大坝蓄水后近坝山体抬升现象研究_王晓光.pdf

2023 年第 2 期水利技术监督理论研究DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.041大坝蓄水后近坝山体抬升现象研究王晓光(辽宁省盘锦市双台子区农业发展服务中心，辽宁 盘锦 124000)摘要:以某大坝工程为研究对象，通过分析大坝位移监测资料，基于回弹扩容机制分析大坝发生位移的原因，同时对大坝的安全性进行预测。研究表明，现阶段大坝竖向抬升还未完全停止，但是竖向位移速率较蓄水初始时期更慢，大坝整体形变基本保持稳定。基于廊道以及坝顶位移变化因子分析结果表明，水库水位变化导致大坝变形主要发生于水位上升时期，水位线保持不变后，影响大坝位移的因素为时间、温度，进一步证实了孔隙水压增大导致引发岩层扩容抬升机制的合理性。大坝位移、裂缝开合度、渗压、渗流场的监测数据表明，大坝抬升并未危及大坝的安全，不影响水库大坝的安全使用。关键词:蓄水大坝;位移监测;垂向抬升;因子分析中图分类号:TV698.1文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0156-05收稿日期:2022-10-14作者简介:王晓光(1976 年)，男，工程师。E-mail:某大坝蓄水后监测资料显示大坝、坝区山体均发生了竖向抬升。大坝发生抬升现象较为罕见，自发现大坝抬升，便逐渐开展对大坝抬升的研究1-2。相关研究结论主要认为水位上升导致承压热含水层水头升高，不仅会引起上覆隔水层扬压力增大，更会导致含水层有效应力降低，使得含水层卸荷回弹扩容，成为导致大坝抬升的主要影响机制3。本研究基于上述理论，通过分析大坝位移监测资料4，基于回弹扩容机制分析大坝发生位移的原因，同时对大坝的安全性进行预测。1工程概况某大坝地处 U 形峡谷，峡谷宽 70 95m，左右岸顶标高为 700 800m，大坝左岸边坡坡度平均值为 43，右岸边坡坡度平均值为 52，大坝两侧地形基本一致，呈对称分布。大坝基岩为二叠纪石灰岩，大坝上游分布有砂岩、粉砂岩等，大坝下游分布有灰岩、页岩、白云质灰岩等。大坝岩层倾角范围为 35 45，未见断层分布，坝体两侧边坡可见大面积基岩，边坡稳定性较好，持力层为二叠纪石灰岩，持力层岩石力学性质较好，强度满足设计要求5-6。坝址地质条件与水文地质条件特点如下。(1)大坝所在区域地层含隔水层彼此间隔分布。(2)由于含隔水层间隔存在，故而各层含水层水力联系较少，独立性较好，地下水渗流通道主要为岩层发育的岩溶裂隙。(3)该蓄水大坝独有的地质现象有:坝基下部为向下游倾斜、透水性好的 D2y 石英砂岩层，该层含水层为承压热含水层。承压热水含水层(D2y)所在地层位于江垭向斜下部，于向斜核部最大埋深1800m。地下承压热水水渗径长度约为 20 25km，出露平均高程为 127m。2位移监测资料2.1监测点布设自大坝发生竖向位移以来，大坝相关位移监测设备逐渐完备。目前关于大坝相关监测系统有:大坝竖向位移监测系统、山体竖向位移监测系统、地下水流场监测系统。分别在坝顶、廊道、大坝两岸山体设置监测网，监测网在大坝下游设 2 个工作基点和 1 个校核基点，监测网定期联测国家水准点。直至 2020 年 1 月，该大坝的廊道、坝顶各自测了56、51 次。2.2位移监测结果2.2.1坝体抬升位移大坝廊道内设7 个位移监测点(1 7)。为整体分析大坝 20a 内抬升情况，以 10a 为一阶段，选取651理论研究水利技术监督2023 年第 2 期7 个监测点位移，大坝廊道位移数据分析结果见表1，如图 1 所示。表 120a 内竖向位移分析结果单位:cm测点当前位移20002010 年20102020 年相对比/%13.932.290.0261123.982.300.0251134.122.380.0241044.172.400.021954.262.450.021964.182.460.01474.132.460.014图 1廊道竖向位移典型过程线根据廊道位移统计结果与竖向位移典型过程线可知，廊道抬升变化特征如下。