小浪底水利樞紐大壩變形監(jiān)測與變形成因分析

小浪底水利樞紐大壩變形監(jiān)測與變形成因分析

1大壩的地質(zhì)及填筑方量虛擬耳水庫（以下簡稱小浪底水庫）是水庫，由土壤斜心墻樁石壩組成。最大壩高160m，最大壩長度1667m，寬15m，最大壩高864m。上游壩坡為1∶2.6,下游壩坡為1∶1.75,在下游壩坡220.0m和250.0m高程處分別設(shè)有14m和6m寬的馬道,上游圍堰作為大壩的一個(gè)組成部分,位于大壩上游壩踵。壤土心墻下部為斜心墻,最大底寬為101.9m,250m高程以上過渡為正心墻,頂寬為7.5m。大壩坐落在河床深覆蓋層上,河床深覆蓋層最大深度超過70m,且存在夾砂層及大型孤石。大壩總填筑方量為5073萬m3,由17種填料組成,每種填料均有特定要求,其中1區(qū)、1A區(qū)、1B區(qū)、5區(qū)和10區(qū)為防滲料,2A區(qū)、2B區(qū)、2C區(qū)為反濾料,3區(qū)為過渡料,4A區(qū)、4B區(qū)、4C區(qū)為壩殼堆石料,6A區(qū)、6B區(qū)、7區(qū)為護(hù)坡料,8區(qū)為壓戧料,9區(qū)為壩基回填砂礫石料。大壩典型剖面如圖1所示。2水庫變形特征2.1水平位移、垂直位移檢測小浪底大壩布置8條視準(zhǔn)線進(jìn)行位移監(jiān)測,其中上游坡3條、下游坡3條、壩頂上下游側(cè)各1條。大壩于2000年11月填筑完成,壩頂上下游2條283視準(zhǔn)線于2001年3月開始觀測,2條283視準(zhǔn)線至2006年底各測點(diǎn)水平位移測值過程線如圖2所示,垂直位移測值過程線如圖3所示。由圖2、圖3可以看出,2條283視準(zhǔn)線變化規(guī)律一致,各測點(diǎn)變化連續(xù)、平順、無突變,呈現(xiàn)出河床最大壩高處(B-B剖面)位移量大、向兩岸逐漸減少的趨勢;累計(jì)變化量逐年增加,表現(xiàn)為水平位移向下游方向、垂直位移向下沉陷的變化規(guī)律,但年度變化量呈逐年減少趨勢,大壩變形漸趨穩(wěn)定;符合土石壩變形的一般規(guī)律。2.2不均勻變形質(zhì)量小浪底大壩不均勻變形表現(xiàn)為相同高程的上下游測點(diǎn)水平位移和垂直位移均存在一定差值,下游側(cè)測值大于上游側(cè)測值,尤其以水平位移更明顯。選取大壩最高B-B斷面上游283視準(zhǔn)線C13測點(diǎn)、下游283視準(zhǔn)線813測點(diǎn)組成測點(diǎn)對(duì),其位移差值代表大壩不均勻變形的最大值,2個(gè)測點(diǎn)的水平位移、垂直位移及位移差值如圖4所示。由圖4可以看出,上下游側(cè)累計(jì)水平位移和垂直位移隨時(shí)間推移而逐漸增大,但下游側(cè)位移大于上游側(cè)位移;上下游水平位移差值呈逐漸增大的趨勢,2006年底最大水平位移差值為413.4mm,月平均變化量為5.99mm;2003年10月首次高水位期間水平位移差值明顯增大,2004～2006年庫水位下降期間上游側(cè)水平位移恢復(fù)大于下游側(cè),差值有所增加;上下游側(cè)垂直位移不均勻變形比水平位移小,且位移差值已漸趨穩(wěn)定,2006年底最大垂直位移差值為158.4mm,月平均變化量為2.29mm。3水庫變形成因分析3.1位移時(shí)效分量和時(shí)域速率大壩變形主要由水位、溫度和時(shí)效3個(gè)分量組成,將不可恢復(fù)或演進(jìn)變形量與水位、溫度等條件引起的可恢復(fù)變形區(qū)分出來,建立安全監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型,對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。分析結(jié)果顯示,所有測點(diǎn)的水平位移和垂直位移都呈增加趨勢,后期速率變緩,基本保持平穩(wěn),說明大壩變形趨于穩(wěn)定;同時(shí)變形主要受時(shí)效分量的影響,受水位分量和溫度分量的影響較小。根據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)下游283視準(zhǔn)線813測點(diǎn)位移進(jìn)行回歸分析可知,測點(diǎn)水平位移時(shí)效分量為838.79mm,占水平位移總量895.5mm的93.67%,其他分量占6.33%;垂直位移時(shí)效分量為1032.5mm,占垂直位移總量1093.2mm的94.45%,其他分量占5.55%。由此可見,時(shí)效為大壩變形的主要影響因素。3.2型壩體的變形特征分析初次蓄水到新高水位時(shí),由于土體的塑性,新增荷載對(duì)土體產(chǎn)生不可恢復(fù)變形是一次性的。同時(shí),上游壩殼由于水的首次浸泡作用使其強(qiáng)度、變形、飽和度等材料參數(shù)發(fā)生較大改變,土體產(chǎn)生的濕陷、流變作用較為明顯。