第一章　混凝土坝变形

第一节　混凝土坝坝顶水平位移变化规律的多样性

正确地掌握大坝变形规律,尤其是坝顶水平位移规律,对了解大坝工作状态,评估大坝安全有着重要意义,有必要系统和全面地进行研究。影响坝顶位移变化的因素众多,通常见到的因温度位移占优势形成的“正弦曲线”是大多数混凝土坝位移过程线的特点,但不能绝对化。原型监测资料证明,大坝位移变化规律非常多样化,某些混凝土坝出现与常规不一致的“异常”现象在绝大多数情况下可能都是真实的,是大坝所受荷载及地质、温度等边界条件的真实反映,不宜轻易否定。同一座大坝不同坝段之间由于边界条件的差异也将导致不同的位移特性。

一、坝顶水平位移的影响因素及其多样性规律

(一)对坝顶实测位移监控的认识

我国对大坝位移监测项目重要性的认识有一个过程。早期一些混凝土坝监测比较侧重于应力应变项目,但受当时计算条件限制,最终得到的监测成果精度不高。1989年发布的《混凝土坝安全监测技术规范(试行)》(SDJ 336—89)及其后2003年发布的修订版(DL/T 5178—2003)均将位移监测项目列为所有监测项目的首位,且以坝顶位移更为重要。

水平位移通常采用视准线、引张线、垂线以及真空激光准直系统等设施实施监测,它们和内埋式仪器不同,可维护或更换,能够长期连续工作,监测成果直观可靠,能宏观反映大坝的整体性态,起到对安全隐患的警示作用。

然而,位移监测的缺点是局限于表象,本身却无法揭示内在原因,且相比较于本质原因而言,位移的反应常有所滞后。而应力、应变及温度等内部监测项目却能在第一时间捕捉到坝体内微观状态的变化,有助于解释异常原因以及判断这些异常是否危险。

位移监测中的另一问题是和现行坝工设计控制指标难以协同使用。至今我国设计一座大坝时仍以应力和稳定作为主要控制指标,而一般不采用允许变形值。即使提出了允许变形,也只是考虑了水压荷载,如重力坝,并不考虑温度荷载产生的变形。然而事实上,温度变形在坝顶位移中时常占据主导。因此如何判断实测位移正常与否,就不能仅以水压荷载下计算的位移为标准,而需首先对在不同边界条件和作用荷载下实测位移的规律性进行综合研究,在此基础上再制定位移监控指标。所以系统全面地对坝顶位移规律性的研究无疑是有益的[1-4]。(以下如无特别注明,位移均仅指坝顶上下游向水平位移。)

(二)对坝顶实测位移是否正常的判断

“坝顶水平位移主要受温度变化的影响,测值呈年周期性变化,高温季节向上游位移,低温季节向下游位移”“位移过程线呈正弦曲线”,目前在很多资料分析报告中,时常可以看到类似这样的词句,似乎这已经成为判断坝顶水平位移是否正常的公认的标准。

这种判断在绝大多数情况下是符合实际的,但不能绝对化。据作者所知,确有一些大坝的坝顶在高温季节向下游位移,低温季节则相反。这些貌似“异常”的现象绝大多数都是真实的,不可轻易加以否定。应在复核数据真实性的基础上,根据荷载和上下游边界条件等因素对位移的变化规律和原因进行综合研究后再作判断。

(三)影响坝顶位移变化规律的因素

1.上游库水压

库水通常对坝顶位移产生两种互为相反的作用:作用在上游坝面的水平向压力使坝顶向下游位移,这经常是主要的;作用在库底的垂直向压力使库底沉陷,坝基向上游转动而导致坝顶向上游位移。在蓄水初期低水位情况下后者作用常很明显。

大量从实测位移中分解出的库水压作用部分常远小于计算结果。以西南某一重力坝为例:该坝最大坝高63m,设计计算后给出的位移监控指标溢流段为16.0mm,厂房段为25.1mm,而该坝在水压、温度各种荷载综合影响下的溢流段最大位移只有11.2mm,厂房段只有7.7mm。这可能有如下几点原因:

(1)无论是实测值还是计算值都有一个相对于之的基准状态,这个基准状态的位移值为0。然而实测值和计算值两者的基准状态经常不同,出现差异也就不足为怪了。实测值的基准状态常常是在运行期某一库水位下,计算值的基准状态则是无库水情况。如果实测值以蓄水开始前夕作为基准,则两者才具有可比性。

(2)计算弹性模量(以下简称弹模)取用值与实际弹模不完全相符。前者采用的常是取样试验结果,而实际弹模取决于大坝和基础整体的刚度,计算取用值常偏小而导致结果偏大。

2.下游水压

下游水压的侧向影响和库水压相反,使坝顶向上游变形,虽然它产生位移的绝对值可能很小,但这一影响部分抵消了上游水压的效应。

实际工作中,还有下游水压的竖向作用使坝顶向下游移动的实例。如河床式电站上游水位基本不变而下游水位变幅很大的条件下,夏季泄洪时溢流段成为“潜堰”,水重作用在溢流面和护坦上使坝体和基础下沉。由于坝踵处经过帷幕固结灌浆等处理,上下游基础的刚度可能有一定差别,可能产生不均匀沉陷,基础向下游倾斜,从而导致坝顶向下游移动。广西大化电站就是这种特例。

3.温度边界条件

对典型的重力坝来说,影响因素最大的是大坝上下游面的温差,基础面的温度影响不大。如果简单比喻,大坝上下游面好像二根斜交的支柱,下游支柱如果膨胀伸长量大于上游支柱,坝顶就向上游位移,反之向下游位移。混凝土的温度线膨胀系数相当大,为1×10-5/℃左右,和碳素钢相近,所以混凝土坝位移对温度变化的反应相当灵敏。

坝面外部的介质不外乎大气、水和岩土三种,构成不同的温度边界组合。这三种边界对坝顶位移的影响程度是不同的,取决于其变化幅度。根据不完全统计,大致如下:

(1)气温变幅。相对于水和岩土而言,气温的年变幅通常最大。我国北方气温变幅较大,如吉林云峰电站约为36.4℃;华中、华东及中南地区一般在20～30℃;气温变幅最小的地区是云南,如漫湾电站仅约10℃。

(2)库水温变幅。由于库容系数和枢纽布置方式的差异,各处深水温度的变幅差异较大,不过都明显小于气温,且相对于气温变化有所滞后。据初步统计,水下10～50m深度范围内的水温变化对坝顶位移影响较大。例如,湖北丹江口水库月平均气温的多年平均年变幅约为31.4℃,水库在上述深度范围内的水温平均年变幅在18.5～14.6℃之间;贵州乌江渡水库月平均气温的多年平均年变幅约为21.4℃,10～50m深度范围内水温平均年变幅在17.6～10.4℃之间。由此可见水库10～50m深度范围内的水温变幅大致在气温的1/2～2/3之间。

(3)地温变幅。深层地温均稳定在当地多年平均气温水平,仅表层有一定变幅。对大坝而言,最应受到关注的是上游淤积泥沙和坝肩岸坡的温度。例如,乌江渡水库坝踵处665.00m高程以下至635.00m高程的淤积层的温度多年平均年变幅在0.96～1.63℃之间。丹江口大坝右岸坝肩在渗流活动很弱的岸坡,深度20m范围内,温度变幅小于1℃;在渗流活动较强的岸坡,深度20m范围内,温度变幅在1～4℃之间。由此可见,地温变幅和上述大气、水温均不在同一数量级上,与气温及水温相比作定性分析时几乎可将地温视为定值。

(四)坝顶水平位移变化规律的多样性

1.不同温度边界条件组合下的温度位移规律性

从温度变幅的大小来定性判定不同温度边界组合下的位移方向,一般来说,温度变幅较大的一侧起支配作用,高温季节时,坝顶趋向变幅较弱的一侧,反之亦然。图1-1-1中(a)～(e)为各种组合的示意。

(1)大坝上游面为库水、下游面为大气的组合下,高温季节时坝顶趋向上游。当水压位移较小时,这种规律性非常明显,是绝大多数大坝所出现的现象,如图1-1-1(a)所示。

(2)大坝上游面为库水、下游面为填土或岩石的组合下,高温季节时坝顶趋向下游。这种现象可能出现在坝头岸坡坝段,有时下游面的部分或全部为填土覆盖,如图1-1-1(c)所示。也可能出现在引水道通过基岩的电站进水口,进水口建筑物的大部分下游面常紧贴基岩,如图1-1-1(f)所示。

(3)外侧为大气、内侧为岩土的组合下,高温季节时顶部趋向内侧,如挡土墙类型的建筑物,如图1-1-1(d)所示。

(4)大坝上游面原为库水下游面为大气,此后由于泥沙淤积使上游面温度变化更小,两侧温差加大,使原有的高温季节时坝顶趋向上游的位移量进一步增大。在个别低坝河流含沙量很大的坝段发现过这种实例,如图1-1-1(b)所示。

(5)河床式枢纽建筑物中的导墙,起分隔溢流段、厂房段、引水段或船闸的作用,墙体在横向常成矩形,厚度小而顺河流方向延伸很长。这种建筑物的变形规律和坝体不同,主要取决于本身平均温度的变幅和位移测点的位置,一般在高温季节时墙顶向上下游两侧延伸,测点越靠两端位移变幅越大,如图1-1-1(e)所示。

(6)纵向温差:大坝沿纵向温度的差别有时也会造成异常变形。例如某些重力坝部分坝段横缝灌浆后,或者拱坝二坝肩温度边界存在差异时,在特殊情况下这种异常变形可能对大坝安全造成危害,如丹江口右岸连接段的反向变形,详见后述。

2.温度位移和水压位移叠加后的位移规律性

(1)对绝大多数河床径流式电站来说,由于库水位变动极小,气温形成的位移占主导地位,高温季节时坝顶趋向上游,低温季节时趋向下游。

(2)个别河床径流式电站,若夏季泄洪量大时可能下游水位变化很大,则下游水压形成的位移有可能超过温度位移,使坝顶在高温季节时趋向下游,低温季节时趋向上游。

(3)对于中、高重力坝,一般的运行方式是夏季水位逐渐抬高而冬季水位逐渐降低。因此温度位移和水压位移的增量一般总成反向,叠加结果视何者影响更大而定。绝大多数情况下,都是前者较大,所以通常都是坝顶在高温季节时坝顶趋向上游,低温季节时趋向下游。但也有例外,水压位移大于温度位移,年周期性规律与通常相反。初步调查,以下几种因素,可能单独或同时存在:①库水位年变幅很大,有的达到30～40m;②坝体整体性刚度较低,如空腹坝,有的与施工质量差有关系,使坝体弹模偏低;③温度位移偏小,有的因当地气温变幅较小,有的是混凝土的温度膨胀系数较小,这些工程在施工期的温度应力往往就不大。

(4)对拱坝的温度位移,往往是拱圈的平均温度起主要作用。拱坝的温度位移也时常大于水压位移,即使在蓄水初期,水压增量最大的时候也如此。

二、温度位移的有限元计算分析

为了定量了解温度对坝顶位移的影响,采用有限元法对坝顶位移进行了计算。

(一)计算模型

(1)断面尺寸。选用混凝土重力坝典型横断面,坝高50m,下游面坡度1∶0.75。基础向下取2倍坝高,向上游取1.5倍坝高,向下游取2倍坝高。

(2)网格划分。采用平面4结点等参单元,划分单元244个,节点291个。

(3)材料参数。假设混凝土弹性模量25000MPa,泊松比0.167;基岩弹性模量8000MPa,泊松比0.25。混凝土温度膨胀线系数10×10-6/℃,导热系数2.85W/(m·℃)。

(二)计算工况

计算工况的编号与图1-1-1对应,分别为:(a)上游为库水,下游为大气;(b)上游有淤积;(c)上游为库水,下游有填土(岩石);(d)上游为填土,下游为大气;(e)导墙。

(三)计算成果

将各工况下的计算成果汇总于表1-1-1。

1.上游为库水、下游为大气的情况(工况a)

