特高拱坝施工期谷幅变形演化规律

王文娟，纪丁愈 ，李云祯

(1.绵阳师范学院 资源环境工程学院，四川 绵阳 621000； 2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065； 3.四川水利职业技术学院，四川 崇州 611231； 4.四川省生态环境科学研究院，四川 成都 610041)

随着越来越多特高拱坝的建造，谷幅变形越来越引起各方面的重视。高拱坝蓄水初期，谷幅变形引起的坝体和坝基变形机制及稳定性问题也成为国内外学者研究热点[1-4]。杨杰等[5]对李家峡拱坝蓄水后左岸高边坡变位的研究认为，其边坡地质缺陷在库水压力作用下发生收缩变形，渗透压力上升降低了岩体抗滑强度参数。杨强等[6]从非饱和岩体渗流过程中水压力变化的机理出发，认为裂隙水压力上升改变了基岩平衡状态，使库岸岩体产生塑性变形，诱发锦屏一级河谷向河中心变位，导致谷幅收缩。刘有志等[7]通过对国内3座特高拱坝蓄水期间出现的谷幅变形规律的仿真反馈分析，认为库盆水压导致河谷变窄的量值有限，而基础开挖和蓄水对下部岩体产生的蠕变变形是河谷收缩的主要原因。张金龙等[8]通过对边坡开挖变形资料的分析，认为锦屏拱坝在高地应力作用下，由于工程规模巨大和软弱结构发育，开挖导致岩体卸荷显著，因此边坡产生岸外变形。辛长虹等[9]考虑非饱和渗流分析了锦屏一级拱坝蓄水期间出现的谷幅收缩问题，以及谷幅变形对高拱坝的影响。胡江[10]考虑库水位、实测温度、组合时效等变量，提出了特高拱坝运行初期的变形监测预报模型与构建方法。王俊杰等[11]计算了库底沉降量与蓄水过程的关系。由此可见，横河向的谷幅收缩变形现象已在多处高拱坝工程中出现，且大多考虑了蓄水状况，溪洛渡与锦屏一级水电工程在施工建造期间并未进行谷幅变形监测，然而施工期的谷幅仍有可能产生不可逆转的变形。赵振军等[12]针对白鹤滩水电站开挖卸荷期间的谷幅变形进行了监测与跟踪，发现临近坝基开挖面断面的谷幅变形与坝基开挖呈一定的相关性，收缩较大，但向下游方向，谷幅变形量逐渐减小。因此，不同工程诱发谷幅变形的因素不尽相同，需通过现场监测联合试验、仿真等多手段加深对变形机理的认识，分析关联因素，监测工程运行状态。

我国建设的小湾、锦屏一级、溪洛渡等高拱坝已开始蓄水进入运行期，水位抬升带来的库岸变形问题也开始显现，如李家峡拱坝[5]（165 m）、锦屏一级[6]（305 m）等在首次蓄水期间均观测到库岸有向河中心变位的趋势，谷幅收缩量分别约30 和10 mm。溪洛渡高拱坝，自2012年底开始蓄水以来，在坝址上、下游均观测到显著的谷幅收缩变形，量值达50～80 mm，为国内高拱坝最大变形。此外，日本黑部拱坝和加拿大Oldman拱坝在蓄水后均表现出谷幅减少的规律。

总体而言，横河向的谷幅收缩变形现象已在多处高拱坝工程中出现，变形规律不一。然而，目前对谷幅收缩现象的机制解释和定量化分析仍然偏少，相关变形规律和诱因研究仍较为缺乏，针对施工期两岸岩体变形机制的研究更少。本文基于某特大水电站工程，根据该坝址区工程地质结构性质，采用数值方法，结合现场岩体变形监测，分析坝区施工期空库条件下的谷幅变化特征及驱动因素，并对蓄水提供建议。

1 工程与地质概况

本研究水电站坝址区为典型嶂谷地貌，且具有温泉多、地热高、局部地热异常的特点，使得工程对河谷变形的敏感性较高。同时，在施工期间，人为活动对边坡、谷幅的影响也较大。此外，不同拱坝区域的谷幅变形量值不尽相同。因此，深入研究谷幅变形演化规律，掌握谷幅变形的驱动因素，对分析两岸山体收缩效应对拱坝的运行稳定具有十分重要的意义。