而再次蓄到相同水位時(shí)對(duì)材料性質(zhì)的改變及重復(fù)施加水荷載,新增的變形就會(huì)很小。由圖2和圖3可以看出,2003年水庫初次蓄水到新高水位時(shí),視準(zhǔn)線測值過程線出現(xiàn)變形突增現(xiàn)象,而其他階段變形的速率基本平穩(wěn)。2003年受華西秋雨影響,庫水位從230.23m(2003年8月26日)上升到265.69m(2003年10月15日),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以前庫水位的最高值240.87m(2002年3月1日),壩體變形在這一期間增加較快。壩頂上游283視準(zhǔn)線C13測點(diǎn)和下游283視準(zhǔn)線813測點(diǎn)位移變化見表1。從表1中可以看出,初次蓄水到新高水位,大壩變形有一個(gè)突變,且水平位移變化量大于垂直位移變化量。初次高水位期間(2003年8～10月),水平位移占全年位移量的53%～61%,垂直位移占全年位移量的30%～31%;水平位移月均變化量為全年月均變化量的2.11～2.45倍,垂直位移月均變化量為全年月均變化量的1.19～1.23倍。在之后3年的蓄水過程中,未超過歷史最高水位,測點(diǎn)位移變化平穩(wěn)(表2)。3.3水位升降期間的位移變化當(dāng)庫水位上升時(shí),整個(gè)壩體受到庫水推力作用都是向下游變形,當(dāng)庫水位驟降時(shí),由于心墻上的水荷載迅速減小,心墻向下游的變形得到一定的恢復(fù),并擠壓上游壩殼使上游壩殼的變形也得到一定的恢復(fù),而下游壩殼因心墻位移帶動(dòng)的變形恢復(fù)作用并不明顯,即上游側(cè)壩體位移的水位分量大于下游側(cè),從而使壩體產(chǎn)生不均勻變形。小浪底水庫每年汛前進(jìn)行集中調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用,庫水位下降較快,如圖2和圖3,壩頂上下游283視準(zhǔn)線最大剖面測點(diǎn)水位驟降期間的位移變化如表2所示。從表2中可以看出,水位驟降對(duì)大壩上游側(cè)的影響量大于對(duì)下游側(cè)的影響量,對(duì)水平位移的影響量大于對(duì)垂直位移的影響量;2004～2006年上游側(cè)水平位移向下游方向移動(dòng),年內(nèi)月均變化量為1.1～2.8mm,平均為1.96mm(向下游方向位移),但在水位驟降期間水平位移指向上游,向相反方向移動(dòng),月均變化量為10.5～24mm,平均為15mm(向上游方向位移);下游側(cè)水平位移向下游方向移動(dòng),年內(nèi)月均變化量為3.6～5.7mm,平均為5.1mm(向下游方向位移),但在水位驟降期間水平位移指向上游,向相反方向移動(dòng),月均變化量為3.0～9.0mm,平均為6.5mm(向上游方向位移);2004～2006年上游側(cè)垂直位移年內(nèi)月均變化量為5.7～11.0mm,平均為7.5mm(下沉),但在水位驟降期間月均變化量為21.0～37.0mm,平均為33.5mm(下沉),為年內(nèi)月均平均值的4.47倍;下游側(cè)垂直位移年內(nèi)月均變化量為5.7～15.0mm,平均為8.9mm(下沉),但在水位驟降期間月均變化量為17.5～44.0mm,平均為28.7mm(下沉),為年內(nèi)月均平均值的3.22倍。3.4壩體材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)心墻與壩殼材料之間或不同分區(qū)的壩殼材料之間的壓縮特性及填筑指標(biāo)的差異可導(dǎo)致壩體產(chǎn)生不均勻變形。小浪底大壩堆石體統(tǒng)稱4區(qū)料,其中上游壩殼堆石料為4A料,因其位于水下和水位變動(dòng)區(qū),全部開采自石門溝料場,控制粉砂巖和黏土巖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5%;下游壩殼水下部位和壩殼坡面堆石料為4B料,因要求有較強(qiáng)的抗風(fēng)化能力,控制軟巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于10%;下游壩殼水上部位堆石料為4C料,為任意料區(qū),控制軟巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于20%,如圖1所示。