温度边界条件采用华东地区某支墩坝温度实测值:多年平均气温17.1℃,8月平均气温27.8℃,较平均气温高10.7℃;2月平均气温7℃,较平均气温低10.1℃;基岩温度取气温多年平均值17.1℃;库水温按坝前水温实测数据取值,见表1-1-2。

有限元计算大坝温度位移等值线见图1-1-2。

2.大坝上游淤积的情况(工况b)

温度边界条件:假定大坝上游坝基以上35m为淤积体,温度17.1℃,其余温度边界与工况a相同。有限元计算大坝温度位移等值线见图1-1-3。

3.上游为库水,下游为填土(岩石)的情况(工况c)

温度边界条件:假定下游填土高度45m,温度17.1℃,其余温度边界与工况a相同。有限元计算大坝温度位移等值线见图1-1-4。

4.上游为填土,下游为大气的情况(工况d)

温度边界条件:假定上游填土高度45m,温度17.1℃,其余温度边界与工况a相同。有限元计算大坝温度位移等值线见图1-1-5。

5.导墙(工况e)

导墙尺寸:长60m,高20m。材料参数同前,水深16m。温度边界条件:多年平均气温17.1℃,夏季(8月)平均气温27.8℃,较平均气温温升10.7℃,冬季(2月)平均气温7℃,较平均气温温降10.1℃。基岩温度取气温多年平均值17.1℃。库水温按坝前水温实测数据插值选取。有限元计算导墙温度位移等值线见图1-1-6。

三、温度位移占优势的实例

在影响混凝土坝位移的众多因素中,温度的影响通常是最主要的,表现为多数混凝土坝的温度位移占据优势地位。这里根据温度的影响量及影响方式的不同,主要介绍富春江大坝、柘溪电站溢流坝段和里石门拱坝三个实例。

(一)富春江大坝

1.工程概况和位移观测布置

(1)工程概况。富春江电站位于浙江省桐庐县七里泷峡谷出口处,坝址以上河长310km,流域面积31645km2。电站为低水头河床式电站,于1958年动工兴建,1968年12月13日正式蓄水,同年12月25日首台机组发电。电站共安装6台机组,装机容量297.2MW,多年平均发电量9.23亿kW·h。枢纽主要建筑物包括混凝土重力式溢流坝、河床式厂房、船闸及鱼道等。坝顶高程为32.20m,坝顶全长约560m。其中溢流坝段长287.3m,分为16个坝段,最大坝高为47.7m。装有17孔14×13m2的弧形闸门,除1号、2号、3号坝段外,每个坝段包含一个闸墩,布置在坝段中央。发电厂房段设在左河床,为挡水建筑物的一部分,总长为189.2m,最大坝高为57.4m,船闸设在右岸。

富春江水库为日调节水库,在正常高水位为23.0m时库容为4.4亿m3,死水位为21.5m,相应库容3.64亿m3。在水位为23.0m时,水库库面面积为56.0km2。工程等级为二等,主要建筑物级别为2级,设计、校核洪水标准分别为百年一遇和千年一遇加安全保证。

(2)位移观测布置。

1)坝顶视准线。1970年8月11日,溢流坝顶视准线开始观测。由于视准线长达660余m,受大气折射影响较大,精度不够理想。据1970年8月11日至1998年11月9日视准线的统计分析成果,17个溢流坝段测点的平均复相关系数R=0.6017,剩余标准差S=1.752mm。7个厂房坝段测点的平均复相关系数R=0.5384,剩余标准差S=2.347mm。2002年3月后视准线停测。

2)坝顶引张线。为了提高大坝水平位移的测量精度,也为了澄清对大坝左坝头基点是否有位移的疑虑,1983年在左右岸上坝公路边分别安装了倒垂线,作为引张线两端的基点。引张线布置在坝下0+008.6m,高程31.50m的坝顶空腹梁内,全长556m,共设置27个测点(包括倒垂),从1983年开始观测,平均每月观测一次。人工引张线的统计模型精度明显高于视准线,平均复相关系数R=0.8697,平均剩余标准差S=0.797mm。

从1992年开始,原有人工引张线观测系统经改造进入自动化监测阶段,采用的仪器是RY型单向引张线仪和RZ型双向垂线坐标仪。由于空腹梁密封不严,系统屡遭小动物破坏,且于1996年遭雷击,停测了一段时间。

1998年8月经过全面清理和封堵后,系统运行正常。自动化引张线的统计模型精度基本与人工测值相当,溢流坝段复相关系数R平均为0.895,厂房坝段平均为0.9211,剩余标准差S平均为0.821mm。

2001年10月又一次对引张线系统进行升级改造,在4号坝段增设一倒垂线将引张线分为两段,遥控转换箱改为智能型数据采集装置,新系统连续运行多年,情况正常。富春江坝顶引张线布置见图1-1-7。

2.环境量观测

(1)上游水位。富春江水电站于1968年12月13日正式蓄水,电站初期运行水位控制在14.00m高程,1973年后基本控制在正常高水位23.00m高程附近。1973—2005年期间多年平均变幅为1.77m。本书引用的上游水位资料从1969年1月1日开始至2005年6月14日为止,均为日平均值。

(2)下游水位。下游水位指发电尾水位,主要取决于发电机组运行和泄洪情况。由于富春江电站的运行方式为调峰、调频及满足综合部门用水要求,故其下游水位日变幅很大,在3m左右,本书所引用的为日瞬时水位,代表性可能不足。下游水位具有较明显的年周期规律,3—7月下游水位较高。1969—2005年间下游多年平均水位为7.21m,多年平均年变幅为7.35m。

(3)气温。气温计资料从1970—2005年,其多年月平均值见表1-1-3,7月温度最高,1月温度最低,平均年变幅为24.3℃,多年平均气温约16.5℃。

(4)库水温。水温计布置在船闸上游面的导墙处,监测点由水面、水深1m、3m、5m、7m、10m、13m、15m、18m和库底10个测点组成。根据监测资料,从1971年至1998年,每月观测一次。实测水温年变幅统计见表1-1-4。

3.坝顶水平位移变化规律

测值符号规定为:Y向为上下游方向,以向下游为正,向上游为负;X向为左右岸方向,以向左岸为正,向右岸为负。

(1)位移历时变化规律。坝顶水平位移过程线见图1-1-8。从过程线可以看出:除两侧靠近端点的坝段外,坝顶水平位移最大变幅在6.37～9.19mm之间,历年变幅稳定。对坝高47.7m的重力坝而言,属于正常范畴。大坝位移主要受温度变化的影响,呈现明显年周期性变化。位移的变化稍滞后于气温,一般6—9月高温时,位移出现向上游向的较小值;而12月至次年3月低温时则出现向下游向的较大值。

(2)统计模型分析成果。为定量分解坝顶水平位移,采用通常的回归统计模型。大坝水平位移主要受水压、温度和时效等因素的影响。因此,坝体位移δ的统计模型主要由水压分量δH、温度分量δT和时效分量δθ组成,即:

1)水压分量δH。富春江大坝主要是由溢流坝段、厂房坝段、船闸组成的混凝土重力坝建筑物。由坝工理论可知,坝体任一点在水压作用下产生的位移水压分量δH与大坝上下游水深的1～3次方有关。因此,水压分量的表达式为:

式中:Hu、Hu0为观测日、建模资料系列第一个测值日所对应的上游水头,即上游水位测值与坝底高程之差;Hd、Hd0为观测日、建模资料系列第一个测值日所对应的下游水头,即下游水位测值与坝底高程之差;a1i、a2i为上、下游水压因子回归系数。

2)温度分量δT。富春江大坝只有在个别坝段埋设了温度计,且早已损坏,此外富春江大坝坝体温度场已基本达到准稳定温度场,因此,温度分量可采用当天气温、观测前10d、观测前20d、观测前30d、观测前60d内的平均气温作为因子:

式中:～分别为测值当天、观测前10d、观测前20d、观测前30d、观测前60d内的平均气温;～分别为建模资料系列第一个测值日、观测前10d、观测前20d、观测前30d、观测前60d内的平均气温;bi为温度因子回归系数。

3)时效分量δθ。大坝产生时效变形的原因极为复杂,它综合反映坝体混凝土与基岩的徐变、蠕变以及岩体地质构造的压缩变形等。采用式(1.1.4)来表示位移变化的时效分量,即:

式中:θ为位移观测日至始测日的累计天数t除以100;θ0为建模资料系列第一个测值日到始测日的累计天数t0除以100;c1,c2为时效因子回归系数。

综上所述,对2001年10月25日至2005年6月30日引张线监测资料进行分析,根据富春江大坝的运行特性并考虑初始测值的影响,得到富春江大坝水平位移观测资料的统计模型为:

式中:a0为常数项;其余各符号意义同式(1.1.2)～式(1.1.4)。

后文各部分的统计分析所采用的因子均与此处大同小异,将不再赘述。

富春江26个测点位移的统计模型的复相关系数R平均值为0.965,标准差S的平均值为0.381mm,约为测值变幅的1/20,效果相当好。分解出的水压分量平均值为1.14mm,温度分量平均值为5.73mm,温度分量约为水压分量的5倍,可见富春江坝顶位移中温度影响占了绝对统治地位。

(3)局部小气候变化对位移的影响。自动化监测测次密集,初期一日2～4次,以后也不少于1次,基本保证了测值的连续性。观测发现,坝顶对气候变化非常敏感,不仅像月变化这样的大气候也包括旬变化甚至昼夜变化这样的小气候。过去位移过程线给人们留下所谓的正弦平滑曲线的印象主要是测次少和精度不高造成的,见图1-1-9。

倒垂IP1和IP2的测值反映坝肩岸坡位移,见图1-1-10,岸坡位移在左右岸方向(X向)均呈明显周期性变化,二者变化规律相同,其温度边界条件都属于坝温和地温的组合,坝温变幅大于地温,所以高温季节都向岸坡方向位移,低温季节都向河床方向位移。IP1X和IP2X测值对局部小气候变化的反映十分灵敏,从过程线上可以发现每年夏季台风季节(7月、8月)两条垂线均同时发生一个局部性突变,两者方向相反(图1-1-10中椭圆形区域)。

研究分析发现,它不是“粗差”,而是真实情况的反映。表1-1-5汇总了2002—2004年这三年8月发生突变时当地的气温、雨量及垂线测值。例如,2002年8月5—11日,因台风气温自32.75℃降至21.68℃,IP1X从2.16mm变至1.39mm,向河床位移了0.77mm;IP2X从-1.11mm变至-0.34mm,向河床位移了0.77mm,期间雨量达77mm。上述事实表明,两条垂线已经达到了很高的观测精度,人工观测条件下不可能获得这样高的精度[5]。

引张线测值同期亦有相同的变化,参阅图1-1-9中椭圆形区域,从测值中尚可发现,大坝变形还受到昼夜温度变化的影响,日变幅在0.1～0.2mm之间。

(二)柘溪电站溢流坝段

1.坝顶位移观测布置

柘溪大坝工程概况详见第二章第一节“柘溪单支墩大头坝裂缝成因分析”。

溢流坝段坝顶采用视准线法观测,全长473.3m,测点布设在坝顶下游栏杆外专用的牛腿上,距坝轴线15.40m,由4号进水口至左重3号重力坝段,每坝段设一个测点,共17个测点。1968年5月始测,每月观测一次。

2.环境量监测概况

(1)上游水位。柘溪水库库水位在1968—2009年间的最高年变幅为29.93m,最低年变幅为13.04m,多年平均年变幅为22.58m,在国内属于变幅较大的水库。

(2)下游水位。柘溪大坝下游水位在1968—2009年间的最高年变幅为9.54m,最低年变幅为2.7m,多年平均年变幅为5.70m。

(3)气温。从表1-1-6柘溪水库多年月平均气温统计资料看,1968—2009年期间,最低月平均气温出现在1月,多年月平均值为5.4℃;最高月平均温度出现在7月,多年月平均值为27.9℃,全年多年平均气温17.1℃。

