坝基裂隙水对高坝稳定性的影响研究

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水库产生并作用于坝基上的力和作用过程尽管比较复杂，还是可以用一个独立的相关系统来描述。水库的建造不仅在地壳局部产生了附加压力，而且还改变了整个水库区的水文地质条件。这些因素对岩体的性质和应力-应变关系产生了一定的负面影响。然而，这些影响在高坝的设计和分析中常常被低估。

深库高坝边坡和坝肩岩体的应力-应变在很大程度上取决于岩体中裂隙发育程度以及裂隙水的存在。在水库水位迅速上升期间，水体作用于水库底的荷载基本上为面荷载，导致山坡变形，并对大坝应力-应变状态有显著影响。

当水库蓄水时，高坝地基中开始经历复杂的变形过程，这一变形在大坝混凝土开始浇筑和水库开始蓄水时就出现了，混凝土浇筑和水库蓄水产生的重力导致水库底板和大坝附近地面发生沉降。随后，当水渗入到裂隙中使得岩体饱水时，扬压力便开始作用于裂隙、坝基和坝肩。在大坝下游，这些过程主要受动力和渗流的影响，伴随着裂隙张开和强度指标降低导致的岩体卸荷。在英古里(Inguri)水库和萨扬舒申斯克(Sayano-Shushenskaya)水库蓄水期间，这些现象得到了野外综合观测和地球物理勘探的证实。

当存在扬压力时，坝体的竖向压应力趋于减少，促使库水渗透到水平施工缝中，导致扬压力作用在坝体上，并随着坝高的增加而增加。

地球动力学研究中心的专家们对包括英古里拱坝、萨扬舒申斯克重力拱坝和卡潘达(Capanda)混凝土重力坝的研究表明，水库蓄水和季节性水位波动期，会出现以下现象：

(1) 上下游坝肩岩体隆起；

(2) 坝顶形成纵裂缝，上游坝面施工缝张开；

(3) 形成新的渗流通道；

(4) 渗漏量增加。

1 坝基岩体隆起和抬升

英古里拱坝高271 m，坝基为层状石灰岩和白云岩。水库初始蓄水时检测到岩基隆起，蓄水过程中，监测到坝体与坝基相对于地表基准点发生了沉降，这些基准点位于排水廊道和地球物理监测网中(见图1)。

分析坝基基准沉降曲线可知，在大坝建设过程中，沉降量随着坝体重量的增加而增加。水库蓄水后，由于库水荷载导致沉降进一步发生。伴随着沉降，坝基岩体的弹性波速增加。然而由于水渗入到岩体裂隙中，扬压力增加，几乎所有的监测点都监测到了坝基抬升，甚至位于大坝下游400 m远处的基准点B也监测到了抬升，同时岩体弹性波速急剧下降。

水库蓄水过程中，库水也渗入到坝体施工缝中，导致坝体进一步抬升，坝高发生变化。将坝体中观测到的沉降量减去坝基沉降量即是坝体垂直位移量，绘制基准点累计垂直位移曲线，与水库沉降曲线几乎一致，只不过时间上滞后约1 a。这一滞后时间对应于坝体坝基饱水和抬升所需的时间。

1.坝基廊道基准点A位移；2. 坝下游400 m处基准点B位移；3.坝体重量作用下预期的坝基沉降;4.6号基准点区域预期的坝基沉降;5.水库蓄水过程曲线;6和7.水库蓄水造成基准点A和B的垂直位移

同样的现象在高242 m的萨扬舒申斯克重力拱坝蓄水时也观测到了，该坝坝基为正、副片岩，大坝建于1972～1989年间。1978年，水头60 m，以后每年上涨，到1990年蓄水至正常蓄水位(NWL)540 m。监测曲线表明，在大坝施工初期坝基就开始下沉，一直持续到1983年水库蓄水初期(水位450 m)。1986年以来，上游水位为最低水位，坝基沉降量为29 mm。随后，随着库水位升高，库水渗入到岩体裂隙中，产生扬压力，坝基开始抬升。到2000年，坝基共抬升12 mm，同时随着库水位季节性上涨，坝基也垂直抬升。

