水庫蓄水速度與大壩安全的關系研究

水庫蓄水速度與大壩安全的關系研究

0壩體裂縫和縱向裂縫根據(jù)國內(nèi)外一些心墻水庫工程的運行情況，水庫的快速蓄水可能會對水庫的安全產(chǎn)生一些負面影響，并造成一些安全事故。例如,美國Cougar心墻堆石壩,最大壩高159m,壩體填筑完成后,水庫在7個月內(nèi)迅速蓄水到最高蓄水位,在接下來的兩年內(nèi),庫水位季節(jié)性變動40～70m,由于壩頂上下游側(cè)位移和沉降的不一致,導致了壩體橫向裂縫和縱向裂縫的產(chǎn)生。奧地利Gepatsch心墻堆石壩,最大壩高153m,初蓄完成后出現(xiàn)壩殼濕陷變形較大、心墻拱效應強烈、壩頂有嚴重的縱向裂縫等問題。墨西哥Infiernillo心墻堆石壩,最大壩高148m,在壩體填筑結(jié)束后半年內(nèi)即快速蓄水至距離最高水位1m,導致壩體填筑結(jié)束后的3～6年時間內(nèi),壩頂沉降速度和朝向下游位移的速度一直在增加。糯扎渡心墻堆石壩最大壩高261.5m,在已建和在建的同類壩型中居國內(nèi)第一、世界第三。電站2011年11月開始蓄水,根據(jù)首臺機組調(diào)試和發(fā)電的要求,水庫需在2012年6月20日前蓄至滿足機組調(diào)試要求的水位760.00m。由于初蓄前期低高程水庫容積相對較小、汛期洪水較大等原因,部分時段庫水位提高速度可能較快。因此,為保證大壩在初蓄期的安全,需對蓄水速度對大壩安全的影響進行深入研究。依托糯扎渡心墻堆石壩工程,通過數(shù)值計算分析,從多個方面研究了水庫初次蓄水時大壩的安全特性,并提出了蓄水速度建議范圍。1心墻與壩殼堆石壩水位糯扎渡水電站位于云南省思茅市境內(nèi),是瀾滄江下游的水電核心工程。電站水庫總庫容237×108m3,裝機容量為5850MW。壩體基本剖面為中央直立心墻形式,心墻料采用天然土料摻加35%人工碎石的摻礫料。為保護心墻土料,在心墻上、下游各設置了Ⅰ、Ⅱ兩層反濾,上游Ⅰ、Ⅱ兩反濾層的寬度均為4m,下游Ⅰ、Ⅱ兩反濾層的寬度均為6m。為協(xié)調(diào)心墻與壩殼堆石體變形,在反濾層與堆石料間設置10m寬的細堆石過渡料區(qū)。壩頂寬度為18m,上游壩坡坡度為1∶1.9,下游壩坡坡度為1∶1.8。心墻堆石壩最大橫剖面如圖1所示。工程于2004年4月開始籌建工作,2007年11月截流,2011年11月開始下閘蓄水,2012年7月首臺(批)機組投產(chǎn)發(fā)電。根據(jù)施工計劃,2011年汛前,心墻填筑高程應達到745.00m;2011年汛期,上下游堆石填筑至760.00m高程;2011年底,心墻頂填筑高程達到765.00m;2012年5月31日前,壩體填筑高程全面達到802.00m;2012年底前,壩體填筑完成。根據(jù)設計要求,以豐水年來水保證率15%情況下的蓄水過程為蓄水基本工況,相應的水庫初期蓄水水位過程如表1所示。由表1可以推算得到,671.67m以下水位上升相對較快,最大速度達到9.25m/d;在671.67～760.00m水位的蓄水過程中,蓄水速度相對平均,最大速度為0.84m/d;在760.00m水位以后,水位上升速度較低,最大速度為0.17m/d。2影響因素組合計算計算研究中,為研究壩體在不同蓄水速度及影響因素條件下的安全特性,對不同的蓄水速度、本構模型、是否計入流變、濕化、是否考慮滲透系數(shù)的變化、是否設置滲透弱面單元并采用考慮“水壓楔劈”效應引發(fā)水力劈裂的計算方法等進行了組合計算。表2歸納了計算中所考慮的不同影響因素。