3.坝顶水平位移变化规律

溢流坝段坝顶水平位移呈明显的年周期变化,受气温影响明显,高温季节坝顶趋向上游,低温季节趋向下游,位移滞后气温变化1个月左右。由于视准线精度较低,一般均以多年平均年变幅表示,各坝段的平均年变幅为7.9～9.41mm,平均值为8.71mm。溢流坝段坝顶位移过程线见图1-1-11。

坝顶水平位移统计模型的精度稍低(1986—2009年),复相关系数R平均值为0.81,标准差S的平均值为1.61mm,约为测值变幅的8%。分解出的水压分量平均值为5.58mm,温度分量平均值为9.00mm,温度分量约为水压分量的1.6倍,柘溪坝顶位移中温度影响占了相对强势地位[6]。

(三)里石门拱坝

1.工程概况与观测布置

里石门水库位于浙江省天台县,库容近2亿m3,以防洪灌概为主,结合发电。主要建筑物有混凝土双曲拱坝、引水洞及厂房等,混凝土双曲拱坝最大坝高为74.3m,底宽15.5m,顶宽4m,厚高比0.209。坝顶弧长265.5m,圆弧半径33～110m,中心角70°～134°。大坝正常高水位为176.0m,校核洪水位为186.3m,坝顶高程为187.44m,平面布置见图1-1-12。主要观测设施有3根垂线,分别设置于拱冠梁(12号坝段)及坝顶1/4弧长处(6号、18号坝段)共11个测站,使用光学坐标仪。在1978年3月底蓄水时就开始进行了观测,取得了蓄水后反映大坝工作性态变化的完整资料,而且变形都是绝对值,在当时是全国第一例。

天台县气候温和,多年平均气温16℃。该工程于1974年2月开始浇筑,1977年及1978年春分期进行横缝灌浆,1978年3月竣工蓄水。水库水位除在开始蓄水当年较低外,一直比较高,特别是在1981年冬至1982年春有6个月之久始终在正常高水位以上,大坝运行情况良好。该工程设计曾在1981年全国优秀工程设计评比中被评为“七十年代优秀设计项目”,并于1982年获国家优质工程银质奖。

2.大坝位移观测的特点

里石门大坝位移观测有几个特点是当时国内拱坝中很少全部具备的。

(1)倒垂线的锚固点深。中央12号坝段的倒垂孔深30.75m,为坝高的41%,6号及12号坝段孔深亦为25.0m及31.8m,为坝高的60%以上,因此测值已能包括基础变形在内。

(2)始测时间早。大坝176.00m高程以下封拱灌浆时间是1978年3月29日,全部完成封拱灌浆时间是1978年4月9日,1978年3月31日开始蓄水,3条垂线同时开始观测,因此测值已能把水压作用下的时效位移包括在内。

(3)观测期间大坝经历了两次最不利的荷载组合。第一次最不利荷载组合为高温加低水位,发生在蓄水当年,库水位由131.60m高程升至158.00m高程以下,而当年正是封拱后坝温继续升高时期。第二次最不利组合为低温加高水位,发生在1981年冬至1982年春,库水位有6个月维持在正常高水位176.00m高程以上,最高达177.60m高程,因此测值具有充分代表性。

3.坝体径向位移变化规律

里石门大坝3个坝段的位移变化规律基本相似,以12号坝段拱冠梁为例,其位移、库水位及温度过程线见图1-1-13。径向位移以向上游为正,切向位移以向左岸为正。由图1-1-13可见,开始蓄水后虽然库水位不断上升,但大坝仍然不断前倾,最大值达24.2mm,到1978年9月末气温明显下降后才转向下游,此后基本保持年周期性变化。只有在1981年底持续高水位情况下坝体才急剧向下游倾斜,最大达-20.95mm。

由此可见,温度显然是影响位移的最主要因素。坝体中上部拱圈封拱时坝体平均温度为8.7～13.8℃,上层拱圈又很薄,拱坝在封拱后除了上下游面的温差外更主要的是拱圈温升膨胀伸长所形成的径向变形,其量值在坝顶远远超过了水压位移。

4.位移分解成果

采用统计模型对坝体位移进行了回归计算,其中温度因子采用了坝温,即坝段在三个不同高程水平断面上的平均温度及温度梯度共6个温度因子,以充分反映拱圈温度的影响。采用多元线性逐步回归法,效果较好。以12号坝段顶部为例,复相关系数R=0.994,剩余标准差S=1.143mm,占测值变幅45.1mm的2.53%。由此分解出的6号、12号及18号坝段顶部径向的水压位移分量分别为7.9mm、18.0mm及6.4mm,温度位移分量分别为20.1mm、35.1mm及22.0mm,温度位移大致为水压位移的2倍左右。

由于初次蓄水期水化热未充分发散,温度影响可能偏大,因此另取了一个时段进行计算,即1981年11月18日至1982年8月29日,期间库水位在(176±1)m,位移资料共24个。该段资料的特点是:库水位高,平均176.37m;蓄水后第4年,时效已趋平稳;坝身温度基本已经历了一个年周期。由此分解出6号、12号及18号坝段顶部径向温度位移分量分别为18.4mm、27.0mm及20.0mm,它们略小于前者,更能代表运行期的性态,但温度影响大于水压的基本状态没有改变,拱圈平均温度的突出作用是重力坝中没有的。

然而,温度对位移的显著影响不是绝对的,在坝体中下部就逐渐减弱。运行期资料分解成果表明,12号坝段的161.00m高程及149.00m高程,温度位移就减小至14.7mm及16.5mm,占总位移的30%左右,一直到基础,这种比例没有改变。

5.温度场对拱坝性态的影响

(1)坝体前倾和下游坝面的裂缝。1978年11月蓄水不久,在大坝下游面132.00～160.00m高程间发现有几条断续的发丝状裂缝,皆沿水平施工缝开裂。在148m高程处一条裂缝,自8号坝段延伸至16号坝段,宽0.1mm左右,它们自库水位抬高后无继续发展迹象。

关于裂缝成因,设计单位已有专文分析,认为因当时对长期空库时温升荷载组合未能给予更多的重视,且沿用原美国垦务局公式得出平均温度变幅偏小,薄拱坝更是如此。由于封拱温度低(1978年封拱时,中上部坝体温度在8～10℃之间,多年平均气温约16℃),温升很高,在夏季低水位时拱圈就急剧向上游变形,特别是上层拱圈升幅尤大,因而在下游面产生了相当大的梁向拉应力,这些都是符合拱坝受力变形规律的。

作者认为,裂缝的成因可能还和局部温度应力有关。实际上,拱坝向上游位移和平均温升最大值都发生在9月,但此时下游面未见开裂,这是因为在9月前下游面因温升也产生了相当大的压应力(温升包括正的等效线性温差和非线性温差)。拉、压应力叠加结果,虽为拉应力,但不一定是最大值。直到11月初,下游面开始温降后,无论等效线性温差和非线性温差都是负值,形成了相当大的局部拉应力,它和因向上游变位而产生的梁向拉应力叠加结果,可能超过了混凝土抗拉极限,导致产生了水平裂缝[7-9]。

遗憾的是在初步设计采用拱冠梁法计算时,估计梁向最大应力都在坝基附近,绝大部分应变计组都布设在该处,自120.00～160.00m高程拱冠处没有布置垂直向仪器,因此未能取得更多的应力观测成果作为验证。

(2)里石门大坝的侧移。

1)坝顶切向的时效分量显著。一般说来,切向位移值都很小。但若出现异常,也可能预示着危险,不能忽视。由测值可知,里石门坝体的切向位移也有着明显的规律性。蓄水后,拱冠梁倾向右岸,有明显的不可逆变形,坝顶自1978年3月末蓄水后到1978年11月仅7个月即向右岸移动达-5mm,至次年4月才降至-2.4mm,此后呈年周期性变化。

坝顶左右1/4拱圈位置的6号及18号坝段的切向位移相互对称变化,见图1-1-14。当温度升高时,两个坝段同时向两岸运动,温降时向河床运动,图中161.14m高程及141.54m高程切向位移的变化范围只有±1mm左右,其对称性也很明显,这说明切向位移也反映了拱圈的弹性变形。但由于三个坝段顶部的切向位移方向存在夹角,并不都是左右岸向,因此难以判断它们有无向右岸移动的趋势。

若以拱冠切线方向为基准线,拱冠处为原点,利用几何关系推算出各处位移沿基准线上的分量,则可清楚地看出整个坝体确实向右岸移动,绝大多数位移均为负值,详见表1-1-7。其特点是:①靠近右岸的18号坝段侧向位移最大约-9mm,12号坝段次之,约-5mm,6号坝段侧向位移向左岸约6.5mm,6号坝段所以向左主要是径向位移倾向上游的结果,坝顶拱圈膨胀在向上游变形的同时仍倾向右岸;②每年11月前后侧向位移最大,4月、5月时趋势最弱,呈年周期性变化,坝顶的时效位移2～3mm;③中下部高程侧向位移值较小,约1mm,但均为负值,即两拱座也存在着指向右岸的时效。

2)对侧移后果的评估。由于里石门拱坝侧向变位已经稳定,尚未见有严重影响大坝安全的迹象。但从上层拱圈的应力状态看确有所影响。175.00m高程拱圈两拱端的应力分布受侧向推力影响明显,正常状态下两拱端的弯矩符号应该相同,互相对称。但从实测应力计算结果,左拱端上游面压应力较右拱端高出0.98～1.96MPa,左右拱端的弯矩符号始终相反,左拱端的弯矩大致在1489.6～5733kN·m之间,右拱端的弯矩在166.6～-3096.8kN·m之间,中下部拱圈应力分布未出现这种情况。

3)大坝侧移原因分析。从河谷形状的对称性及地质条件分析,里石门坝址在170.00m高程以下河谷基本对称,坝顶处拱圈右半拱中心角还略大于左半拱,同时主要断层F32位于左岸,如果由此产生较大不可逆变形,应该指向左岸。

从水荷载分布分析,一般而言,水压力作用在对称拱圈上应是对称均布,拱冠梁应无侧向位移。但从实测资料看当库水位很高时,大坝侧移值有时反而较小,可见侧向位移与水压力关系不大。

再从温度分析,拱圈温度分布是不对称的,位置越高差别越大,坝顶左半拱平均温度变幅比右半拱高出约50%,可见大坝整体侧移和纵向温差不无关系。但是每年坝顶拱圈纵向温差最大值发生在8月前后,最小值在2月或稍后,它比侧移极值发生时间早得多。

拱坝和重力坝不同,重力坝横缝为伸缩缝,拱坝横缝灌浆,是超静定结构,因此对两岸温度变化反应灵敏。从基岩温度分析,发现水库蓄水后两岸也存在类似拱圈内温差,但变化过程比拱圈滞后得多,其过程线和切向位移过程线相比则基本一致。图1-1-15示出了大坝基岩应变计等测点,这些测点亦兼测温度,中上层测点埋深1.0m,下层测点分别埋深3.7m和9.0m。图1-1-16表示的是左右基岩四组相应测点的温差过程线,分别为S105与S104温差、S101与S99温差、S90与S87温差、S100与S98温差,数值为前者减后者。拱端两支应变计S90、S87的差值由蓄水时的-3.6℃升至5.7℃,两支基岩应变计S105、S104的差值由蓄水时的-4.2℃升至4.1℃,升幅近8℃。这主要是由于大坝两岸日照条件不同,蓄水后左岸基岩温升大于右岸。以两岸温差系列与对应高程的拱冠切向位移系列作简单线性相关分析,均为高度显著的相关关系,一直至9.0m深处才不明显。对拱冠顶切向位移作多元回归分析,按常规因子计算,最优回归方程的复相关系数R为0.814,S值为0.626mm。若加上基岩温差因子进行逐步回归计算,该因子总能入选。最优方程的R=0.918,S=0.428mm。可见由于温差增大使坝体向河床方向移动,左拱座产生水平变位,将大坝推向右岸而产生侧移。