水电站坝址区河道基本顺直，河流流向SE160°，两岸地形陡峻，河谷呈狭窄的“V”型谷套“嶂谷”形态，两岸地形基本对称，地形完整、山体雄厚，岸坡为70 °～80 °。两岸高程1 050 ～1 200 m以下为峡谷，岸坡陡立，坡角一般为 60°～75°，局部近直立，谷顶宽 300 ～360 m，河谷宽高比（以河床基岩面起算）为 1.0～1.2；高程1 050～1 200 m局部呈缓（坡）台，属不连续的第2级侵蚀残留台面；1 050～1 200 m以上高程的部位，岸坡总体较缓，为宽谷，坡角约30°～45°，局部的坡段较陡。左岸谷肩为张家梁子山顶面，属第Ⅴ级剥夷面，山顶高程1 836 m，临江侧为弧形单面斜坡，坡度为30°～40°；右岸谷肩为缓坡台地，属第1级侵蚀残留台面，台地缓倾上游偏左岸，顺江长约800 m，宽约560 m，坡度15°～20°，临江侧边缘依下部边坡地势，平面上呈“W”型，高程1 630～1 430 m。近坝区的地质剖面如图1所示。

图1 水电站近坝区Fig.1 Near-dam area of hydropower station

2 坝区三维模型及模拟本构

2.1 三维数值模型

采用有限元联合有限差分程序建立坝区三维数值模型，首先在Abaqus有限元软件中建立三维网格模型，然后导入岩土专业有限差分软件中进行仿真计算。软件中根据多面体单元结构模拟实际材料，采用“混合离散法”模拟塑性流动和塑性破坏，采用动态的运动方程，在模拟物理上的不稳定过程时不存在数值上的障碍。同时，具有占用计算机内存小、解决工程范围大的优点，比有限元采用的离散集成法更为合理。通过显式求解法，可以计算连续、非连续的大变形场和应力场。近坝区各类岩体分布如图2所示，其中岩体分类参考表1。坐标原点位于大坝最高面（+988 m）中心点处，整个模型的横向长1 200 m、纵向长1 000 m，高650 m；不考虑节理裂隙与地热、温度作用及偶然地震影响，岩体类型按连续介质考虑，岩体与混凝土坝体近似为理想弹塑性变形。

图2 坝区岩体类型与断层带位置Fig.2 Rock mass type and fault zone location in dam area

表1 岩体质量分类Tab.1 Classification of rock mass quality

建造的大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高270 m，属于300 m级特高拱坝。大坝及两岸基础模型单元数142 184个、节点160 655个；其中断层划分单元4 392个、节点9 102个；坝体划分单元18 920个、节点24 730个。断层带贯穿于拱坝右侧上下游，断层岩体破碎，为F42破碎角砾岩断层，厚约0.5 m，由于厚度小，对大尺度的岩体整体质量影响不大。

2.2 地应力场

模型上边界为自由无约束边界，底部（Z向）采用固定位移约束，Z向应力场将在计算中由自重自动产生；横河向（X向）、顺河向（Y向）施加地应力场的边界条件。首先，采用自重计算初始应力场，设重力加速度为g，岩体密度为ρ，岩体泊松比为v，模型高度为h，侧压力系数k0=v/(1-v)。其次，通过在程序中编写FISH语言，实现施加位移与地应力边界条件，整体模型施加位移、应力边界条件后的效果如图3所示，其中绿色短线表示施加的地应力条件，红色短线表示模型底部施加的位移边界条件。

图3 地应力场边界条件Fig.3 Boundary conditions of in-situ stress field

2.3 材料参数与本构模型

坝体及基础主要力学参数，由地质勘察、力学实验，并经反演分析确定（表2），其中抗剪强度为内摩擦角φ的正切值，即tanφ。

表2 坝体及基础主要力学参数Tab.2 Mechanical parameter values of dam and foundation

本构模型为各向同性弹塑性模型，采用Mohr-Coulomb (M-C)准则，其力学模型为：

式中：f为屈服函数；σ1、σ3分别为最大、最小主应力；φ为内摩擦角；c为黏聚力。f＞0时，材料处于塑性流动状态；f＜0时，材料处于弹性变形阶段；f=0时，处于弹、塑性的临界状态。

