里底水电站坝顶上下游水平变形机制分析

张云广,张会员,汤荣平,龙耀东,段 彬,李明乐

(1. 华能澜沧江水电股份有限公司,昆明 665000;2. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;3. 西安建筑科技大学,西安 710005)

0 前 言

河床式水电站是水力发电站布置的重要形式之一,其进水口是坝体的一部分,起挡水作用。然而由于厂房坝段上部结构即进水口结构与相邻坝段在结构刚度和水压力上存在比较明显的差异性,如此在水压力和温度作用下易产生不同步的上、下游水平变形[1],类似现象也会出现在混凝土重力坝上[2]。探讨此种变形规律,主要依据监测数据统计模型[3-5],如魏超等通过建立统计模型,分析了水压分量、温度分量、时效分量对李家峡拱坝径向位移影响率得出,在2004年径向位移年变幅中,3个分量的影响率分别占10%～35%、60%～80%,时效分量占5%以下。

为了探究荷载作用和边界条件、力学模型等对水工建筑物结构应力变形特征、稳定性影响以及其影响幅度,目前主要采用三维有限元方法[6-11],如石广斌等通过建立4种边界条件的三维有限元法数值模型,分析其对高水头河床式水电站进水口结构应力和变形影响,结果表明不同力学模型对进水口闸墩前沿竖向拉应力影响非常明显,而对进水口下游挡水墙水平拉应力分布规律和量值影响很小;苏晟辉等应用三维有限元计算分析设计反应谱特征周期和下降段衰减系数变洞河床式水电站厂房结构动力响应的影响,得出影响比较明显。

本文探讨的里底水电站于2018年9月水库蓄水,截止2021年6月15日,监测到厂房坝段坝顶向下游的最大水平变形达到 25.0 mm,相对相邻的溢流坝段和底孔坝段,此值稍有偏大,在坝体上游面顶部表现出明显的错台。因此,本文从坝顶水平变形监测数据变化影响因素的关联性着手,同时借助了三维有限元法数值模型计算分析荷载作用对结构变形的影响,期望辨析出发生如此大的水平变形原因,同时可为工程安全评价和后期电站安全运行提供一定的技术支撑。

1 工程概况

里底水电站为澜沧江上游水电开发规划7个梯级电站中的第3个梯级。坝顶总长351.9 m,拦河坝共分16个坝段,从左到右依次为左副坝,坝长40.6 m;溢流坝段,长33.0 m;纵向导墙坝段,长18.0 m;河床式厂房机组坝段长85.8 m;底孔坝段长45.0 m;右岸副坝(0～6号坝段)为挡水坝段,坝段长129.5 m。主河床布置3个机组坝段,机组段宽度28.6 m,机组段总宽度85.8 m,顺水流方向长度76.0 m,厂房最大高度78.3 m,电站进水口底板高程1 774.40 m。

厂房坝段基岩主要为绢云母石英千枚岩,岩体为微新层状岩体,断裂以中等～高倾角裂隙为主,缓倾角断裂不发育,岩体完整性较好,综合判定厂房坝段岩体应属Ⅲ类。

2 坝顶水平变形特征分析

2.1 监测仪器布置

厂房坝段变形监测包括坝基变形监测和坝体变形监测,坝基变形监测项目主要包括倒垂、基岩变位计、测缝计等,坝体变形监测主要包括正垂线、引张线、水准点。另外其它辅助监测如上下游水位、库水水温等。

厂房坝段水平变形采用垂线系统和引张线共同监测。垂线系统由正垂线PL2 和倒垂线IP2组成,布置于9号厂房坝段的垂线室,如图1所示。垂线室位于高程1 753.00 m的灌浆廊道下游侧。正垂线PL2由垂线室坝下0+011.60 m 位置垂直向上延伸至坝顶1 820.50 m;倒垂线IP2由垂线室坝下0+009.60 m 位置垂直向下延伸至高程1 706.00 m。

图1 变形监测仪器布置

为了监测坝体垂直变形,在9号坝段设置了3个水准监测点,其中LDW11位于尾水平台,LD12 和LDX11布置在进水口顶部。另外,在9号厂房坝段坝踵和坝趾分别布设MD1-CF和MD2-CF基岩变位计监测基岩变形,监测深度为15 m。变形监测仪器布置如图1所示。

2.2 坝顶水平变形特征

里底水电站自2018年9月15日开始下闸蓄水,经历13 d(到2018年9月28日),水位升至高程1 815.75 m,到2021年6月15日,已有1 001 d(约合2.74 a)。图2为厂房9号坝段上、下游水平位移监测值与库水位关系时程曲线。从图2中可以清楚看出,在2018年9月28日至2021年6月15日期间,监测变形经历了3个波峰和2个波谷。坝顶水平变形峰值变化趋势曲线如图3所示。从图3可以得出,前2个波峰之差为3.29 mm,时长为392 d,变化率为0.008 39 mm/d;后2个波峰之差为1.21 mm,时长为392 d,变化率为0.003 09 mm/d。第2波峰之间的变化率明显小于第1波峰之间的变化率,前者约是后者的2.7倍,表明坝顶变形趋于收敛状态。