四、水压位移占优势的实例

也有一些大坝或一座大坝的部分坝段受水压力的影响更明显。以下介绍柘溪电站进水口坝段、乌江渡大坝以及云峰大坝三个工程实例,虽都为水压位移占据优势,但原因各不相同。

(一)柘溪电站进水口坝段

查阅柘溪大坝不同坝段的位移过程线可以发现,进水口坝段坝顶水平位移的规律性和溢流坝段有明显差异。4～6号进水口坝段坝顶水平位移的多年平均年变幅在6.05～6.16mm之间,受温度影响较小,而受库水压影响比较大,历年向下游的极值大多发生在入夏后库水位最高时,入冬库水位下降时坝顶则向上游位移。特别在1973年(平均库水位达165.64m)及1989—1991年(平均库水位分别达160.42m、163.87m及163.31m),这几个历史高水位年,坝顶几乎始终停留在下游端。相反在1971年(平均库水位仅151.23m),坝顶几乎始终停留在上游端,这种类型的年份内几乎看不到气温的影响,见图1-1-17。

根据1968—2002年资料的统计分析成果[6],4～6号进水口坝段的水压分量在5.96～8.50mm之间,平均值为7.29mm,温度分量在2.26～3.87mm之间,平均值为2.49mm,水压分量约为温度分量的3倍。同期其他坝段的温度位移平均值为8.04mm,可见进水口坝段的温度位移比溢流坝段小得多,相比之下,水压影响就成为控制性因素[10]。

进水口坝段的温度位移较小是由其温度边界条件决定的,和溢流坝不同,其下游面下部与基岩接触,温度变幅很小。

(二)乌江渡大坝

1.工程概况和位移观测布置

(1)工程概况。乌江渡水电站位于贵州省乌江中游,控制流域面积27790km2,是我国在岩溶地区兴建的第一座大型水电站。大坝为混凝土拱形重力坝,按一等1级建筑物设计,最大坝高165m,坝顶长395.6m,坝顶高程为765m,设计正常蓄水位760m,死水位720m。水库总库容为23.0亿m3,有效库容为13.5亿m3,为季调节水库。电站装机容量为630MW,设计发电量33.4亿kW·h。大坝708m高程以下横缝灌浆,为整体式拱形重力坝,以上设伸缩缝,为重力坝型。泄水建筑物和主、副厂房为多层重叠式布置,最大重叠高度98m,采用泄洪隧洞和河床坝体溢流结合的枢纽布置,主厂房紧靠河床坝后,顶部不溢流。工程于1970年开工,1979年11月开始蓄水,同年年底第一台机组发电。1982年8月首次达到正常蓄水位760.00m。2001—2003年利用左岸山体内的2条引水隧洞,建造地下发电厂房,安装2台单机容量为250MW的混流式水轮发电机组。

电站的枢纽总平面图(未包含扩机部分)见图1-1-18,典型的溢流坝段及厂房坝段的剖面图见图1-1-19。

(2)坝顶位移观测布置。

1)坝顶视准线。乌江渡大坝在坝顶765m高程处设置视准线,监测4～13号坝段的坝顶水平位移。视准线全长433.2m,通过9号坝段中心桩号为坝下0+009.8m处,并与大坝中心线正交,共设10个测点,其工作端点位于两岸基岩上。

视准线采用T3经纬仪和活动觇标监测,由于标点低于坝面0.5m,与规范高于坝面1.2m的要求不符,影响了观测精度。

2)垂线。4号、8号、13号坝段共设置5条正垂和4条倒垂,为避免垂线过长,4号、8号坝段分别设置了两条正垂线。8号坝段在5个不同高程布置了5个测点,4号坝段设有4个测点,在13号坝段设有2个测点。垂线观测系统于1988年12月投入正常观测,采用光学垂线坐标仪观测。

2.环境量监测概况

(1)上游水位。1982年8月以后上游水位呈年周期性变化,每年在7—10月库水位较高,一般在正常蓄水位760m左右,4—5月较低。

上游水位年变幅在13.81～36.95m之间,平均年变幅为29.83m,1983—2005年多年平均库水位为747.3m。

(2)下游水位。除了每年在泄洪时会出现短暂的高水位以外,下游水位年变幅一般在3～4m之间,多年平均值为627.57m。

(3)气温。乌江渡水电站在贵州省遵义以北55km处,气候湿润温和,多年月平均气温在6～27.4℃之间,见表1-1-8,多年平均气温16.8℃。

(4)库水温。乌江渡水库为季调节水库,深层水温变幅较大,表1-1-9为1990—2005年坝面温度计的年变幅均值,水库多年平均水位约744m,T4温度计设在680.00m高程处,平均水深约64m,温度年变幅仍达9.3℃。大约660.00m高程以下是淤积区,温度就很稳定,年变幅在1～1.6℃之间。

3.坝顶水平位移变化规律

(1)位移变幅。乌江渡大坝坝顶水平位移的变幅很小,据1984—2005年视准线测值统计,各坝段位移的多年平均年变幅在5.14～7.08mm之间,见表1-1-10。一座165m的高坝,运行期的坝顶位移这样小确实少见。由于视准线的误差比较大,所以一般都用多年平均值表示。对比8号坝段垂线资料,1989—2005年坝顶的上下游向位移多年平均年变幅为6.48mm,与8号坝段视准多年平均年变幅6.92mm十分接近,这是两个相互独立的观测系统,起到了相互验证的作用,说明这些数据基本可信。图1-1-20为乌江渡的库水位、8号坝段视准线测值以及垂线测值过程线,由图1-1-20可见,无论视准线还是垂线,其位移变化似乎都不规律,没有常见的年周期性,实际上这和观测精度关系不大,系受库水压影响较大所致,确实反映了大坝本身的客观规律性。

(2)水压位移和温度位移。对10个坝段的位移作统计模型分析发现,模型的精度稍低。1984—2005年资料系列的分析结果,复相关系数R平均值为0.70,标准差S的平均值为1.93mm,约为测值变幅Δ的14%。分解出的水压分量平均值为5.11mm,温度分量平均值为3.30mm,水压分量约为温度分量的1.5倍,10个坝段中仅13号坝段的水位分量2.72mm,略小于温度分量3.22mm,说明乌江渡坝顶位移中水压影响占了相对强势地位[11],见表1-1-11。

同样对3个坝段的垂线测值作统计模型,模型的精度尚好,1989—2005年资料系列的分析结果,复相关系数R平均值在0.786～0.922之间,标准差S的平均值为0.569～1.206mm之间,约为测值变幅Δ的9%。4号、8号和13号坝段的水压分量分别为5.53mm、7.95mm和2.8mm,温度分量分别为4.87mm、5.63mm和3.42mm,和视准线成果一样,13号坝段的水压分量也略小于温度分量,初步分析这是因该坝段的下游水位影响较大所致。

(3)温度位移偏小的原因分析。乌江渡大坝位移变幅小的原因自然与大坝的整体性强,刚度大有关,同时也与大坝的温度变形小有关。温度变形偏小的主要原因分析如下:

1)所谓“偏小”是相对水压分量而言,乌江渡大坝整体刚度大,660.00m高程以下属拱坝,厚度达112m,其实水压分量并不很大,相对较大的原因是历年库水位变幅大,多年年变幅达29.83m,在国内属较大的水库。

2)和本地区气候温和有直接关系,乌江渡的月平均气温的年变幅仅21.4℃,在全国除云南省外属于较低的地区。

3)和大坝混凝土所用骨料为石灰岩有直接关系,石灰岩的温度线膨胀系数约在5×10-6～6×10-6/℃,在施工期大坝温度应力就较小,裂缝很少。

4)和库水位长期较低有一定关系,乌江渡的多年平均库水位为747.30m,坝顶高程为765.00m,也就是坝顶上部有将近18m高度的上下游坝面长期同受气温影响,上下游温差为零。另外上游面660.00m高程以下为淤泥,下游面654.00m高程以下紧贴厂房,边界温度都比较稳定。

5)大坝不设宽缝,内部温度变化较稳定。

温度影响偏小的另一个有力证明,就是在运行期大坝的垂直位移的温度分量也较小,乌江渡坝顶垂直位移多年变幅在2.35～4.29mm之间,小于一般中等高度的重力坝,如浙江的富春江大坝坝高47.4m,坝顶垂直位移多年变幅在达5.7～8.5mm,远大于乌江渡。水准测量的精度都是满足规范要求的,所以这些数据均可信。

(三)云峰大坝

1.工程概况和位移观测布置

(1)工程概况。云峰电站位于鸭绿江中游吉林省集安市青石镇,其地理位置为北纬41.4°,东经126.6°,由中朝两国共同投资兴建。1965年蓄水发电,1967年竣工。电站装机容量400MW,平均年发电量16.5亿kW·h。主要建筑物有:大坝、引水隧洞、高压钢管及发电厂房等。大坝长828m,最大坝高113.75m,最大底宽88.4m,顶宽7m,坝顶高程321.75m,正常高水位318.75m。全坝共55个坝段,除2～8号、48～50号及53～56号为重力坝段外,其余均设宽缝,缝宽比0.4。其中28～48号为坝顶溢流坝段,49～52号为中孔泄流坝段。坝基岩石主要为玢岩、凝灰岩及花岗斑岩,基础有大小断层103条,以48～50号坝段F12顺河床断层为最大,宽9～15m,其枢纽布置见图1-1-21。

(2)坝顶位移观测布置。坝顶位移观测第一阶段从1972年4月至1981年10月采用视准线法,用T3经纬仪、固定觇标和活动觇标进行观测,视准线全长884m,两端点设在坝肩平洞内,中间23号坝段设正倒垂线,共32个测点。第二阶段从1981年11月至1988年12月采用引张线法,在23号坝段分为二段,共58个测点,用放大镜直接读数。

(3)挠度观测布置。在23号、26号及28号坝段共设置6条正垂线,在23号坝段设置1条倒垂线,采用CG-2型垂线仪人工观测。

2.环境量概况

(1)上游水位。云峰水库有效库容26.62亿m3,多年平均年径流量76.9亿m3。库容系数0.346,实际上为年调节水库。1965年蓄水后次年即达到317.30m,接近正常高水位318.75m。此后多次超过正常高水位。1986年9月9日库水位达319.35m,超过千年一遇设计洪水位319.26m。截至1988年,多年平均库水位为296.20m,最低年平均库水位为284.19m,发生在1976年。1966—1988年期间的最大库水位变幅为40.88m,多年平均年变幅约30m,在国内属于变幅较大的水库,库水位变化过程线见图1-1-22。

(2)下游水位。因厂房通过右岸引水道发电,坝后受尾水位影响较小,平时除泄洪外,下游水位变动不大。

(3)气温。云峰电站施工前当地多年平均气温为5.9℃,坝址气温实测资料始于1962年6月1日,截至1988年年底,其多年平均气温为6.0℃,最高月平均气温22.4℃,出现在7月,最低月平均气温-14.0℃,出现在1月,年变幅达36.4℃,见表1-1-12。

(4)库水温和坝前水温。云峰库水温观测断面在距26号坝段上游面50m处,此外在26号及28号坝面各有三支温度计。为与坝面水温相比较,假定库水位维持在多年平均库水位296.2m处,将水深15m、35m及40m的温度换算成坝面温度计所在高程281.00m、266.00m及261.00m处温度,与26号及28号坝面比较,发现基本一致。由于淤积高程已超过235.00m,坝面最下部温度计测值为库底温度,平均值约4.7℃,变幅1.6～2.0℃。水下15m深处年均变幅为19.9℃,30m深处年均变幅为9.7℃。图1-1-23为水温的垂直分布(1976—1988年)。可见年变幅及年均值都接近沿水深的线性分布。

3.坝顶水平位移变化规律

(1)位移变化规律。云峰坝顶的位移明显受库水位的影响,随之呈年周期性变化,最大值发生在汛期库水位最高时,指向下游;最小值发生在汛前库水位最低时,指向上游,见图1-1-24。