(1)廊道竖向位移趋势表现为连续上升，且上升速度逐渐减少，但未趋于 0。20102020 年位移变化量是 20002010 年间位移变化量的4%11%，由此可以得出近10a 来，大坝廊道竖向位移量已大幅度减少。(2)廊道竖向位移与水库水位呈正相关关系，大坝竖向位移逐渐上升时间段内，廊道竖向抬升与水库水位线同步变化。水库水位不变后，其他影响因素对大坝廊道位移变化影响逐渐突出。(3)大坝廊道中心测点位移较大，两端测点位移较小，说明廊道中间部位位移变化最为明显。大坝抬升现象被发现以来，在坝顶设置位移监测系统，共 12 个监测点。整理坝顶位移监测数据得到坝顶竖向位移统计结果与过程曲线，见表 2，如图 2 所示。由表 2 和图 2 可知，温度影响坝顶位移更明显，故坝顶位移比廊道位移更明显，与廊道位移变化趋势相同，坝顶竖向位移量逐渐降低，表明大坝整体都发生竖向位移。表 2坝顶竖向位移统计结果单位:cm测点201919992009 年20092019 年相对比/%B11.871.520.2718B22.251.770.3621B32.441.950.2915B42.392.030.189B52.261.850.1910B62.261.930.116B72.231.870.137B82.252.420.021B92.281.990.084B102.231.940.116B112.011.770.148B121.751.620.107图 2坝顶竖向位移典型过程线为了解坝区竖向位移变化情况，在大坝左右两岸、坝肩、坝趾布置 34 个监测点，根据各监测点数据，发现大坝两侧竖向位移变化趋势保持一致，左岸山体监测点的竖向位移如图 3 所示。两岸山体竖向位移变化幅度较大，这与水位、水温均相关，竖向位移变化量逐渐降低，但并未完全停止。左右岸山体竖向抬升量波动与水库水位以及温度相关性较高，竖向位移持续变化、且速率逐渐减小但并未趋近于 0。两岸山体竖向位移抬升规律:坝体、河流近处竖向位移量较大，坝体、河流远处竖向位移量较小，说明大坝附近山体竖向位移变化与蓄水大坝抬升保持一定的同步性。2.2.2其他监测情况除位移监测外，还开展了其他监测项目，所得7512023 年第 2 期水利技术监督理论研究图 3大坝左岸竖向位移过程线成果如下。(1)接缝开合度与温度相关性较高，接缝开合度与温度具有一定的相关性，呈周期性变化，开合度位移变化较小。大坝接缝处开合度变化较为均匀，且已逐渐稳定。(2)坝体渗压与时间相关性较高，渗压水位的变化规律呈现出随时间推进逐渐减小，且变化速率也逐渐减小，高程一定情况下，大坝下游渗压水位较上游更小，所有监测点渗压水位规律保持一致。(3)沿轴线坝基渗压水位无一般规律。坝基测压管、渗压水位呈周期性变化，坝基防渗以及排水效果较好，坝体和坝基总体地下水渗流量偏小，稳定时与水库蓄水情况有关，地下水流量整体上趋势呈逐渐减小。3坝体抬升成因分析3.1模型构建混凝土重力坝受温度、水压等因素作用，大坝任意位置的位移，均可分解为 3 个分量，即水压位移分量h、温度位移分量T、时效位移分量t，其公式可表示为:=h+T+t(1)3.1.1水压位移分量受水荷载作用，大坝任意位置发生的位移形变可分为坝体本身位移、坝基面变形导致的位移、水自身重力导致的位移。基于坝工理论，水荷载导致的变形 h与水位 hi(i=1，2m，m 为幂次数)关系表现为线性相关，其公式可表达为:h=mi=1aihi(2)根据大坝形状选取不同幂次数 m，该大坝为混凝土重力坝，幂次数 m 可取值为 3，竖向位移基准值取值为当天水库蓄水位。3.1.2温度位移分量坝体以及坝基温度导致的位移组成了温度位移分量 T。基于弹性理论，蓄水大坝任意位置位移 T和各监测点温度变化值线性相关，当温度计数量足够多时，可将各测点温度计值定为温度分量因子，其公式表达式为:T=ni=1ciTi(3)式中，ci系数;Ti第 i 支温度计的温度变化值;n温度监测点个数。