为两类：① 加高后裂缝位于加高工程内部;② 加高后裂缝部分区域仍暴露在大气或库水位中。根据监测资料分析：① 类的温度环境相对稳定，裂缝开度基本稳定;② 类裂缝局部处于活动状态，与气温变化有一定关系，但与库水位相关性不明显。总体而言，老坝存在的裂缝及水平弱面等缺陷均处于闭合状态或稳定的非扩展状态。

表4所示为初期大坝中规模相对较大的典型缺陷（右联转弯坝段143.0 m高程水平缝、右联7坝段纵向缝和18坝段竖向裂缝）基本情况及处理后的效果。结果表明，对初期大坝混凝土缺陷的处理效果达到了设计要求。

7坝段在门库左右侧竖直裂缝处各埋设一支裂缝计，编号分别为J07YL7， J08YL7。两支仪器测值过程线见图11和图12。测值表明：缝面未呈现张大趋势，受气温影响不明显。2021年8～10月蓄水期间，两支裂缝计开度增量不超过0.1 mm。

采用仿真计算得到7坝段在水位161.0～170.0 m纵向裂缝缝面状态如图13所示，图中白色表示接触，红色表示脱开。由图可知：缝面大多接触良好，水位抬升后，接触面略有增大，开度变化值在0.05 mm以内。经对比分析可知，计算结果和监测结果规律一致。裂缝经过处理之后，其在蓄水期间，缝面开度趋于稳定状态，裂缝有压紧趋势。

3 土石坝工作性态

3.1 左岸土石坝

根据监测结果，左岸土石坝左右岸方向累计位移量在-18.13～8.40 mm之间，最大累计位移量测点为TP18ZT01（坝顶0+026断面）;上、下游（Y）方向累计位移量在-23.38～19.61 mm之间，最大累计位移量测点也在TP18ZT01。左岸土石坝水平向变形基本正常，各测点变化趋势未现异常，且测点变形均较小。

左岸土石坝垂直位移监测点累计位移量在-6.44～95.39 mm之间，与混凝土坝接缝部位距离越近，沉降量越大，且向左岸逐渐减小。位于混凝土坝与土石坝结合处的LD02ZT01实测最大值为95.39 mm且此时仍呈增大趋势，但速率明显变缓，符合一般土石坝的变形规律。

采用左岸土石坝1+140断面进行渗流计算，对正常蓄水位、设计水位及校核水位工况下土石坝的渗流安全状况进行预测分析，计算结果见表5。根据所选断面分析：黏土心墙承受的最大比降、反滤料承受的最大比降均未超过各渗透分区的允许比降[9]，表明各渗透分区的渗流状况是安全的。

2021年10月10日，先锋沟实测渗漏量0.69 L/s，左岸土石坝与混凝土坝结合部实测渗漏量仅为0.37 L/s，左下挡墙量水堰全年处于无水状态。左岸土石坝渗漏总体正常，渗漏监测值主要受库水位与降雨影响。

综上所述，根据监测数据及仿真计算分析：左岸土石坝坝体变形正常，各渗透分区承担的最大比降小于其允许比降，渗流状况稳定，渗漏量小，工作性态正常。

3.2 右岸土石坝

右岸土石坝实测坝顶水平位移监测点左右岸方向累计位移量在-88.58～22.14 mm之间;实测上下游方向累计位移量在-119.46～21.99 mm之间，最大累计位移测点均为AL02YT01（结合部0+032断面），变形尚未收敛。其它各测点测值均较小。

坝顶垂直位移监测点累计位移量在-2.27～439.60 mm（截至2021年10月17日），最大累计位移量测点为右岸土石坝与混凝土坝结合部的测点LD02YT01。由图14的右岸土石坝坝顶在不同桩号点对应的沉降分布可知：右岸土石坝沉降表现为距结合部越近，沉降量越大，与左岸土石坝表现一致。沉降变形主要集中在0+000～0+122断面区间，其他断面沉降较小。结合部沉降变形尚未收敛。2017年9月28日至11月2日，丹江口水库首次蓄水至167.0 m，历时35 d，AL02YT01测点沉降量22.59 mm，沉降速率为0.65 mm/d;2021年9月13日至10月17日，丹江口水库首次蓄水至170.0 m，历时34 d，AL02YT01测点沉降量6.45 mm，沉降速率为0.19 mm/d。库水位两次创新高过程的时间周期相近，最大位移测点测值同比减少约71%，由此可见结合部沉降变形收敛趋势明显。