观测位移的各种设施包括视准线、引张线和垂线所显示的观测成果是一致的,数值也较接近,56个测点没有例外。

(2)位移变幅。33个测点的视准线测值(1974年4月至1981年10月)的平均年变幅在5.8～24.4mm之间,平均值为16.9mm。56个测点的引张线测值(1981年11月至1988年12月)的平均年变幅在0.2～20.3mm之间,平均值为13.7mm。23号及26号坝段的垂线测值分别为12.73mm及14.93mm。

(3)水压分量及温度分量。对视准线、引张线测值进行统计模型分析,效果都比较好。视准线33个测点的复相关系数R平均值为0.919,标准差S平均值为1.38mm,S/Δ(Δ为实测变幅)平均值为8.2%。引张线56个测点的复相关系数R平均值为0.968,标准差S平均值为0.81mm,S/Δ平均值为6.3%。

视准线测值的水压分量在2.74～21.36mm之间,平均值为14.3mm。温度分量在0～5.77mm之间,平均值为2.2mm。引张线测值的水压分量在0.76～19.15mm之间,平均值为13.2mm。温度分量在0.74～6.91mm之间,平均值为3.7mm[12]。

水压分量与温度分量的变化沿坝轴线的分布在纵向存在较大差异,以引张线为例,水压分量的大小基本取决于坝高,28～48号泄洪坝段的坝高均约100m,平均水压分量约18.2mm,过筏坝段及中孔泄洪坝段均向岸边逐渐减小,过筏坝段由16.3mm降至13.0mm,中孔泄洪坝段由15.4mm降至12.3mm,见图1-1-25。

温度分量的分布规律与水压分量不同,最大值出现在过筏坝段及左岸挡水坝段的河床侧,平均值约5.4mm,其中23号坝段特别大,为6.9mm,估计与该坝段垂线悬挂于电梯井顶,对气温更敏感有关。溢流坝段反而变小,平均值约3.5mm,特别在30～34号坝段最小,约2.4mm。可见温度分量主要取决于上下游坝面的温差,相近高程的下游面气温相差不大,主要是上游库水的温度变幅,现有的温度资料是在26号及28号坝段上游面,基本属于静水区,温度变幅不是最大的区域。溢流坝段前库水流动性大,温度变幅较大,也更接近气温,因此上下游温差更小。由于未获得实测数据,仅是一种推测。

从实测位移的分解成果看,溢流坝段水压位移与温度位移之比约5.4∶1,中孔泄洪坝段约5.7∶1,过筏坝段约2.7∶1,其余在2∶1以下。总的看来,云峰的水压位移在坝顶位移中占绝对优势。

(4)水压位移大的原因分析。水压位移大的原因是坝体的整体刚度较低和基础变形的影响,云峰枢纽系中朝联合建设,中方建设厂房,朝方建设大坝,接收运行后发现坝体及基础质量存在一些问题,经过大量处理工作。至1988年底坝体向下游的时效并不大,且已趋稳定。

整体刚度较低表现在大坝挠度较大,有一类数据可供参考。云峰49号坝段的基础倾斜约25弧秒,坝顶倾斜约148弧秒,如大致计算,扣除基础倾斜的部分,坝体本身的挠度造成坝顶倾斜约123弧秒。26号及28号坝顶倾斜值约221弧秒及255弧秒,这两个坝段无坝基的实测数据,假设与49号坝段同为25弧秒,则26号及28号坝顶因挠度造成倾斜约196弧秒及230弧秒。

与国内同类型百米级重力坝相比,湖北丹江口大坝加高前最大坝高97m,运行期基础倾斜为弹性变形,高水位期向上游转动,低水位期向下游转动,年变幅为3～6弧秒,两岸坝段变幅比河床部分稍大。坝顶转动变形表现为温升时向上游转动,温降时向下游转动,年变幅最大值在厂房坝段约15弧秒,泄洪坝段约30弧秒,时效不明显,和云峰相比,小了一个数量级[13]。

从基岩应变的实测资料看,上下游基岩岩性不均匀或许也有一定影响。例如28号坝段基础岩石从上游至下游分别为凝灰岩、玢岩、花岗斑岩及凝灰岩,根据钻孔资料,凝灰岩、玢岩及花岗斑岩的弹模值分别为10×103MPa、25×103MPa及25×103MPa。基岩应变计的实测资料,凝灰岩、玢岩及花岗斑岩的最大压应变分别为490με、150με及200με。其实测应变分布如图1-1-26所示。

4.1996年位移增大的原因分析

1996年云峰库水位在8月下旬到达高程318.00m以上,并维持了很长时间,直到12月初仍然在高程314.50m以上。进入11月以后,若干原先位移较大的坝段如23号、36号及41号等坝顶位移继续增加,超过模型预报值。如23号坝段到11月20日已达到17.37mm(相应水位315.67m),前期历史最大值为13.68mm(1968年11月,相应水位313.12m)。23号坝段的位移已超过位移预报允许范围,即拟合值±2σ的置信区间,拟合值与实测值之差为2.50mm,2σ为1.65mm。

经进一步检查分析,大坝渗漏、扬压及沉陷均属正常。281.75m廊道引张线测值在此期间变化约1mm,表明中下部坝体及基础工作正常[14]。

有关文献认为这是由于1996年冬季长期高水位+低温的作用下出现的,位移仍在结构的正常变化范围之内,并不影响大坝安全。

作者赞同上述观点,并想作一些补充。本书所提的水压或温度分量都是回归分解值,通常均指变幅,因此都是正值。但实际位移是一矢量,库水压形成的水压位移通常总是指向下游,但温度位移的方向则有两种可能:由冬入夏气温升高时下游坝面温度高于上游库水温,温度位移指向上游;由夏入冬气温下降时下游坝面温度低于上游库水温,温度位移指向下游。因此水压与温度位移可能相加也可能互相抵消,即在夏季高水位时位移测值不一定最大,而在冬季高水位的测值才可能是最大值。

根据26号及28号坝段上游坝面的温度计与气温相比较,大致判断9月前后是温度位移改向的转折时期。9月后上下游坝面温差的数值不一定增大,但方向改变了,见表1-1-13。

表中温度均为各个月多年平均值,以278.75m高程的坝面温度与气温比较,可知1—8月气温上升幅度大于坝面温度,温度位移指向上游;9月后虽同为下降但坝面温度高于气温亦即下游面温度,温度位移指向下游。10—11月内虽然水位没有继续上升,但温度位移改变了方向,与水压位移相加,所以坝顶位移继续增加。

五、大坝上游面为库水下游面有填土的实例

当大坝上游面为库水,下游面有填土时,温度边界较常规大坝发生了改变,使得位移的变化规律也发生了变化。居龙滩大坝左坝头1号、2号坝段就是这样的实例。

(一)工程概况

居龙滩水利枢纽工程位于江西省赣县,坝址距赣县县城23km,处于赣江水系贡江支流桃江下游,为桃江干流八级开发中最末一级工程,是一座以发电为主,兼有水库养殖、改善航运等综合效益的中型水利枢纽工程。坝址以上控制流域面积7739km2,多年平均流量199m3/s。水库校核洪水位122.42m,总库容为7360万m3,正常蓄水位122m,相应库容为6900万m3,属日调节水库。电站装机容量2台×30MW,保证出力6745kW,年均发电量1.973亿kW·h,年利用小时3288h。

大坝自右至左依次为右岸非溢流坝段、河床式厂房、溢流坝段、斜面升船机及左岸非溢流坝等建筑物。坝顶高程124.30m,坝轴线全长258.20m,其中,右岸非溢流坝段43.50m,厂房坝段66.70m,溢流坝段108.00m,左岸非溢流坝段40.00m,设计最大坝高为24.30m。

溢流坝布置于河床中部至河床左侧,由8个溢流表孔组成,单孔净宽10m,溢流坝全长108m。溢流坝采用底流消能方式泄流,溢流堰下游设置综合式消力池,消力池底板顶高程102.20m,全长28m。消力池末端设置T形墩和差动式尾坎,末端采用干砌石海漫与原河床相接。

工程采用分期导流施工,一期工程先施工右岸4孔溢流坝、主厂房、安装间及非溢流重力坝,二期工程包括左岸4孔溢流坝、左岸升船机及左岸非溢流重力坝。2006年11月水库开始蓄水,利用一期工程和二期上游围堰挡水发电。

(二)坝顶位移观测布置

坝顶水平位移监测采用视准线法。视准线布置在大坝上游侧,全长266m,共设13个测点。溢流坝段在每个闸墩上游侧布置1个测点(共7个),厂房坝段主机间和安装间各布置1个测点,两岸挡水坝段各布置2个测点。在大坝左、右岸端部视准线的延长线的稳定岩体上分别布置1个工作基点和1个校核基点。

(三)坝顶位移变化规律

视准线右半段自2006年12月14日开始观测,共8个测点。左半段自2007年7月8日开始观测,共5个测点,至2008年7月7日止均观测一年以上,可以反映出坝顶位移的年周期性变化规律。从观测资料看,视准线右半段即厂房坝段、溢流坝段和右岸非溢流坝段的坝顶在3月初均倾向下游,9月初均倾向上游,较气温略有滞后。年变幅在3.2～8.4mm之间,变幅较小的是右岸非溢流坝段,情况均属正常。

但视准线左半段的1～5号5个测点则出现了两种明显相反的规律性,1号、2号与3号、4号、5号变形规律相反,见图1-1-27。溢流坝顶3个测点(3～5号)的规律性与右半部分溢流坝段相同,都是在3月初倾向下游,9月初倾向上游,年变幅在4.1～5.6mm之间。但左岸非溢流坝段的两个测点(1～2号),自7月起测,此后当气温下降时却逐渐倾向上游一直到1月才出现停滞,到3月、4月气温明显回升后逐渐倾向下游,至7月基本回复始测时位置,年变幅分别为4.6mm及3.6mm[15]。

(四)左岸非溢流坝段位移“异常”的原因分析

经分析认为,左岸非溢流坝段坝顶位移的基本规律也是正常的,资料基本可信。视准线全长266m,在规范允许值之内,精度虽然不太高,但对4～5mm的变幅而言,位移的基本规律应该能够反映。所以出现疑似异常的原因在于左岸坝段的温度边界与其他坝段不同,见图1-1-28。图中Ⅰ—Ⅰ剖面为溢流坝段,上游为库水,下游面为大气;Ⅱ—Ⅱ剖面为左岸紧邻溢流坝的一个非溢流坝段,坝顶兼作门机安装检修平台,下游面与挡土墙之间以石渣回填至坝顶高程。因此下游面温度非常稳定,约在年平均温度±2℃之间波动,远小于上游面库水温的变幅,和通常溢流坝段下游面温度变幅大于上游面的情况正好相反。现场察看表明,左岸另一坝段下游面也有回填土覆盖,故其位移规律性相同。

六、大坝上游淤积的实例

青铜峡大坝位于黄河中游,其河东重力坝段由于受上游淤积影响,温度边界发生了改变,坝顶位移规律也不同于常规大坝。

(一)工程概况和观测布置

1.工程概况

青铜峡水利枢纽工程位于黄河中游宁夏回族自治区青铜峡市境内峡谷出口处,左岸为贺兰山,右岸为鄂尔多斯高原,坝址以上流域面积27.5万km2,是以灌溉、发电为主,并以防洪、防凌、供水及水产养殖等综合利用的大型水利工程。

青铜峡主体工程是河床闸墩式电站(带泄水管),由8个厂房坝段和7个溢流坝段相间布置而成,其中1号电站即河西灌溉渠首,8号电站即河东灌溉渠首。枢纽总长687.3m,坝顶高程1160.20m,最大坝高42.7m,最大底宽46.7m。自西向东顺序如下:0～5号坝段为河西重力坝;6～20号坝段为电站和溢流坝段;21～29号坝段为重力坝;30～32号为泄洪闸,33号及34号为重力坝、土坝及东干渠进水闸。其中21～34号坝段通称为河东重力坝,枢纽平面布置见图1-1-29。