图3 坝顶水平变形峰值变化趋势

温度变化对变形影响具有一定的滞后效应,坝顶水平变形监测值与温度时程曲线如图4所示。从图4中可以清楚看出,坝顶上、下游水平变形与温度变化具有很高的关联性,温度升高时,变形向上游发展;温度降低时,变形向下游发展。坝顶水平变形达到极值时间要比温度达到极值时间滞后约2—3月。

图4 坝顶水平变形监测值与温度时程曲线

里底水电站坝顶上、下游水平变形在每年3—4月份达到最大,9—10月份达到最小,呈现出正弦函数式来回、缓慢增加状态,未来数年的变形增加值较小,约为4.0 mm,包括库水位上升和累积时效变形。

3 监测数据相关性分析

3.1 模型的建立

在水压力、扬压力、温度等荷载作用下,大坝任一点都会产生位移,因此,构建坝体的变形统计模型时,其位移δ主要由水压分量δH、温度分量δT和时效分量δθ组成[3-5]即

δ=δH+δT+δθ

(1)

温度对模型的精度以及未来的预测精度起到至关重要的作用。里底水电站厂房坝段混凝土结构孔洞较多,从浇筑到机组运行有一年多, 混凝土体的温度场已基本稳定。考虑边界温度对坝体不同部位混凝土的热传导滞后效应,并参考献[2]的分析结果,在建立回归统计模型时,温度项采用温度周期,式(1)的δH、δT和δθ表达如下:

(2)

(3)

δθ=c1(θ-θ0)+c2(Inθ-Inθ0)

(4)

式中:a1i为水压因子回归系数;Hu、Hu0为检测日、始测日所对应的上游水头,即水位测值与坝底高程之差;b1i、b2i为温度回归因子;t为位移监测日到起始检测日的累计天数;t0为建模资料系列第1个检测日到始测日的累计天数;c1、c2为时效因子回归系数;θ为位移监测日至始测日的累计天数t除以100;θ0为建模资料系列第1个测值日到始测日的累计天数t0除以100;α0为常数项。

3.2 坝顶水平变形监测值分析

自2018年9月15日下闸蓄水开始,至2018年9月28日,坝前水位为1 815.75 m。近2.5 a来(2019年1月1日至2021年6月15日),上游水位均值为1 815.96 m,下游水位均值为1 780.88 m;上游水位变化幅度为3.36 m,约为上游最大水头的4.91%;下游水位变化幅度为4.16 m,约为下游最大水头的10.09%。根据选定的统计模型,各分量影响率计算结果如下:

(1) 水压分量

库水位达到一定高度后,一定范围水头的变化对坝顶上、下游水平变形影响较小。库水位升高,坝体向下游变形增大;库水位降低则坝体向下游变形减小。2018—2021年的坝顶上、下游水平变形增幅中,水压分量约占10.0%～15.0%。

(2) 温度分量

温度变化对坝体水平位移影响显著,温度升高,坝顶向下游水平变形减小即坝顶上、下游水平变形表现为向上游回缩;温度下降,坝顶向下游水平变形增加。2018—2021年的坝顶上、下游水平变形增幅中,温度分量占75.0%～85.0%。

(3) 时效分量

时效分量所占比例相对较小,对坝顶上、下游水平变形增幅影响率达5.0%～10.0%,后期可能会降低到5.0%以下。

(4) 根据坝体实测水平位移资料的统计模型分析得出,在25.0 m的坝顶向下游水平变形值中,温度影响占5.52 mm,累积时效变形占1.95 mm,水压力和自重等荷载作用产生变形占17.53 mm。

4 荷载作用结构变形计算分析

4.1 计算分析模型的建立

厂房坝段混凝土结构体型与受力分析模型如图5所示。受力模型1为图5(a),下部大体积混凝土与基岩面设置为固端约束,即不含一定范围内的基岩,其目的是计算分析地基接触面为刚性约束下,荷载对结构变形影响。受力模型2为图5(b),取一定范围基岩,上、下游及深度方向约为1.5倍坝体高度,其目的是计算分析坐落在一定范围的基岩之上的混凝土结构,荷载和基础共同对其变形影响,基础对地基接触面约束可以称之为柔性约束。