该大坝内部、坝基处、近坝处均设置有温度监测点，考虑到部分温度监测点的温度计已发生损坏，本次建模在大坝各个部位选取1 支数据完整的温度样本值。3.1.3时效位移分量水压位移分量和温度位移分量造成大坝发生弹性位移，大坝除发生弹性位移外，还将产生时效位移，时效位移是随荷载和时间发生变化的位移，混凝土重力坝时效模型为:t=f1t+f2lnt(4)式中，f1、f2系数;t时间，d。实际上任意时间大坝承受的荷载都有所不同，大坝在不断发生卸荷和蠕变。故而，大坝承受各种变化荷载，补充时效位移后公式可转化为:t=mi=1f1sin2it365+f2sin2it()365+k1t+k2lnt(5)式中，f1、f2系数;m 取值范围为 1 2，本次分析 m 值取 2。3.2因子分析选择廊道、坝顶位移监测点做非线性回归分析，结果见表 3。回归拟合曲线如图 45 所示。由表 3 和图 45 可知，回归拟合效果较好，相关系数都 高 于 0.95，说 明 建 模 结 果 较 为 合 理有效。利用主成分分析法对坝顶和廊道位移监测点进行主成分分析，分析结果见表 4。经检验，各监测点的显著度均小于 0.05，说明各变量之间联系较为紧密，可进行因子分析。各因子与主成分关系越紧密，其在主成分上占比越大。由此可知，温度位移分量、时效位移分量851理论研究水利技术监督2023 年第 2 期表 3坝顶、廊道竖向位移回归结果测点项目B1B3B7B121456a10.0030.0430.0850.0420.1020.2350.2370.201a20.0020.0030.0020.00200.0020.0020.003a300000000c10.0650.0850.0670.0840.0720.0850.0870.083c20.6880.7430.7881.2230.8950.8570.8820.783c30.0110.0310.0230.0520.0320.0540.0340.024k100000.0010.0020.0020.003k22.5783.1522.9132.43110.12210.83310.88210.154f10.0070.7831.0080.3021.1041.4231.3441.344f20.6470.7120.4520.8521.2041.5291.4321.283f30.0650.0470.0630.0290.2330.1930.2030.205f40.1570.1070.1870.1110.0740.0330.0380.012m8.1137.96311.56223.27523.60529.44628.02925.6570.9620.9710.9520.9550.9730.9640.9660.973图 4坝顶竖向位移模型拟合曲线图 5廊道竖向位移模型拟合曲线表 4坝顶、廊道因子分析结果测点项目B1B3B7B12156KMO0.5170.4930.4970.4980.4910.5040.503Bartlett 检验0000000特征值1.8331.8161.8711.8321.8301.5512.444水压分量成分值0.3430.1330.1170.1250.1860.2880.788温度分量成分值0.9280.9520.9640.9550.8720.8440.928时效分量成分值0.9220.9450.9630.9520.8890.8670.977与主成分联系度比较大，水压位移分量与主成分联系度较低。由大坝廊道竖向位移变化曲线可知，大坝抬升主要时间在 20152017 年间，抬升过程中，竖向9512023 年第 2 期水利技术监督理论研究位移量与水库水位变化趋势保持一致，大幅度抬升后，竖向位移量与水库水位变化同步性降低。由此推测，水库水位使得大坝竖向抬升的变形主要在水位线上升过程中发生，水位线基本稳定后，坝体竖向抬升为蠕变，水荷载趋于稳定后，温度成为大坝变形的主要影响因素，这一点与其他学者5 的研究结果相符合。