溪洛渡特高拱坝初期蓄水期监测反馈分析.pdf

水电站设计第30卷第2期DHPS2014年6月溪洛渡特高拱坝初期蓄水期监测反馈分析张冲一，尹华安(1．中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都6100722．国家能源水电工程技术研发中心混凝土坝分中心，四川成都610072)摘要：基于溪洛渡拱坝初期蓄水阶段各类原型监测成果，利用数值反馈分析方法，通过整合集成综合分析、数值模型反馈分析以及定性、定量数值判断，建立了一整套特高拱坝监测反馈分析方法，完成了对溪洛渡初期蓄水期大坝安全状态评估，并预测了后期蓄水大坝的受力变形特性。文章首先系统梳理分析大坝监测成果并进行归纳总结，初步评价了大坝的运行状态，建立若干监测反馈分析目标；其次，运用数值仿真实验，通过反演正分析使数值分析成果逼近原型监测成果，进而分析大坝受力变形特性的机理；最后，利用数值模型对大坝后期蓄水过程及运行状态进行预测评估。分析表明：建设期大坝根据浇筑形象面貌及封拱灌浆面貌分阶段完成自重时空受力变形状态分布，符合大坝常规变形特征；初期蓄水期拱坝整体向下游和两岸山体方向变形，河床坝段径向位移大于岸坡坝段，对称性较好；坝基受力变形稳定，坝肩推力在坝基内扩散明显，符合力学规律，处于可控状态；后期蓄水预测受力变形规律良好。综合分析认为，溪洛渡拱坝蓄水过程安全可靠。关键词：特高拱坝；监测反馈；数值仿真；安全评价中图分类号：TV698．1文献标志码：A文章编号：1003—9805(2014)02—0007—06大坝高285．5m，坝顶高程610m，居世界特高拱坝之1概述列。坝身有10个导流底孔、7个泄洪表孔、8个深孔，坝身开孔较多，大坝结构较为复杂。拱坝以结构轻巧、线条光滑、体形优美、自适应坝址河谷呈对称的窄“u”型，河道顺直，岸坡陡能力强和超载安全系数大而著称。在坝址和坝高相峻，基岩裸露，河床覆盖层较浅，坝址区两岸谷肩及同的条件下，拱坝体积仅为重力坝的1／2～1／5。坝河床出露基岩均为二迭系上统峨眉山玄武岩，主要越高，拱坝的优势也就越明显¨J。我国是目前世由12个玄武岩岩流层组成，总厚度490～520m，岩界上修建特高拱坝最多的国家，如建成的二滩(坝层以4。～6。倾角缓倾下游偏左岸。建基岩体风化高240m)、小湾(坝高295．5m)、拉西瓦(坝高卸荷较弱，区内断层不发育，典型的构造主要表现为251m)、在建的溪洛渡(坝高285．5m)、锦屏I级(坝岩流层层间和层内的构造错动带和节理裂隙系统。高305m)、拟建的白鹤滩(坝高279m)、乌东德(坝坝址区具备修建300m级高混凝土拱坝的地形地质高277m)等。然而我国大量特高拱坝工程均处于条件。试运行期、建设期和规划期，缺乏足够监测资料实际溪洛渡拱坝坝身主要监测内容包括：坝体变位论证特高拱坝的受力变形特性。溪洛渡拱坝是我国监测、坝基变位监测、渗流渗压监测、坝体横缝监测、装机规模最大的特高拱坝工程，目前已经进入初期坝基接缝监测、温度观测、坝体应力应变观测、拱端蓄水阶段，由于前期对监测工作的重视，获得了大量压应力、上下游水位、气温、降雨环境量观测等，本文监测成果资料，从而可以有效地开展监测反馈分析，根据监测反馈分析的需要，主要以坝体坝基变位监综合论证大坝的实际安全状态，预测后期蓄水过程测进行反馈及预警分析，包括5、10、15、22、27坝段中大坝的变形状况，指导实际蓄水过程，同时为其他的垂线系统、347．00m高程、395．00m高程、470．00m特高拱坝监测运行提供参考。高程、527．00m高程、563m高程廊道水准监测系统、溪洛渡水电站位于四川和云南交界的金沙江溪坝后桥观测墩标及坝基多点位移计等。各仪器的布洛渡峡谷河段挡，水建筑物采用混凝土双曲拱坝，最设位置如图1所示。收稿日期：2Ol3—12—12作者简介：张冲(1978一)，男，江苏海门人，博士后，从事水工结构设计、分析和研究工作。7 本文主要围绕溪洛渡特高拱坝初期蓄水阶段的当，如图2所示。变形受力特征展开讨论和分析。首先，基于原型监测成果，运用测值过程线图、空间分布图、特征值统计等分析归纳大坝的变形特征，建立若干监测反馈目标。