4C料位于下游壩殼的中上部,直接支承心墻料,由于斜心墻壩的體形特點(diǎn),在自重和庫水推力的聯(lián)合作用下,大壩壩頂勢必出現(xiàn)朝向下游的水平位移和彎曲變形,且下游側(cè)堆石4B和4C材料弱于上游側(cè)4A料,其軟化和徐變性能均高于4A料,增大了壩頂水平位移和彎曲變形趨勢,使壩頂?shù)睦熳冃蔚靡苑糯蟆?.5底砂層結(jié)構(gòu)及干密度根據(jù)勘測資料,小浪底大壩基礎(chǔ)約有420m寬坐落在砂卵石覆蓋層上,該覆蓋層一般厚30～40m,最厚處達(dá)70多m。在地質(zhì)結(jié)構(gòu)上,壩基部位自上而下依次為表砂層、上部砂礫石層、夾砂層、底砂層和底部砂礫石層。表砂層厚3～7m,為疏松中密砂層,在開挖時(shí)已將其挖除;上部砂礫石層厚度為30～45m,含砂率一般為20%～30%,干密度為2200～2350kg/m3,呈密實(shí)狀態(tài);夾砂層分布厚度為1～10m,干密度為1550～1650kg/m3;底砂層在河床深槽內(nèi)呈條帶狀分布于上部砂礫石層以下,厚度為20～25m,平均干密度為1690kg/m3;底部砂礫石層腹部在深槽最底部,厚度為5～10m,干密度一般為2200～2350kg/m3。小浪底大壩高160m,填筑方量為5073萬m3,砂卵石層深70m,其壓縮系數(shù)為1.7×10-8～4.1×10-8Pa-1,通過計(jì)算,壩基沉降量為248.27cm,由此加劇了大壩的沉降變形。3.6合同對(duì)大壩填筑程度的要求小浪底工程于1997年10月實(shí)現(xiàn)大河截流,1998年8月開始河床部位壩體填筑。合同要求大壩1999年6月30日前全線填筑至200m高程,實(shí)際上大壩已于1999年4月5日填筑到該高程,較合同工期提前了86d;合同要求2000年6月30日前大壩填筑至236m高程,實(shí)際上大壩于1999年10月8日已填筑到該高程,較合同工期提前了266d;合同要求2001年8月2日前大壩填筑至280～282m高程,實(shí)際上大壩已于2000年6月26日填筑到該高程,較合同工期提前了402d。大壩從高程236.00m填筑至282.00m,月平均填筑量為112萬m3,平均月填筑高度為6.33m,最高月填筑量為158萬m3,相應(yīng)升高8m/月。大壩以較快的速度上升,縮短了壩體填筑施工期的沉降量,增加了竣工后的變形量,是造成壩體不均勻變形的原因之一。3.7壩殼與土壤有機(jī)碳的運(yùn)動(dòng)小浪底大壩的防滲體采用斜向下游的壤土心墻,與直心墻不同,斜心墻如一根斜置的懸臂梁,本身就存在朝向下游的水平位移和彎曲變形。同時(shí),低透水性的壤土斜心墻形成了一個(gè)近于完整的隔水層,承擔(dān)了幾乎所有的庫水推力作用,并將庫水推力傳遞到下游壩殼,從而導(dǎo)致下游壩殼承受的水平推力和豎向荷載均大于上游壩殼。在這部分水平推力和豎向荷載以及下游壩殼本身自重作用下,下游壩殼的瞬時(shí)彈塑性變形、長期流變變形都將大于上游壩殼,由此,斜心墻向下游的水平位移和彎曲變形大于上游側(cè)。4水庫變形分析與評(píng)價(jià)4.1壩體沉降量計(jì)算結(jié)果在大壩設(shè)計(jì)階段,根據(jù)壩基、心墻及堆石e～p曲線,采用分層總和法計(jì)算壩基及壩體的沉降量,計(jì)算結(jié)果見文獻(xiàn)。在大壩竣工后至2006年底,實(shí)測壩頂上游側(cè)283視準(zhǔn)線C13測點(diǎn)最大沉降量為88.1cm,與計(jì)算值81.75cm接近。大壩竣工后實(shí)際沉降量與設(shè)計(jì)值接近,說明大壩運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)運(yùn)行狀態(tài)相符。4.2大壩沉降資料根據(jù)土石壩竣工后沉降資料分析,若沉降量超過壩高的1%時(shí),則大壩易產(chǎn)生裂縫。國內(nèi)外部分超過100m高的大壩沉降資料見表3,由表3可以看出,壩體竣工后的沉降量多數(shù)小于壩高的1%,一般在0.2%～0.5%之間。至2006年底,小浪底大壩壩體沉降量為1093mm,約為最大壩高的0.68%,沉降值與其他大壩基本相當(dāng)。4.3壩體水平位移發(fā)展速率將水位、溫度和時(shí)效等因子組成回歸方程,采用逐步回歸法預(yù)測大壩變形的發(fā)展,從預(yù)測結(jié)果看,在首次蓄到水位265～270m和270～275m新高水位階段,壩體的水平位移發(fā)展速率會(huì)進(jìn)一步增大,垂直位移變化較小;壩頂視準(zhǔn)線最大剖面測點(diǎn)水平位移分別增加71.9mm和81.0mm,且變形不均勻程度也會(huì)隨之增加,位移差增量分別為38.2mm和44.8mm。在水位達(dá)到275m之后,壩體變形主要按照時(shí)效分量趨勢發(fā)展,除去首蓄因子的影響,最大位移點(diǎn)的年變幅不到60mm,而位移差值的年變幅不到40mm,大壩變形逐漸趨于穩(wěn)定。5大壩變形的原因小浪底大壩變形分析結(jié)果表明,各測點(diǎn)變化規(guī)律一致,過程線連續(xù)、平順、無突變,累計(jì)位