该工程为二等工程,主要建筑物按2级建筑物标准设计,洪水重现期按百年一遇设计,千年一遇校核。正常蓄水位1156.0m,相应设计库容6.06亿m3,最大水头21m,8台机组的总装机容量为27.2万kW,年平均发电量13.5亿kW·h。总灌溉面积550万亩。水库具有日调节及周调节能力。青铜峡多年平均年径流量1020m3/s,多年平均输沙量2.36亿t,实测最大含沙量431.35kg/m3,泥沙淤积严重,现有库容已不足0.3亿m3。

工程于1958年动工,1967年4月开始蓄水,1967年年底第一台机组发电,1978年8台机组全部安装完毕,至今已安全运行40多年,发挥了显著的社会和经济效益。

2.地质概况

青铜峡峡谷位于六盘山以北,贺兰山以南,在地质构造上位于祁吕山字形构造的脊柱部位。坝址基岩为奥陶系沉积岩,主要由石灰岩,砂岩及泥质页岩构成,呈错综复杂的砂、页岩和灰、页岩互层,岩层倾角大,断层发育,石灰岩中岩溶发育。其中砂岩和页岩占基岩面积的92.2%,饱和抗压强度为87.8MPa和76.5MPa。页岩夹层强度较低,且倾向上游。坝基的主要断层有8条,按断层的产状,分布特征及力学特性可分为正断层、逆断层及张扭性或压扭性断层,影响坝体稳定的有5条正断层,即F1、F5、F6、F7、F9,对这些断层进行了浇筑混凝土塞或开挖后回填混凝土处理。坝区地震基本烈度约为Ⅶ度,为地震波及区[16]。

3.坝顶位移等观测设施布置

(1)视准线。在坝顶1160.2m高程设置一条视准线,多数坝段在每个坝段设一个测点,共27个(4号、5号坝段共用一点,在24号与25号接合部增设一点)。两端点用倒垂线校测,全长615m,布置见图1-1-30。

(2)垂线。垂线原有6根,其中4条正垂线分别设于5号、21号、24号及33号坝段,两条倒垂线分别布置在33号和34号坝段上,34号坝段倒垂为视准线的右端点。1995年,垂线系统进行了增设及改造。在0号、21号、34号坝段增设3条倒垂线作为坝顶引张线的工作基点,此后21号坝段正垂线停测。

(3)引张线。1995年在坝顶公路防护网上游侧,机上21.10m处设置了坝顶引张线。全长为617m分为两段,中间固定在21号坝段,张紧端分别设于0号和34号坝段,共26个测点。

(4)坝体温度计。坝体温度计分别布置在25号坝段、3号溢流坝及5号电站,25号坝段埋设19支温度计,其布置图见1-1-31。

4.环境量概况

(1)青铜峡大坝上游水位变化平缓,除少数几天水位突降外,一般在1155.4m附近波动,1969—1988年平均年变幅为3.40m。

(2)大坝下游水位变化也不大,一般在1135.3m附近波动,1969—1988年平均年变幅为4.06m。

(3)气温总体呈年周期性变化,历年的最高气温一般出现在6—8月,最低气温一般出现在11月、12月或次年1月。历年的最高气温在25.9～34.4℃之间,最低气温在-19.8～-9.2℃之间。多年月平均气温在-5.6～24.3℃之间,见表1-1-14。

(二)河东重力坝位移的“异常”现象

青铜峡河东重力坝位移的年周期性变化规律和电站及溢流坝段相同,都是在高温时趋向上游,低温时趋向下游。这是由于库水位变幅小,而气温变幅大所致,属于正常范畴。但位移的变幅却呈现出一种异常变化,年度之间差异显著,历年差值超过一倍以上。而且变幅的增减也有一定规律性,某年突然增大后逐年减小,之后又增大又慢慢减小。以25号坝段垂线测值为例,从1967年开始观测,1971年的变幅达8.1mm,此后逐年减小,到1976年减小至2.3mm,1978—1980年度最大至5.5mm,此后又逐渐减小,至1986年为2.7mm,详见图1-1-32(a)24号、25号坝段垂线测值过程线。

(三)位移异常现象的可靠性论证

异常现象首先是从垂线测值发现的,因为垂线的观测精度较高,能够分辨出上述量级的规律性。该垂线设于24号及25号坝段之间,悬挂于24号坝段顶部,同时监测两个坝段的位移,是早期的一种布置方式。这两条测值过程线中均有上述异常现象,就起到了互相校核的作用。不同的是24号坝段的异常略显滞后而且没有明显趋向上游的时效。但是上述异常现象在1967—1988年长达21年的过程线中反复多次出现,证明不是偶然的现象。

不仅垂线有此现象,河东重力坝段的视准线测值中也有同样现象。虽然视准线精度较低,但依然很明显,见图1-1-33。由于在1972年后许多坝段视准的测次由每月1次减为每季1次,可能测不到每年的极值,变幅代表性因此降低,而且前后难以对比。仅有21号、24号、25号、27号及29号5个坝段基本保持了一月一次(其中29号坝段在1977年前保持了一月一次,而27号坝段在1977年后保持了一月一次),故取这几个坝段的历年年变幅绘制过程线于图1-1-32(c)中。

图1-1-32(c)中可见在1973年24号、25号及29号坝段的年变幅分别为10.4mm、10.3mm及7.5mm,至1976年分别降至3.6mm、4.4mm及3.7mm,至1978年24号、25号及27号坝段回升至6.3mm、5.9mm及6.7mm,1984年又降至3.5mm、3.7mm及3.9mm,1987年又回升至8.0mm、9.2mm及6.9mm,其前后比值均相差一倍以上。观察发现在河东重力坝段左端的21号坝段过程线虽也有起伏,但不明显,到1987年反而下降至3.4mm。

视准线的变幅较垂线稍大是合理的,正垂线测值是相对值,视准线是绝对值。当然视准线的误差也比较大,因而变幅也可能稍大,但它们本身前后测值的对比都是可信的。

垂线和视准线是两种相互独立的观测系统,得出同样的结论,证明这是河东重力坝坝顶位移中固有规律性,应该予以确认。

(四)位移“异常”的成因分析

分析认为,坝前淤积是位移异常的成因。主要理由如下。

(1)青铜峡的上下游水位在运行期年变幅都不大,历年气温亦未见有异常变动,因此它们都不可能是位移“异常”的主要影响因素。

(2)调查发现,气温虽无异常变动,但是河东重力坝段坝前的淤积高程却变动很大。黄河是一条多泥沙河流,1964年7月施工期中因发生50年一遇的洪水(5950m3/s),基坑过水后迅即填满淤泥被迫停工,至11月河床工程才部分复工。此后才决定在河东岸边即29号坝段右侧增设泄洪闸。当时作者在青铜峡现场参加施工,对此深有体会。

(3)从枢纽平面布置图中可以发现,河东重力坝段不在主河道上,前沿库区呈凹形。由于泄洪闸系不定期运行,较长时期不泄洪时,坝前泥沙很容易沉积,泄洪时则被冲刷带走。因此坝前淤积高程在不断变化中,上游坝面的温度边界也随之不断变化。如前所述,坝前淤积后坝面附加的泥沙压力的影响是很小的,而上下游坝面温差却会显著加大,位移变幅亦随之显著加大,温差示意见图1-1-34。

(五)坝前淤积高程考证

25号坝段布置有较完备的温度计,如图1-1-31所示。根据坝面温度计的变化可以大致推测泥沙淤积高程的变迁,由此绘出了变迁过程线,见图1-1-32(b)。

1990年4月电厂提供了1972—1985年期间的25号坝段前的实测高程数据,作者把数据标注在推测过程线图[图1-1-32(b)]中,证明二者基本相符。实测高程数据证明1978—1980年,泥沙淤积高程已达1150.00～1152.00m,1981年9月枢纽宣泄运行期最大洪峰流量5720m3/s,闸前经过冲刷,淤积高程降至1140.00m左右,前后相差10.00m以上;1984—1985年泥沙淤积高程又升至1148.00m,此后无实测资料[17-18]。

七、纵向温度影响显著的实例

一些大坝的伸缩缝进行过灌浆,其纵向温度的影响也不可忽视,有时甚至产生不利后果,如丹江口两岸转弯连接坝段。

(一)丹江口两岸转弯连接坝段布置简介

丹江口水利枢纽由大坝、厂房、泄水建筑物和通航建筑物等组成。挡水建筑物总长2494m,其中坝轴线呈直线形的混凝土坝部分为2～32号坝段,最大坝高97m。坝轴线自1号向右沿山脊折向上游,右1～7号为混凝土坝,在山脊150m高程处与右岸土石坝连接。其间1号至右3号坝段为呈倒拱的转弯段,见图1-1-35。河床直线形坝段的左端33～44号坝段为左岸混凝土坝,其中33～36号坝段为呈正拱的转弯段,见图1-1-36,44号坝段以左为左岸土石坝。

(二)右岸连接坝段的异常变形

1.右岸连接坝段的“反向变形”

右岸连接坝段包括1号至右3号共4个坝段,平面上呈扇形,转弯中心角60°,半径57.15m。横缝上游8～10m范围内进行了灌浆,坝高约50m。

右岸连接坝段自1969年投入运行。从前方交会法的十余年观测成果已发现,其坝顶水平变形规律性与两侧直线坝段不同。直线坝段在夏季倾向上游、冬季返回。而右岸连接坝段夏季倾向下游,冬春返回,而且有向下游移动的趋势。其变幅大于河床坝段,据1979—1986年资料统计,1号至右2号坝段的多年平均年变幅分别为9.9mm、11.4mm及10.6mm,同期河床坝段的年变幅在4.7～8.9mm之间(均用前方交会法观测)。由于右岸连接坝段的水平位移方向与直线坝段相反,故称之为“反向变形”,见图1-1-37。

前方交会法虽然观测精度较低,但长期观测数据表现出的这种规律是可信的。同期由垂直位移推算出的坝顶转角也出现了相同的反向变化。

1985年9月,1号坝段增设的倒垂线(埋深50m)观测成果也表明,温升时坝顶向右岸和下游倾斜,温降时则相反。162.0m高程侧向位移年变幅达3.43mm,上下游向年变幅6.02mm。151.0m高程侧向位移年变幅为1.94mm,上下游向年变幅3.51mm。151.0m高程较162.0m高程变幅显著减小,说明影响因素自顶部向下减小。

2.异常变形的原因分析

1988年专门为此召开的鉴定会及后续的研究确认,反向变形是由坝轴向热胀挤压而产生的。其中包含两个因素:

(1)拱作用。右岸连接坝段经过横缝灌浆后拱作用成为起支配作用的因素。大坝蓄水后上下游面的温差仍然存在,夏季升温时仍然有使坝体向上游位移的倾向,但此时水平拱圈的膨胀变形使拱圈向下游移动,特别在顶部其作用更强大,它又和库水压力造成的位移相叠加,因此夏季升温时坝顶向下游移动,冬季降温时向上游移动,而且变幅更大。

(2)两侧直线坝段的热挤压作用。丹江口所有纵缝,临近上游面的横缝以及一些有特殊要求的坝段横缝均作了接缝灌浆处理。河床直线形部分2～32号坝段,共长582m,灌浆后大部分坝体温度显著回升,如27号坝段温升10.9℃,31号坝段温升5～8.1℃,其沿坝轴线热胀挤压作用不可小视。即使在运行期,坝体中上部亦远非所谓的稳定温度场,仍有2～4℃的年变幅,这种挤压作用周期性地作用在两岸连接坝段上。从1号坝段倒垂线测值说明,右岸连接坝段拱座切向变位约3.4mm。需要强调指出,河床直线坝段的热挤压对右岸连接段拱座是一种主动荷载,与连接段本身热胀变形相叠加,这就大大恶化了连接段的工作状态[19-20]。