其次建立有限元数值模型，通过监测反演分析，探索当前状态大坝及基础材料力学参数和空间展布，对数值仿真模型进行修正。再次，利用修正模图2坝体470m高程廊道垂直位移分布示意型，通过现场实测数据与数值试验成果的综合对比，综合评判当前变形受力状态，并对将来蓄水运行过大坝水平位移是反映拱坝受力特征最有效的标程作出预测分析和安全评价，以期为蓄水决策提供志，通常而言，可以分为三个阶段：技术支撑(1)大坝浇筑期，在自重作用下，由于倒悬作用，大坝整体往上游变形，大坝径向位移呈对称分2蓄水监测及反馈目标设定布，指向上游，陡坡坝段往河谷方向变形，边坝段切向位移大于中间坝段，且基本反对称；大坝各高程廊道沉降变位监测系统是投入较早(2)初期蓄水阶段，自重作用下大坝往上游、往的大坝位移监测系统，伴随大坝的浇筑及封拱过程，河谷方向的变位在大坝水荷载作用下逐渐减弱，至陆续获得各个时段大坝沉降变形资料。从定性角度某特征水位，大坝自重产生的水平位移和大坝受库分析，大坝沉降变形通常分为3个阶段：水作用产生的水平位移基本抵消，大坝整个水平位移系统接近0值；_上嘲][3r~lr[][][]lI(3)后期蓄水阶段，随着水位的进一步抬升，水；丝瞳【一l7／=：一一一——一f，=：。譬：=荷载成为大坝水平变形的主要决定性因素，这时大T啦口——口口口口口口一——一一[7＼_————_—_I_————一===．：=：=：=¨。一坝水平位移指向下游，指向山里，拱冠梁处径向位移口口口口口D时7／最大，且基本对称分布，两岸四分之一拱圈处切向位＼／移最大，且基本反对称分布，至最高水位时，该水平315，25’25237．850919m23725变位系统亦达到最大值。第(2)(3)阶段的切换，通常没有一个明确的特征水位，而变现为一个较为宽图1大坝位移监测系统泛的水位区间。(1)大坝浇筑阶段，这一阶段的显著特点是，各溪洛渡大坝水平位移主要依赖于大坝垂线系高层廊道在自重等荷载作用下均发生垂直往下的变统，但大坝垂线系统受制于大坝浇筑进度影响，投入形，且下部高程廊道沉降变位大于上部高程廊道；运行时间较晚，只能反映第三阶段变形，2013年4(2)初期蓄水阶段，该阶段随着水位抬升，库水月，563．25m高程以下的各坝段垂线系统全部投入对于大坝库盆的作用效应大于对于大坝的作用效使用，当时水位约440．OOm。本文以该时段为监测应，各高程廊道沉降变位继续增加；反馈初值，后期随水位继续上涨，当水位到达(3)后期蓄水阶段，该阶段大坝受库水影响的500．Om高程，15号坝段395．25m高程垂线系统获特性逐步显现，底部高程廊道在拱坝梁向应力作用得最大径向变位5．44mm；当水位达到540．Om高下继续垂直往下变形，但上部高程廊道在大坝梁向程，15号坝段470．25m高程垂线系统获得最大径向应力作用下出现了抬升变形。变位17．57mm。15号坝段各垂线径向位移分布如根据各廊道监测初值获取时间，以及大坝施工图3所示，图中显示，大坝径向变位与水位上升关系浇筑面貌，以大坝廊道沉降变形稳定后的增量作为良好，其他各坝段垂线系统均小于15号坝段。监测反馈目标，以470m高程廊道为例，2011年末至监测数据显示，大坝切向变位基本呈现出反对2012年末，廊道沉降与大坝浇筑进度基本呈线性关称的变形特征，但右岸部分切向变形量略大于左岸系，故选取该时段沉降位移增量作为监测反馈目标，部分，图4、图5给出了563m高程、470m高程拱圈监测显示，2012年度沉降量达13mm。初期蓄水至切向变位，以上游水位从439m升至540m高程、540m过程的沉降变位可作为监测反馈复核。监测563m高程廊道切向位移增量分布为例，反对称变形显示，水位超过500m后，大坝中下部高程沉降变形基本显现，左岸最大切向位移约2mm，而右岸最大基本停滞，540m水位与500m水位沉降变形基本相切向位移接近5mm。8 溪洛渡垂线系统由于投入运行时间较晚，故无以A区混凝土试验资料为例，试验显示混凝土法完整反映大坝从自重状态到挡水状态完整的变形弹性模量受两类因素影响，一类是混凝土强度增过程。长带来的混凝土弹性模量增长，两者之间呈正相关。