因考慮因素眾多,所以計算方案較多(共計45種計算方案),限于篇幅,對相關的計算模型、方法等不再詳述,以下僅從幾個主要方面對主要計算成果進行介紹。2.1壩體內(nèi)部位移分析表3為設計蓄水條件下基本計算工況(EB模型、不考慮壩料的流變、濕化及滲透系數(shù)變化,不設置滲透弱面)計算所得壩體應力變形特征值。圖2、圖3為壩體施工至壩頂后蓄水至812m典型工況條件下順河向位移及豎向位移等值線。由計算成果得到結(jié)論如下:(1)表3所示的4種工況條件下,壩體向上、下游最大水平位移分別在22～30cm及29～53cm范圍內(nèi)。其中,向上游最大水平位移在填筑施工時增加,在蓄水位升高時變小;而向下游水平位移在施工、蓄水之時均連續(xù)增加,在壩體施工至壩頂且蓄水至正常蓄水位812m時達到最大,為52.58cm,占最大壩高的0.20%,位于距壩頂1/3壩高的位置。(2)四種工況條件下壩體的最大沉降值變化不大,且蓄水后有部分抬升。壩體施工至壩頂后繼續(xù)蓄水至812m高程,最大沉降值188.00cm,沉降的最大值均發(fā)生在約1/2壩高稍下的位置。(3)由豎向應力與自重應力之比σz/γh可以看出,四種工況條件下σz/γh值在0.5～0.7左右,表明心墻的拱效應明顯。上游壩殼應力水平較高,心墻上游部分區(qū)域達到0.9,但不會導致壩殼向上游滑動,不會對壩體整體穩(wěn)定造成影響。2.2主體結(jié)構及壩體應力應變分析前述表2中已說明,為研究蓄水速度對壩體安全的影響,分別針對設計蓄水過程、比設計過程快1倍的蓄水過程、不同高程的分段極限蓄水過程Ⅰ～VI共計8個蓄水過程進行了計算對比分析。其中,為有效模擬心墻的水力劈裂效應,采用了考慮心墻“水壓楔劈”效應并在心墻上游表面設置滲透弱面單元的計算方法,其原理示意圖及滲透弱面單元如圖4所示。計算得到如下主要結(jié)論:(1)當不考慮材料流變、濕化和滲透系數(shù)的應力敏感性時,蓄水速度對大壩應力變形計算成果的影響較小,在不同的蓄水速度下,大壩在滿蓄條件下的應力分布、位移分布等差別非常小;水平位移分布有一定差異,但不是全局性的,且差異有限。(2)在心墻上游面設置滲透弱面單元并考慮“水壓楔劈”效應時,隨著水位上升,滲透弱面尖端單元沿壩軸向的有效應力迅速降低,降低比例可達40%～80%,其中蓄水速度加快時,尖端單元沿壩軸向的有效應力降低比例升高,表明在心墻上游面存在滲透弱面以及蓄水速度加快時,心墻發(fā)生水力劈裂的可能性增加。(3)采用變形傾度及剪應變法判別壩頂縱向和橫向裂縫發(fā)生的可能性,結(jié)果表明:對于不同的蓄水速度,壩頂范圍內(nèi)變形傾度數(shù)值均低于1%,且數(shù)值較小,說明壩頂出現(xiàn)縱向裂縫的可能性低。各方案在靠近壩頭附近剪應變數(shù)值接近1%,但數(shù)值普遍不大,且大值區(qū)域極小,表明壩頂在靠近兩側(cè)岸坡附近具備出現(xiàn)橫向裂縫可能性,但可能性較低。2.3心墻滲流場調(diào)查與分析分別針對8個蓄水過程進行了非飽和非穩(wěn)定滲流有限元分析,得到如下主要結(jié)論:(1)縱觀大壩滲流場表明,心墻體具有良好的防滲效果,上下游水頭差90%以上經(jīng)心墻承擔及消剎。總體上看,心墻體在不同蓄水位狀態(tài)下的平均滲流梯度約1.3～1.8。(2)隨著庫水位的不斷上升,心墻內(nèi)的飽和區(qū)首先在心墻體上游面很小范圍內(nèi)飽和,然后隨著歷時的延長逐步向下游側(cè)發(fā)展。