3.位移量的定量分析

应用多种方法对右岸连接坝段的变形作定量分解,主要成果见表1-1-15。

表1-1-15中所列出的用各种方法分解出的时效分量相差较大,这是由于资料系列不同。前方交会法自1970年始测,所得时效较有代表性,1号与右2号坝段最大时效位移(向下游)分别为2.77mm及2.59mm。用各种方法得出的温度分量相差不多,在4～5mm之间。水压分量以垂线测值用混合模型分解成果较为可信。它占的比例很小,不到10%,绝对值仅0.18mm和0.23mm。水压分量与温度分量相比,已经不在同一数量级上,右岸连接坝段是丹江口所有坝段中温度影响最显著的部位之一[21]。

4.温度变形的量值及成因

通常情况下混凝土直线坝段的坝顶温度变形在夏季趋向上游,冬季恢复。这种特性在右岸连接坝段也存在。但由于沿轴线的坝体热胀引起的变形在数值上超过前者,而方向相反。二者相互抵消的结果才是表1-1-15中给出的定量分解值。因此热胀挤压作用对变形影响实际上不止4～5mm。

为了分离出上下游温差与坝体沿轴向热胀挤压作用各自对转弯连接坝段位移影响,采用和左岸连接坝段的温度分量联立求解的办法。因左岸连接坝段是一个正拱,由上下游坝面温差引起的变形和沿轴线热胀引起的变形的方向是一致的,定量分解值是二者之和。分解得到左岸35号坝段的温度变形分量是8.42mm,作为两种变形的“和”;右2号坝段的温度变形分量为4.79mm,作为两种变形的“差”。则由“和差问题”原理,估算出在转弯坝段中因上下游坝面温差形成的坝顶最大水平变形量约1.8mm,由沿轴线坝体热膨胀引起的最大变形量约6.6mm。

(三)左岸连接坝段的变形及成因

左岸连接坝段是河床混凝土坝段与左岸土石坝相连接的坝段,长220m,共12个坝段。其中41～44号坝段与土石坝下游坝坡相接,坝顶高程逐渐降至138.00m高程。因土石坝为副片岩基础,33～37号坝段向下游转弯以避开片岩基础。迎水面转弯半径约100m,转角52°30'。

左岸连接坝段的变形规律性与河床直线坝段相同。夏季高温时倾向上游、冬春返回。但是它的变化幅度大于河床坝段并有较大的倾向上游的时效。和右岸连接坝段相同的是它也存在着沿轴线方向特别是来自河床坝段的热胀挤压作用。变形量以35号坝段(靠近拱冠处)最大,它的温度变形量也大,达8.42mm。由于左岸转弯坝段是一个正拱,由大坝上下游坝面温差产生的变形和因沿坝轴线方向热胀而产生的变形二者叠加,所以数值比右岸转弯坝段的温度变形大。

(四)右岸连接坝段异常变形的不利后果

右岸连接段的异常变形的不利后果是明显的。大坝在相邻坝段的热挤压和库水压联合作用下倾向下游的变形明显,直接导致了坝踵开裂,幕前扬压力剧增。图1-1-38为这几个坝段的扬压水位过程线。

由图1-1-38可见,幕前的右3-1和右1-1等孔扬压力不仅高而且变化规律异常。主要有以下两个现象:

(1)夏季温升时扬压力突增,冬季减小。一般大坝坝基扬压力也会受温度影响,但都是在冬季气温最低时,基岩裂缝张开时扬压力才突增。

(2)扬压力变幅大于库水位变幅。例如1979年7月13—21日,库水位上升9.03m,扬压水位上升17.2m,11月初库水位下降25.12m,扬压水位下降31.0m。1980年扬压水位年变幅19.5m,库水位年变幅11.71m。

以上现象说明坝踵幕前已经开裂,裂缝的开合度主要随气温变化,更确切地说是受坝顶前倾的程度变化而变化的结果。

1983年在坝踵区埋设的测缝计资料表明,坝基面开合度在0.20～0.56mm之间。坝踵裂缝随库水位升高而加大,当库水位接近正常蓄水位157m时,裂缝已影响到距坝踵8.2m深处的扬压力的变化。

由于幕后扬压力尚未显著增加,大坝整体还是稳定的。但这是一个明显隐患,需要重视并加强观测,必要时采取措施进行处理。

(五)左岸连接坝段承受直线段热胀挤压作用的后果

和右岸连接坝段一样,左岸连接坝断受到来自两侧的热胀挤压的不利作用可能很大,后果不宜低估。

(1)36号坝段垂线资料显示,自1973—1986年,该坝段产生了指向左岸约2.7mm的趋势性位移。33～35号坝段产生的指向上游的趋势性位移亦均在4mm左右。

(2)紧靠河床直线坝段的33号坝段的防渗板和甲块,因为存在宽缝,它们单独承受了巨大的来自河床坝段的轴向推力中的绝大部分,在灌浆之后,纵缝仍然拉开1～2mm。美国Fontona大坝转弯坝段亦曾出现类似的情况。

(3)33号坝段1号坝块基础在蓄水初期压应力增加约2.5MPa,基岩压应变增加约200με。

(4)33号坝段基础转角在所有坝段中也最大,变幅达21.8″,说明它是受挤压力首当其冲的坝段。

然而,因正拱形态,温升时坝顶向上游倾斜,坝踵未因此而开裂。

八、下游水压起主要影响的实例

下游水压力一般较小,不会对位移的规律产生决定性影响。然而,实际工作中,作者发现也有下游水压使坝顶向下游移动的特例,如大化水电站溢流坝段。下面对该电站的水平位移规律进行详细分析。

(一)工程概况与观测布置

1.工程概况

大化水电站位于广西大化县境内红水河中游,为红水河规划开发的第六个梯级电站,是一座以发电为主,兼有通航等综合利用的枢纽工程。坝址以上控制流域面积11.22万km2,多年平均年径流量632.6亿m3,正常蓄水位155.0m,水库总库容8.76亿m3,正常蓄水位相应库容4.15亿m3,为日调节水库。电站总装机容量456MW,多年平均发电量20.83亿kW·h。电站为二等工程,拦河坝按2级建筑物设计。

枢纽主要建筑物有溢流坝、河床式厂房、左右岸重力坝、左右岸接头土坝、通航建筑物及开关站等,大坝沿坝轴线全长1166.0m,枢纽布置见图1-1-39。

溢流坝全长228.4m,共分12个坝段,13个溢流孔,其中4号、5号、6号坝段为混凝土空腹重力坝,其余坝段为实体重力坝,坝顶高程174.50m,最大坝高74.5m;厂房位于河床右侧,全长175m,分5个坝段,最大高度83.28m,基岩以下挖深36m,由于汛期下游水位高,厂房为全封闭式,是我国挡水最高的河床式电站之一。图1-1-40为溢流坝及厂房典型坝段横剖面图。

大化水电站于1975年10月开工。工程分两期施工,1982年5月27日下闸蓄水,1983年12月第一台机组正式投产发电。1985年6月最后一台机组投入运行,1986年6月工程竣工。

大坝自运行以来泄洪频繁,每年均发生大于10000m3/s的洪水流量,闸门年均开启1100余次进行泄洪或晚峰水位调节,工程一直处于良好运行状态,已经历了三次大坝安全定期检查,均被评为正常坝。

2.地质概况

坝址区地层为三叠系下统岩层,岩性为灰色或深灰色薄层泥岩与灰岩互层,性质软弱,抗冲、抗风化性能较差。由于构造挤压强烈,不仅有层间错动和层间挤压破碎带,而且岩体内各种断裂均较发育。

溢流坝基本开挖至弱风化岩体,但岩体为薄层状软硬相间岩层,受结构挤压强烈,各类陡倾角断裂和缓倾角断裂十分发育,岩体完整性较差。厂房基础亦置于微风化岩体上,但该处岩层陡立,层间结合较牢,地基允许承载力能满足厂房对地基的要求。河床坝基断裂仍然发育,但宽度不大,沿断裂带形成风化槽规模短小,总的看岩体较完整。为提高溢流坝防渗性能,在坝前设置了防渗铺盖,在铺盖廊道内进行帷幕灌浆。

3.坝顶水平位移监测设施

坝顶水平位移监测设施包括视准线、引张线和垂线等。

坝顶视准线设置在坝顶下游侧的人行道上,高程175.90m,全长632.5m,共布设31个测点。

厂房坝段引张线高程167.8m,全长161.3m,共布设5个测点;溢流坝段引张线全长249.3m,设在高程172.9m电缆廊道内,共布设14个测点。

观测坝顶水平位移的垂线共布置5条。倒垂线IP1和IP11用于测量视准线工作基点的位移;厂房段引张线右端点用正垂PL1和倒垂IP2垂线组,左端点用正垂PL2和倒垂IP5垂线组观测。溢流坝引张线右端点用正垂PL2及和倒垂IP5垂线组,左端点用正垂PL5和倒垂IP10垂线组观测。5号墩下游侧(坝下0+38m)的正垂PL3和倒垂IP7垂线组、10号墩下游侧(坝下0+30m)的正垂PL4和倒垂IP8垂线组单独观测坝体挠度。坝顶引张线、垂线布置见图1-1-41。

坝顶视准线由于过长,测值受大气旁折光干扰较为严重,精度受到影响。1996年后引张线及垂线实现了自动化观测,一周观测一次。2006年又对自动化系统进一步改造,测次加密至1日1～2次。本节分析采用1996—2010年的引张线及垂线观测资料。

(二)环境量监测概况

1.上游库水位

红水河水量丰富,大化水库年径流量达632.6亿m3,水库总库容8.76亿m3,正常蓄水位相应库容4.15亿m3,库容系数小于1%,具有日调节性能,因此库水位十分稳定,1996—2010年间年平均变幅仅2.04m,多年平均库水位154.43m。

2.下游水位

下游水位变化很大,与稳定的库水位形成极大反差,在国内也是罕见的。下游水位最低值为1984年的117.73m高程,最高值为1988年8月31日的157.57m高程,比当日库水位仅低1.2m,1984—1995年期间下游水位平均年变幅为31.65m,是库水位变幅的15倍。

1992年上游岩滩电站水库蓄水后情况有所缓和。1996—2010年期间平均年变幅为24.32m,比前期减小约7m,期间年最高水位平均值为147.57m,最低水位平均值为123.66m,但1996年下游百龙滩水库蓄水后(正常蓄水位126m高程),下游水位平均值比前期有显著抬高,年平均值由124.62m高程升至131.62m,此后基本维持在130m附近,其对坝体变形的影响不可忽视,下游水位过程线见图1-1-42。

下游水位在年内各月相差悬殊,冬季枯水期以1月、2月为最低,1996年以后一般在125～127m,夏季丰水期以7月、8月为最高,一般在135～140m左右。但也有些年份的高水位持续到10月,如1997年和2001年,月均值仍在137m以上。也有些年份在2月、3月水位就迅速升高,如2003年的2月、3月的月均值就升至132.12m及136.54m,比常年高出很多。

下游水位的日变幅也相差悬殊,据2006—2011年统计在12.11～0.08m之间,多年平均日变幅为3.27m。一般在枯水期变幅较大,夏季丰水期较小。一天之内,早8点左右水位还较平稳,多在入夜后迅速上升。为尽量消除日变化对测值的影响,以每天定时观测比较恰当。

3.坝区气温

大化坝区运行期的多年月平均气温见表1-1-16,气温多年平均值为21.3℃。

4.水温

大化在4号及9号坝段埋设了坝面温度计,其中4号坝段温度测值较完整,表1-1-16中统计库水温从2000—2010年的月平均值,它表明由于库水交换频繁,上下温度相差极小,与河水温度的规律性相差无几。坝面154.50m高程处水温基本可代表水面温度。水面温度与水深35m处,仅1～2℃之差,因此库水温和下游水温也相差不大。

(三)厂房坝段水平位移变化规律

厂房位于河床右侧,坝顶引张线共5个测点(EX101～EX105),分布在安装间和1～4号机组段。其过程线形态基本相同,图1-1-43为EX103测点在1996—2011年期间的自动化测值,2006年前基本1周1次,2006年后1日1～2次。2004年、2005年系统因故障停测。2006年后过程线上的许多“毛刺”除了2007年夏季因端点垂线仪受潮出现跳跃外还可能反映了系统受气温和下游水位日变化的影响,不一定全是假象。