以上即为剪切破坏判据，拉伸破坏判据为：

式中：ft为拉屈服函数；σt为岩体抗拉强度。

有限差分程序中，岩体的体积模量、剪切模量分别由下式计算：

式中：K、G分别为体积模量、剪切模量；E为弹性模量；ν为泊松比。

计算工况采用天然条件、施工期空库无蓄水的工况，在区域地应力场与自重作用下，两岸岩体施工期开挖作用下，计算坝区岩体卸荷回弹与演化变形。

3 谷幅变形分析

3.1 变形分析

两岸岩体已存在千百年，自身具有水平与竖向的长久位移。拱坝建造、两岸岩体开挖从2016年开始，人工开挖产生的变形将对大坝造成“拉伸”或“挤压”。数值仿真时，应剔除由长久自重产生的变形量，即清零千百年来岩体的自身变形，从2016年开挖时的变形起算，并且也与2016年从零开始的现场监测数据对应。故对数值模型中由历史自重产生累计位移清零，考虑现阶段的工程现状，即坝后水垫塘在施工期的岩体开挖支护、人类工程活动等易使河谷两岸岩体变形条件下，考虑岩体长期蠕变与空谷无坝状态，从施工期（即2016年8月）起算位移。X方向位移计算结果见图4，从近坝区（横河向1 km范围内）的位移等值线可以看出，左、右两岸位移并不对称，但数量级基本为毫米量级，最大约10 mm，最小为0，且均具有朝向河谷的位移，朝向河谷的变形左岸大于右岸。

图4 X向位移结果等值线云图（单位: m）Fig.4 X displacement isoline cloud picture （unit: m）

对比坝后水垫塘左、右岸不同高程（上部为988 m高程、中部为900 m高程、下部为830 m高程、底部为730 m高程）部位的位移可见，两岸底部位移均较小。右岸朝向河谷的变形和高程呈现明显的正相关性，最大变形部位为上部，达8 mm；左岸朝向河谷的变形同样和高程呈现明显的正相关性，最大变形部位为上部，达18 mm。

近坝区总位移矢量场如图5所示。可见，两岸的位移均朝向河谷，左岸朝向河谷变形明显，右岸高程高的部位朝向河谷变形，这是由于在大坝建造过程中，两岸岩体受开挖、回弹变形影响的结果。高程低的局部向下变形甚至有远离河谷的趋势，这是由两岸山体开挖后的整体变形协调导致的。总体而言，两岸的变形基本为朝向河谷方向，具有变形的一致性。右岸位移矢量场强于左岸，高高程部位的变形大于低高程部位。右岸下部靠近河道处向下变形，库盘底面上（即河道位置）矢量较小，具有向左岸变形的趋势。

图5 总位移矢量场Fig.5 Total displacement vector field

3.2 变形速度分析

有限差分法采用运动方程求解，针对每个节点，由应力及外力利用虚功原理求节点不平衡力，由不平衡力求节点速度。X向速度计算结果如图6。分析可知，右岸朝向河谷变形，速度为正；左岸朝向河谷变形，速度为负。两岸变形速度均很小，且左岸朝向河谷的速度略大于右岸朝向河谷的速度，速度变化与上、下游关系不密切。

图6 横河向速度云图（单位：m/s）Fig.6 Cross-river velocity nephogram (unit: m/s)

通过叠加三向速度矢量到速度云图上，生成总速度矢量场云图7，近坝区总体速度很小，差别不大。从总速度矢量云图可以看出，量值很小，左岸略大于右岸。靠近上游，左岸下部的总速度略大于其他部位。库盘底面上速度变化非常小。

图7 总速度矢量场（单位：m/s）Fig.7 Total velocity vector field (unit: m/s)

对比坝后水垫塘左、右岸不同高程（上部为988 m高程、中部为900 m高程、下部为830 m高程、底部为730 m高程）部位的速度，右岸速度朝向河谷，速度由大到小分别为上部、中部、下部、底部；左岸速度也朝向河谷，速度由大到小分别为上部、中部、下部、底部。

4 谷幅变形驱动因素分析

4.1 变形监测分析

拱坝施工期，坝后水垫塘谷幅变形监测如图8所示。可以看出，2016—2019年间，谷幅呈逐渐缓慢增大的趋势，收缩变化量超过10 mm，最大达20 mm，后续可能仍处于平稳、缓慢的增长趋势。由图8（b）现场监测结果可见，曲线缓慢增长，逐渐趋于平稳，数值为15～20 mm；结合图4数值云图可见，两岸朝向河谷的变形，相同高程的数值叠加为10～20 mm，即为计算的谷幅变形结果，与监测曲线较为接近。谷幅实际监测值与数值计算值较接近，变化趋势与规律相符。