图5 结构与受力模型

为了提高单元计算精度,厂房坝段的进水口、梁板柱和墙体混凝土结构、地基均用六面、五面体块单元模拟,部大体积混凝土采用四面体模拟,混凝土与基岩接触面用接触单元模拟。图5中的Pwu、PwD为上、下游水压力;G为重力,包括结构混凝土和设备及流道水重。 基础模量取值为5.8 GPa,混凝土弹性模量根据各部位混凝土设计等级,按规范相应值采用。

4.2 荷载组合及工况

根据上、下游水位变化过程监测结果,计算采用上、下游水位基准值分别为1 816.00 m和1 781.00 m。计算分析主要荷载组合及工况见表1。

表1 荷载组合及工况

4.3 结构变形分析

从结构变形计算值分布来看,竖向变形较大主要位于大体积上部的板梁,电站进水口、厂房下部大体积和尾水出口部位结构变形竖向较小。

顺水流方向最大变形主要位于进水口。仅在结构自重作用下,进水口在上、下游方向水平变形较小,并且朝向上游,变形值为4.96 mm;水库蓄水后,即在水压力作用下,坝顶上、下游方向水平变形由向上游转变为向下游,其向下游变形值为12.51 mm(工况3),受力模型2工况3结构上、下游水平变形如图6所示。

图6 受力模型2工况3结构上、下游水平变形 单位:m

由图6可知,坝顶顶部相对地基面的变形为8.12 mm。自上游水库蓄水到达1 816.00 m时,由计算变形直接得出坝顶向下游水平变形可达到17.47 mm,此值厂房坝段变形监测值是基本一致的,因为由坝体变形监测反馈分析可推测由荷载作用产生坝顶上、下游水平变形为17.53 mm。

通过结构变形状态分析可得,仅由外水压力和水重以及自重等荷载作用下产生的上、下游水平变形主要由以下3部分组成,受力模型1工况3 结构上、下游水平变形如图7所示。

图7 受力模型1工况3 结构上、下游水平变形 单位:m

(1) 结构自身水平变形

在水压力作用下,进水口坝体自身会产生的上下游水平变形,此值约8.12 mm。此值与由图5(a)受力模型计算的坝体变形7.31 m基本一致。从图6可以看出,此变形值主要发生在进水口底板高程1 774.40 m以上。

(2) 刚体变形

在外水压力和水重以及自重等荷载作用下,地基面发生向下游水平变形为4.76 mm,这与目前倒垂监测到的最大数值5.27 mm基本一致。由此可导致坝顶向下游发生4.76 mm的刚体性水平变形。

(3) 倾斜变形

在外水压力和水重以及自重等荷载作用下,地基面发生不同程度的沉降。基岩面竖向变形分布如图8所示。由图8可以看出,地基面中部沉降变形为4.0～4.8 mm,而坝体的上游前沿沉降变形为2.0 mm,而地基面竖向不均匀沉降变形可导致地基面发生一定倾斜,其斜率为0.068～0.080。此斜率又会引起 坝顶向下游发生刚体性倾斜变形,发生倾斜变形同时也必然导致一定水平变形的发生,此值约为4.80～5.68 mm。

图8 基岩面竖向变形分布 单位:m

上述(1)、(2)和(3)等3项值之和为17.68～18.56 mm,此值与由坝体变形监测反馈分析推测荷载产生的坝顶向下游水平变形17.53 mm是基本一致的。

4.4 水位变动对结构变形影响

目前上游平均水位约为1 816.00 m,下游平均水位约为1 781.00 m,上游水位离最高洪水位1 818.90 m,还差2.9 m ,用图5(b)的结构受力模型,由三维有限元仿真计算得出,上游水头变化对坝顶上、下水平变形关系曲线,影响关系呈线性如图9所示。上游水头每变化1.0 m,可引起坝顶发生1.025 mm的变形;下游水头每变化1.0 m,引起坝顶发生0.17 mm的变形。上游水位变化对顺水流方向的变形影响要明显大于下游水位的变化。

图9 上游水位变化幅度与坝顶上、下游水平变形关系

5 结 论

(1) 坝顶上、下游水平变形监测数据统计分析表明,水库蓄水达到一个相对稳定的水位以后,影响坝体水平变形主要影响因素为温度变化,其次是水位变动,再次是时效性,影响率分别75.0%～85.0%、10.0%～15.0%、5.0%～10.0%。

(2) 通过数值仿真分析揭示了坝顶发生较大上、下游水平变形机制,坝顶上、下游最大水平变形由荷载作用变形、温度变形和时效变形组成,其中荷载作用变形由荷载作用下混凝土结构自身变形、地基水平变形和地基沉降变形而引发的混凝土结构自身倾斜变形等3部分构成。

(3) 坝顶上、下游水平变形呈现出正弦函数式来回、缓慢增加变化,未来数年的变形增加值很小,变形变幅基本是由温度作用产生的。

(4) 此变形对电站上部排架柱结构稳定性具有一定的危害,将另撰文论述。