从图1-1-43中可以看出,1996年、1997年厂房坝段有向上游移动的时效,这是下游水位逐步抬高所致。坝顶位移基本呈年周期性变化,温降时倾向下游,温升时倾向上游,温度影响明显。但它们与多数电站厂房的变化规律有所不同,主要特点是位移过程线不呈通常的正弦曲线形式,近似一只只“空碗”“碗壁陡立”,表明在冬春季节变化迅速,“碗底平缓”,表明在夏秋季变动极小,如图1-1-43所示,这样就使年变幅比通常大坝小了几乎一半。EX101～EX105在1996—2011年的多年平均年变幅依次为3.85mm、3.84mm、3.66mm、3.24mm及2.96mm,对一座高度83m的河床式厂房坝段来说,年变幅还不到4mm。国内河床式电站如浙江富春江电站,厂房段高57.4m,坝顶位移多年变幅为6.1～7.4mm;宁夏青铜峡电站,坝高42.7m,厂房段高42.7m,坝顶位移多年变幅为4.1～9.2mm(均同为引张线自动化测值)。对比来看,大化电站厂房坝段的位移变幅的确很小。这个特性自1996年实施自动化观测以来就已显示,2006年进一步加密测次后更得到确认。

变幅小的原因和下游高水位直接有关。如上所述,每年12月至次年4月月平均水位均低于127.00m高程,最低水位多出现在1月、2月,5—11月则在129～137m之间,最高水位多出现在7月、8月。

如前所述,大坝温度变形值主要取决于上下游坝面的温差,亦即上游库水温和下游面气温的差异。大化的库水位变动很小,水温沿水深的变动也很小。而下游水位变化幅度很大,并呈明显的季节性,1996—2010年期间在冬季1月、2月历年最低水位平均值为123.66m,与库水位相差30m左右,所以温度位移还比较显著。到7月、8月持续泄洪时,下游水位升高,历年最高水位平均值为147.57m,上下游水位相差10m左右,所以夏秋季节坝顶温度位移较小是可信的,符合实际情况。

(四)溢流坝段水平位移变化规律

1.位移变化规律

溢流坝段水平位移的变化规律和厂房坝段有相同点也有不同点,相同点是在冬春季节下游低水位时的规律为温降时趋向下游,温升时则趋向上游,但变化相对微弱。不同点是因溢流堰顶高程为141.00m,夏秋季节下游高水位时下游坝面全部淹没在水中,除闸墩外上下游坝面的温差基本消失,水压位移占主导,坝体急剧倾向下游。各坝段变幅差异较大,据2002—2010年资料统计多年平均年变幅,位于主河槽的几个坝段,如EX207～EX209分别为4.48mm、4.52mm及5.86mm,在它们两侧的坝段次之,EX205和EX210的变幅约3.65mm,再往两侧的坝段一般小于3mm,详见表1-1-17。溢流坝段EX210过程线见图1-1-44。

2.溢流坝顶在夏秋季节倾向下游的原因

溢流坝在夏秋季节所以倾向下游和下游高水位和溢流坝坝体形式直接有关,下游水压对坝体有一个水平向合力使坝体倾向上游,但同时它垂直于溢流坝面和护坦的作用力则使坝体倾向下游。一般重力坝非溢流段下游坡很陡,在1∶0.7左右,作用在下游坝面的垂直力很小,但对大化溢流坝段来说就不能忽视。尤其因基岩比较软弱,在高水位时会产生较大不均匀沉陷,也会导致坝体倾向下游。见图1-1-45及图1-1-46。

在高温季节坝体的温度位移仍然存在,并且指向上游,但它相对比较微弱,小于水压位移,在夏秋季节成为次要因素。

图1-1-44中圆圈内2007年的过程曲线最能清晰说明下游水压力影响,由于2007年度6—9月连续高水位,E210测点在6—10月期间急剧向下游移动,形成一个尖锐的三角形,和厂房段的E103曲线形成鲜明对比。图1-1-47为2006年、2007年度下游水位日均值过程线。

引张线两端点即靠近厂房的1号坝段右边墩和12号坝段左边墩的一些坝段受下游水压的影响比较小,和中央溢流段有差异,这是因为它们的下游温度边界条件和中央溢流段不同。图1-1-48列出了全部14个测点的绝对值过程线供参考。

3.统计模型试算

曾对大化溢流坝段引张线做统计模型定量分析,试图分解出水压变形和温度变形。但由于下游水压因子和温度因子具有较高的相关性,简单相关系数达到0.42,采用逐步回归法分解效果不理想。对这种冬春季节下游低水位期以温度变形为主,夏秋季节高水位期水压变形占优势的大坝,统计模型难以发挥作用,因为找不到一个合适的模型表达式同时表示两种不同的规律性。

4.下游水压力作用下溢流坝位移的有限元计算

为验证上述分析,对溢流坝主河槽部位7号坝段进行了三维有限元计算。计算模型网格见图1-1-49。单元数21948,节点数25183。坝体的前后各取约1倍坝高,地基深度亦取约1倍坝高。坝体及地基均假定为线弹性材料,其材料特性参数分别为:混凝土弹模Ec=26GPa,灌浆帷幕弹模EG=20GPa,混凝土泊松比μ=0.167,地基泊松比μ=0.25,地基弹模Er取几组进行分析。

假定上游水位不变(取多年平均库水位154.43m),下游水位分别取历年平均高水位147.57m和历年平均低水位123.66m,计算了几组不同地基弹模下的水压位移,结果见表1-1-18[22]。

上述计算结果显示了水压作用下坝顶水平位移的变化。可看出,当地基弹模增大时,下游水位升高引起的坝体向下游位移变幅减小。可以证明,当下游水位升高时,坝顶水平位移增量是指向下游的。因地基软弱,泄洪季节下游水位的垂直分量使坝体和基础下沉,水重引起的坝基压缩变形大于水平水压力的影响,由于坝踵处经过帷幕固结灌浆等处理,上下游基础的刚度可能有一定差别,从而产生不均匀沉陷,基础向下游倾斜,其量值大于大坝本身变形产生的位移量,表现为坝顶向下游移动。在方案3中,若降低帷幕弹模,取5.0GPa计算,在下游水位为147.57m的情况下,坝顶向下游位移量由2.71mm减小至2.12mm,说明上下游基础刚度的差别对坝基转动量确有影响。有地质资料[23]显示,大化地基变形模量在2.7～5.0GPa之间,确实较低,有限元成果在一定程度上对该量级作出了验证。

(五)对大化水平位移异常规律的认识过程

大化电站投入运行已近20年,人们在认识大坝水平位移规律性的过程中,经历了一些曲折,有其客观因素。作者认为主要有下面几点:

(1)枢纽建筑物的工况比较复杂,由于下游水位很高,变幅又大,它对厂房坝段和溢流坝段的影响有显著区别,致使两种坝段位移的规律性各异,这种情况相当罕见。

(2)坝顶位移的变幅比较小,其多年平均年变幅仅为3～4mm,人工观测受精度限制,难以清晰区别其中不同的规律性。

(3)早期的自动化观测系统存在一些问题。主要是在溢流坝顶的引张线系统,1996—2001年间引张线系统工作不正常,虽然它的规律性也是夏季向下游,冬季向上游,但测值变幅明显偏小,年变幅只有1mm左右,因此其绝对值形态被两端点垂线的规律性所掩盖。这两条垂线所在的1号坝段1号泄洪孔右边墩和12号坝段13号泄洪孔左边墩离主河槽较远,受下游水压力的影响相对较小。2002年度电厂对仪器维修后测值才恢复正常。图1-1-50为EX210测点维修前后的中间成果过程线。2006年以后的人工观测资料与自动化资料相符,具有相同规律性。它们在冬春季节变化极小,只有在泄洪时才急剧向下游移动,这是下游水压的影响所致。

(4)引张线右端点PL2即1号坝段右边墩的垂线,早期稳定性稍差,粗差较多,也影响了溢流坝引张线的测值。2006年改造后有改善,但在个别年度廊道潮湿季节中粗差仍然较多。不过因为测次很密,2006—2011年度的资料和2002年、2003年资料可相互对照,基本均属可信,都可以作为判断大坝工作性态的依据。

参考文献

[1]SHEN Hui,WANG Zhiyuan,PAN Lin.Study on Horizontal Displacement of Concrete Dam Based on Prototype Observation[C].ICOLD2013,2013.8.

[2]《混凝土大坝安全监测技术规范》编制组.混凝土大坝安全监测技术规范(试行)(SDJ 336—89)[S].北京:中国水利水电出版社,1989.

[3]国家电力公司大坝安全监察中心.混凝土大坝安全监测技术规范(DL/T 5178—2003)[S].北京:中国电力出版社,2003.

[4]国家电力公司华东勘测设计研究院.混凝土重力坝设计规范(DL 5108—1999)[S].北京:中国电力出版社,2000.

[5]国电自动化研究院大坝及工程监测研究所.富春江大坝第三次安全定期检查大坝监测资料分析报告[R].南京:国电自动化研究院大坝及工程监测研究所,2005.

[6]国家电力监管委员会大坝安全监察中心.柘溪水电站大坝安全监测资料分析报告[R].杭州:国家电力监管委员会大坝安全监察中心,2010.

[7]浙江省水利厅水管处,南京大坝观测资料分析中心,浙江省里石门水库管理局.浙江省里石门拱坝观测资料分析总结(1974—1982)[R].杭州:浙江省水利厅,1984.

[8]王志远,汤倩高,钟再相.浙江里石门拱坝蓄水后的结构性态分析.水力发电[J].1987(8).

[9]浙江省水利水电勘测设计院.里石门水库拱坝裂缝原因分析及设计的一点体会[R].杭州:浙江省水利水电勘测设计院,1980.

[10]水电部南京大坝观测资料分析中心,湖南省柘溪水电站.柘溪大坝观测资料分析报告[R].南京:水电部南京大坝观测资料分析中心,1987.

[11]国网南京电力自动化研究院,乌江渡电厂.乌江渡大坝第三次安全定期检查监测资料分析报告[R].南京:国网南京电力自动化研究院,2007.

[12]能源部大坝观测资料分析中心,吉林省云峰发电厂.云峰发电厂观测资料分析报告(1961—1988)[R].南京:能源部大坝观测资料分析中心,1991.

[13]水利部丹江口水利枢纽管理局.丹江口水利枢纽大坝安全监测系统及资料分析[M].北京:中国水利水电出版社,1997.

[14]宋恩来,路振刚,金灿镐.云峰大坝变形增大原因分析[J].大坝观测与土工测试,1997(6).

[15]居龙滩水电厂.坝顶位移观测资料(2006-12～2008-8)[R].2008.

[16]水利电力部青铜峡水利工程局.黄河青铜峡水利枢纽工程施工技术总结[R].青铜峡:水利电力部青铜峡水利工程局,1975.

[17]河海大学,黄河水电公司宁电分公司.青铜峡水电站大坝监测资料分析与结构正反分析报告[R].南京:河海大学,2007.

[18]能源部南京大坝观测资料分析中心,宁夏回族自治区青铜峡水力发电厂.青铜峡水电站观测资料延长期补充分析报告(1984—1989年)[R].南京:能源部大坝观测资料分析中心,1990.

[19]水利部长江水利委员会.汉江丹江口水利枢纽初期工程设计总结(上册)[R].武汉:水利部长江水利委员会,1993.

[20]杨立新,王志远,吴惠芳,等.丹江口混凝土坝实测温度变化及对坝体性态影响[J].大坝观测及土工测试,1997(2).

[21]电力工业部电力自动化研究院.结合温度场研究渗流、裂缝及变形的规律性[R].南京:电力工业部电力自动化研究院,1996.

[22]沈慧,王志远,黄武春.大化水电站溢流坝段水平位移异常规律研究[J].水利水电科技进展.2012,32(6).

[23]刘观标,潘琳.大化水电站大坝原型观测资料分析总报告[R].南京:能源部南京自动化研究所,1993.