图8 谷幅变形监测Fig.8 Valley width deformation monitoring

4.2 驱动因素分析

谷幅是指峡谷两岸相同高程、平行位置、相向对着的两点直线段的距离。谷幅变形是大坝的上、下游较大范围内库岸岩体在水平方向（横河向）的位移变化，不同于一般的两岸边坡变形，较为特殊。对于库岸或边坡而言，其变形往往表现为浅表层范围，甚至是局部，并且大多存在较为明显的岩体破坏等表观迹象；而谷幅变形在整个库岸的范围影响较大，向山体内延伸，在上下游与高程分布上，均具有同步性，一般不会出现较大范围的拉裂、挤压等破坏现象。实质上，谷幅变形是由于地质条件改变导致应力场变化调整而产生的地质体弹性变形，或由于水库蓄水、渗流场、渗流产生的孔隙-裂隙水压力作用、岩体强度改变等因素引起的地质体弹性-塑性变形。

谷幅变形较易受外界条件影响，如地形地貌会直接影响谷幅变形的大小和分布，在一定时间内将发生持续的谷幅变形效应，变形的量值大小与发展规律因地质条件、岩层结构、水文条件等内因与外界的工程活动、水库蓄水等外因的不同而不尽相同，但终将会收敛，不会无限制地增长。并且，谷幅变形与库盘（库岸周边岩体）的整体受力密切相关，其变形速率也受近坝区的地质结构、水文条件、库区水位调节的影响。谷幅驱动成因示意如图9所示。

图9 谷幅驱动成因示意Fig.9 Schematic diagram of valley driving cause

一般地，对于单斜、向斜、背斜等不同的构造盆地而言，向斜构造盆地更易出现谷幅现象。此外，峡谷两岸为层状或似层状地层、透水层与隔水层互层分布、两岸天然地下水位低缓、坝基存在与库水有直接联系的区域性承压含水层、水库蓄水位高，则更易发生谷幅变形[13-17]。如溪洛渡水电站坝址位于向斜构造盆地，坝区两岸为透水层与相对隔水层互层分布的缓倾层状地层，厚400～550 m的区域性承压含水层存在于坝基以下，且在坝体的两岸，天然地下水位较为低缓，可以说同时满足了以上所有易发条件，导致谷幅变形程度居国内同类电站之首。

水电站施工期，无蓄水状况，拱坝的兴建改变了近坝区原岩应力状态，加之工程活动影响，应力场出现间断或持续的调整，对库盘和谷幅均会产生影响。应力场改变越大，对谷幅变形的影响就越大。电站坝址地层走向与边坡大角度相交，倾下游稍偏右岸，为斜横向河谷，总体受力状态没有较大的扭曲。

2016—2018 年间，该特高拱坝建造之前与建造过程中，两岸岩体因不断的开挖与石料清理，产生了朝向河谷的卸荷回弹效应。接近河道的底高程部位，由于同时受到河道开挖面向上的回弹变形，对岩体朝向河谷与向下的变形具有一定的抵消作用，故两岸低高程部位的谷幅收缩量相对较小。在拱坝浇筑过程中，由于岩体长期蠕变的存在，两岸高高程部位岩体累积产生了朝向河谷的15～20 mm的收缩位移量。

该区域的地下水位普遍在高程815 m以下，在后期蓄水中将会加大谷幅变形量与库盘沉降量，在每年的6—9月的雨季，降雨的入渗及对两岸岩体的软化作用将会进一步加剧变形量。此外，若施工坝区产生了较大的谷幅收缩效应，将会对拱坝的稳定与安全运行产生影响，建议进一步复核研究拱坝在静动力作用下大坝整体稳定变形和工作性态，再决定蓄水时机和制定蓄水计划。

5 结 语

本文通过数值模拟和现场原型观测，对特大水电站坝区施工期空库条件下的谷幅变化特征及驱动因素进行了研究，两岸山体横河向变形数值分析表明，单侧岩体朝向河谷的最大总位移可达近20 mm；两岸均具有朝向河谷的缓慢变形，与高程呈现正相关性，左岸略大于右岸。工程实测变形显示，谷幅波动起伏变化，缓慢收缩，约20 mm，总体变化正常。施工期两岸山体处于缓慢收缩变形状态，主要由人工开挖造成的卸荷回弹效应及两岸岩体长期蠕变驱动。建议加强并跟踪谷幅变形监测，在大坝的上、下游附近尽量减少额外的爆破活动，以减小谷幅变形对施工期坝体工作性态的影响。