监测资料表明：右岸土石坝除右坝头与混凝土结合部沉降未收敛外，其他坝段坝体的变形、渗压及渗流均处于稳定状态，工作性态总体正常。2018年以来，现场不仅加强了右坝头与混凝土坝结合部的观测，还针对结合部开展了结合面示踪连通试验[10]、筑坝材料特性试验、较大沉降成因分析和工作性态研究。主要研究结论为：① 心墙与混凝土坝的接触是密实的，没有大面积脱开或明显的渗透通道;② 坝顶较大沉降与该部位土坝建基面深、心墙实际深度及断面大、施工填筑快而沉降未稳定、心墙部位沉降达到稳定过程长及坝体填料受蓄水和外源来水综合影响等有关，是各方面不利因素集中在局部范围内的综合作用结果。

采用仿真计算预测了右岸土石坝与混凝土坝结合部正常蓄水位170.00 m及以上各特征水位大坝渗流安全状况，计算结果见表6。数据表明：结合部各渗透分区比降及单宽流量随水位的上升小幅增大，最大比降小于允许比降值。

2021年10月17日，右岸土石坝结合部下游挡墙内量水堰实测渗漏量为1.12 L/s，桩号0+643处量水堰渗漏量测值为1.06 L /s，坝体实测渗漏量较小，测值与上游水位及降雨有关。

根据以上分析，尽管结合部变形尚未收敛，但右岸土石坝变形仍符合土石坝的一般規律，整体变形可控，处于渗流稳定状态，工作性态正常。

4 结 论

（1） 丹江口大坝加高工程完建蓄水迄今， 混凝土大坝坝体位移量正常，坝体坝基渗流量和扬压力监测值均小于设计值，坝体稳定安全;蓄水过程中监测数据变化与温度变化相关性好，对水位变化不敏感、稳定性好，大坝应力、变形发展规律正常;新老混凝土结合状态良好，左、右岸土石坝变形、渗压和渗流监测值均在设计允许范围内。丹江口大坝工作性态总体正常，满足正常蓄水要求。

（2） 初期混凝土坝缺陷处理后的监测成果表明：在蓄水过程中，老坝裂缝和水平弱面等缺陷均处于闭合状态或稳定的非扩展状态，即初期工程采取的处理措施有效可靠，大坝整体安全。大坝加高工程挡水期间，大坝安全监测成果未出现异常情况，大坝运行正常。

（3） 右岸土石坝沉降量相对较大的坝段范围主要在距结合部桩号0+000～0+122的局部区域内。结合现有资料和研究成果分析得出：结合部土坝变形仍符合土石坝的一般规律，整体变形可控，处于渗流稳定状态，大坝的渗透稳定满足安全要求。

（4） 尽管大坝加高期间对初期大坝混凝土缺陷进行了尽可能全面的检查，但鉴于丹江口大坝是在老坝基础上加固加高，由于条件限制以及问题复杂性，尚不能彻底排除在进一步蓄水期间暴露尚未查明的混凝土缺陷的可能性;为确保大坝蓄水安全，在大坝后续蓄水运行过程中，尤其当库水位达到新的蓄水高度时，仍应加强监测和巡查，如发现问题则及时分析、及时应对。

参考文献：

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[8] 长江勘测规划设计研究有限责任公司.南水北调中线一期丹江口大坝加高工程初期大坝混凝土缺陷检查与处理报告[R].武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2011.

[9] 饶锡保，郭熙灵，丁红顺，等.丹江口水库加高工程筑坝材料工程特性试验研究[J].长江科学院院报，2002，19（增1）：78-82，88.

[10] 水利部岩土力学与工程重点实验室.丹江口大坝右岸土石坝与混凝土坝结合部示踪连通试验报告[R].武汉：水利部岩土力学与工程重点实验室，2020.

Analysis on working behavior of heightened Danjiangkou Dam

ZHENG Guangjun1， YAN Tianyou1， TIAN Zhenyu1， LUO Xiangyu2

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Science China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China）

Abstract： Danjiangkou Dam heightening project includes concrete dam and earth-rock dam on the left and right banks. After the completion and impoundment of the project， the operation monitoring data and the finite element simulation calculation results were compared to evaluate the working behavior of the concrete dam according to the stability， stress， deformation， bonding state of new and old concrete， the treatment effect of initial project defects， and evaluate the earth-rock dam according to its deformation， seepage field and leakage. The results showed that： the working behavior of heightened Danjiangkou Dam was generally normal and could meet the requirements of normal water storage.

Key words： Danjiangkou Dam; dam heightening; working behavior; concrete dam; earth-rock dam