统计资料显示，只考虑该因2素，2其弹模E与龄期．-B-~soom6．O0．D(天)的关系大致如下，其相∞关性在0．9以上：+水位5404．00．E=6．131911n(D)+15．0060—．__一＼、、：：!一．～拍"～975～．另一类因素是大坝混凝土的徐变效应，随着龄期的增长，其徐变效应逐渐显现，导致大坝混凝土弹O4模降低。根据～实～验资～料显示，溪洛渡大坝区混凝土一坐—标／mQ=O06的徐变可用如下统计公式表示：O图11563．25m高程廊道径向变位分布示意c(t，r)=(7．2057+53．1399r—“『1一e—础(一)“]如结合大坝混凝土受力状态，在3年龄期附近，其3．3材料参数评价根据监测反馈目标，综合反馈后的材料参数如徐变导致的大坝混凝土弹模损失铝一般不超过20％，因此，当前阶段，溪洛渡大坝混凝土的实际弹性模量表2所示。468表2坝基岩体材料参数约在45～50GPa之间。本文实际反演参数大致反映了当前阶段混凝土的实际弹性模量状态。综上所述，反馈分析显示的基础变形模量客观反映了溪洛渡坝址区地质基本特点，与设计建议参数基本一致，略有提升，说明现场坝基岩体的固结灌I2．85O．2O浆具有一定的效果，能改善大坝基础的刚度以及其36l7Ⅱ2．850．2O整体性。大坝混凝土反演弹模在48GPa左右，客观ⅢⅢ，2．850．252O14Ⅲ，2．75O．281512反映了当前大坝混凝土弹模受强度增长和徐变同时错动带作用的影响效应，反演的弹模值基本是合理的，符合2．60O．3O66(灌浆)大坝工程特点的一般性认识。错动带当然。需要说明的是，任何模型的反演参数均与(未灌浆)混凝土模型及方法本身有一定关系，本文反演的参数并不溪洛渡坝基由12层玄武岩岩流层组成，基本水一定适用于其他的分析模型。平，略倾左岸和下游，且整个坝址区除了层间层内错动带外，其他结构弱面不发育，因此溪洛渡基础岩体4大坝蓄水安全预测评价呈现出明显的水平变模大于垂直变模的特点。具体到各岩级而言，本文反演的I、Ⅱ类岩体基本位于设溪洛渡蓄水规划方案显示，今年8月份，溪洛渡计建议的I、Ⅱ类岩体参数之间，两者基本一致。将大致蓄水至560m高程。Ⅲ，、Ⅲ类岩体主要位于建基面上，其受固结灌浆影从前文图8～10的相关成果看，随着水位继续增响，实际参数较设计参数略大，且越差的岩体，固结长，径向位移继续增加，当蓄水至560m高程时，预计灌浆对变形参数的提升效应越明显。层间层内错动径向位移达20—26mm(以440m水位为初值的增量带需要明确区分固结灌浆范围内的结构弱面和超出值)，最大位移作用点缓慢上抬至490m高程附近；切固结灌浆范围的结构弱面，超出范围的部分参数与向继续保持反对称分布，最大值缓慢增长，以563m设计参数基本接近，而固结灌浆范围内的层问层内高程拱圈为例，预计达6mm左右，但需要说明的是，错动带参数提升效应极为明显J。综上所述，本次当前垂线系统切向位移监测数据变化较为迟滞，左岸溪洛渡反馈分析给出的大坝基岩材料参数与设计给始终在0值附近摆动，需要进一步查明原因。出的建议值基本一致，且规律性良好，较好反映了溪从竖向位移看，随着水位增加，347m高程拱圈洛渡地质构造的特点。沉降变位基本稳定，395m高程、470m高程拱圈沉降对于大坝混凝土，设计给出的建议值是考虑了变形会在原有沉降变位的基础上略有缩小，预计大坝长久运行，受徐变效应影响后的稳定模量，而当470m高程拱圈沉降变位将维持在15～20ram之间，前溪洛渡大坝混凝土龄期普遍在3年附近，混凝土如图12所示。在水压作用下，上部高程拱圈将出现实际弹模较高。往上的变形。11 间距在30～50m范围内变化时，地铁基坑坑底隆起化时，变化幅度明显减小。可以认为已成建筑基坑量随其变化幅度逐渐减小。对地铁基坑开挖变形的影响范围为30m左右，由于地铁基坑的开挖深度为15．4m，因此，影响范围约为2倍的基坑开挖深度。参考文献：谢秀栋，刘国彬，李志高等．邻近运营地铁车站基坑开挖土层位移特性分析[J]．地下空间与工程学报，2007，3(4)：742—744．[2]曾远，李志高，王毅斌．基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究[J]．