當庫水位上升至正常高水位時,僅1/3壩高以下的部分心墻基本處于全飽和狀態(tài)。(3)心墻滲透系數(shù)采用1×10-5cm/s時,各方案穩(wěn)定滲流時單寬滲流量約1.24×10-6m3/s/m。當心墻滲透系數(shù)采用2.6×10-6cm/s時,降低至單寬滲流量3.24×10-7m3/s/m,蓄水到812.00m水位至達到穩(wěn)定滲流需要約34年。2.4蓄蓄溫對壩坡穩(wěn)定影響分別采用強度折減有限元法和極限平衡法,針對不同蓄水速度條件下的大壩上、下游壩坡穩(wěn)定性進行了計算分析,得到如下主要結(jié)論:(1)強度折減有限元法計算結(jié)果表明:設計蓄水速度下壩坡安全系數(shù)為1.65,蓄水速度增大一倍時,減小到1.60,即蓄水速度加快后,壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)略有下降,但幅度有限。(2)極限平衡法計算結(jié)果表明:不管是否考慮邊界孔壓,蓄水速度對壩坡穩(wěn)定的影響很小,僅為0.5%～0.05%左右?？傮w上來說,不同蓄水速度對壩坡穩(wěn)定性的影響可以忽略不計。2.5堆料頂托作用分別針對流變、濕化及滲透系數(shù)的變化等不同工況進行了計算分析,得到如下主要結(jié)論:(1)流變變形的整體趨勢是壩體的體積收縮,對于基本計算工況來說,考慮流變后,壩體正常蓄水位條件下的最大沉降由不考慮流變時的1.88m增加至3.37m,增幅明顯。由于心墻的流變幅值大于堆石料,心墻的流變變形在蓄水后期是速率發(fā)展較快的階段,因此受到堆石料的頂托作用而形成強烈的拱效應,造成心墻上游面應力迅速下降,容易出現(xiàn)水力劈裂等風險。(2)蓄水過程中,上游堆石體因浸水濕化而出現(xiàn)體積收縮,堆石體濕化變形將會對心墻產(chǎn)生向下的拖曳作用,可以進一步減小心墻發(fā)生水力劈裂破壞的風險。在橫斷面上,濕化變形僅發(fā)生在上游堆石體中,濕化導致的位移增量幾乎全部指向心墻上游側(cè)的壩體底部。對于基本計算工況,考慮濕化時,水平位移增量最大值為1.86m,豎向位移增量最大值為1.80m。(3)考慮滲透系數(shù)的應力敏感性時,心墻土料的實際滲透系數(shù)較不考慮時明顯降低,應力變形過程中的“不排水”特性更加顯現(xiàn)。與不考慮滲透系數(shù)應力敏感性時相比,心墻外側(cè)朝向上、下游的變形明顯增大,并對上下游堆石體形成指向壩外方向的“推移”作用,心墻沉降變形和豎向應力也有所增大。3設計蓄水場速度根據(jù)上述大量計算研究成果,結(jié)合工程調(diào)研及已有經(jīng)驗,從大壩安全的角度,對糯扎渡水電站心墻堆石壩提出的蓄水速度建議如下:(1)設計蓄水速度條件下,大壩的應力變形、抗水力劈裂、非穩(wěn)定滲流特性等均較為正常,心墻不會發(fā)生水力劈裂,壩坡穩(wěn)定性也有安全保證,表明糯扎渡水電站工程初次蓄水采用設計蓄水速度是可行的。(2)水位780m高程以下,蓄水速度的變化對大壩安全影響不大,但為充分保證大壩初蓄安全,蓄水速度最好控制在8m/d以下;當水位介于780～800m高程時,需對水位上升速度進行進一步控制,建議小于4m/d;水位高位800m高程時,需嚴格控制水位上升速度小于2m/d。(3)為充分保證大壩上、下游壩坡的穩(wěn)定,需嚴格控制水位驟降速度小于1m/d。(4)若出現(xiàn)連續(xù)暴雨、洪水等極端情況,水位高程達780m以上,且水位上升速度過快時,需加強巡視,加密水位、大壩位移、孔壓等的監(jiān)測及資料分