地下空间与工程学报，2005，1(4)：642—645．图9坑底隆起量与基坑间距关系曲线LjjMichaelLong．DatabaseforRetainingWallandGroundMove—mentsduetoDeepExcavation[J]．JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering，2001，vo1．127：203—224．4结论[4]陈东杰．上海铁路南站相邻基坑开挖变形影响研究[J]．建筑科学，2005，21(6)：59—63．(1)随着基坑间距的增加，地铁基坑近端、远端[5]徐干成，郑颖人．岩土工程中屈服准则应用的研究[J]．岩土围护壁侧向变形均逐渐减小，基坑间距较小时，地铁工程学报，1990，12(2)：93—99．基坑近端围护壁侧向变形大于远端侧向变形，基坑[6]姚燕明，周顺华，孙巍等．支撑刚度及预加轴力对基坑变形和间距的变化对近端围护壁的侧向变形影响较大，至内力的影响[J]．地下空间2003，23(4)：401—404．[7]强健．深大基坑施工对邻接地铁工程的影响分析[J]．地下空间距为50m时，地铁基坑近端、远端围护壁侧向变间与工程学报，2010，6(增1)：1432—1437．形趋于相等；[8]张朝晖．ANSYS11．0有限元分析理论与工程应用[M]．北京：(2)随着基坑间距的减小，地铁基坑坑底隆起电子工业出版社，2008．量逐渐减小，相邻基坑开挖卸载，可以减小地铁基坑[9]郑颖人，赵尚毅，邓卫东．岩质边坡破坏机制有限元数值模拟坑底的隆起量，但基坑间距对坑底隆起量的影响比分析[J]．岩石力学与工程学报，2003，22(12)：1943—1952．[10]郑颖人，赵尚毅．有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用对基坑围护壁侧向变形的影响要小一些；[J]．岩石力学与工程学报，2004，23(19)：3381—3388．(3)基坑间距在10～30m范围内变化时，地铁陈星，王乐华，王瑞红．三种大型软件在边坡开挖中的应用分基坑近端围护壁侧向变形和坑底隆起量与基坑间距析[J]水电能源科学，2009，27(6)：】55—156，均大致成线性关系，基坑间距在3O～50m范围内变(上接第12页)(4)整个蓄水过程，大坝基础变位、廊道沉降、吴中如．水工建筑物安全监控理论及其应用[M]．北京：高等教育出版社，2003．大坝径向位移均正常连续变化，没有出现位移突变胡波，刘观标，吴中如，基于原型监测的小湾特高拱坝首蓄期的迹象；蓄水至560m高程时，大坝顺河向位移最大坝基变形特性分析[J]．水电自动化与大坝监测，2012，36(5)：值为20～26mm，往下游，与设计运行工况基本一14～20．致；大坝上下游应力分布正常，应力量值变化正常，张冲，侯艳丽，金锋，王光纶，张楚汉，拱坝一坝肩三维可变形未见应力恶化区域，应力分布规律整体符合大坝常离散元整体稳定分析[J]．岩石力学与工程学报，2006，25(6)：1226—1232．规受力规律；两岸基础变形稳定，拉压应力量值均比张冲，金锋，徐艳杰．拱坝一坝肩整体动力稳定分析方法研究较小。综合判断，初期蓄水阶段，大坝逐步蓄水至[J]．水力发电学报，2007，26(2)：27—36．560m高程是安全的。金峰，胡卫，张楚汉，王进廷，基于工程类比的小湾拱坝安全评价[J]．岩石力学与工程学报，2008，27(10)：2027—2033．参考文献：王仁坤，特高拱坝建基面嵌深优化设计分析与评价，清华大学Internationalcommissiononlargedams(ICOLD)，Damsandthe博士论文[D]．2007．wofld~water[M]．France，2009．朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制[M]．北京：中国[2]潘家铮，何瑕．中国大坝50年[M]．北京：中国水利水电出版电力出版社，1999．社，2000．25