每年同一时间，随着库水位上升，河谷两岸山坡产生水平位移(垂直水流方向)，水平位移曲线为正切曲线。河谷两岸山坡位移持续增长到1996年(水库蓄满水后6 a)，然后趋于稳定。

在安哥拉的卡潘达坝，水库蓄水时观测到了类似的坝体抬升现象，这座混凝土重力坝建在水平层状砂岩夹泥岩上。随库水位上升的抬升过程曲线如图2所示，图中还表明了埋设在中心坝段坝顶(高程953 m)、廊道中部(高程921 m)和坝基(高程860 m)的基准点观测到的竖向位移。

不同高程处的坝体垂直位移均随着库水位的变化而变化，尽管如上所述有些滞后。此外，水库蓄满水后，坝上半部分明显上升而下半部分则下沉，从而表明坝体产生了拉伸变形。坝顶的第1次显著抬升发生在2004年4月份，也就是水库第1次蓄水到正常蓄水位(NWL)1 a后，到2007年中心坝段竖向拉伸值近15 mm。

对萨扬舒申斯克坝水库蓄水期间的变形特征研究表明，中心坝段(33号坝段，高程308 m)最大抬升出现在上游水位涨幅最大后的第18 d。在高程344 m，这一抬升出现在上游水位涨幅最大后的第26 d，坝顶(高程359 m)则是第33 d。

图2 安哥拉卡潘达坝蓄水期间中心坝段不同高程垂直位移

随着上游水位的升高，从低海拔处至坝顶，大坝呈台阶式抬升，这是由于坝体上游侧施工缝和水平接触缝的张开导致坝体连续拉伸造成的。应当指出的是，不仅坝址观测到了抬升，坝址附近的岩体也发生了隆起。

为了监测卡潘达坝上游断层活动情况，在断层两侧埋设了基准点，从2002年10月到2007年4月，进行了8个周期的水准观测和分析工作，结果表明沿此断层没有发生错动。然而，水库蓄水后各基准点迅速监测到了隆起，离河流最远处的监测点隆起最大，而靠近水库的监测点隆起较小，这是由于受库盆沉降影响所致。记录的最大隆起为12.2 mm，距水库4.5 km。当水库蓄满水，库盆沉降已趋于稳定，河岸隆起已经停止并随后开始沉降，这时岩体中的地下水位上升，造成了监测点的抬升。这表明，大坝和坝肩稳定性的最危险期是蓄满水初期(和蓄满水后第1年)，当库水渗入到岩体裂隙中使岩体饱和时。坝越高，蓄水水头越高，水越容易渗入到岩体裂隙中，当渗透水压力等于岩体裂隙的强度时，裂隙便开始扩张，导致扬压力越来越大。

2 岩体破坏过程

库水位的变化导致岩体的应力-应变状态和渗透性发生变化，压力周期性的变化加速了渗流通道的连通和强度降低区的形成。随着水位快速下降，进入岩体裂隙内的水来不及排出，在岩体裂隙中形成过大的裂隙水压力，导致岩体破坏。图3显示的是英古里坝运行期间坝基岩体弹性波速变化情况，在1996年，库水位快速下降，每天下降2 m多，坝基岩体弹性波速出现了明显的下降(下降30%到40%)，坝基岩体弹性波速下降显然取决于库水下降速率和下降幅度。

图3 英古里坝基岩体弹性波速变化曲线

坝基渗流的突然变化，导致水头的急剧波动，击穿封堵的钻孔，形成新的渗流通道，渗流量增加。

由于库水位下降速率高，墨西哥拉阿米斯塔德(La Amistad)坝在1996年发生了严重的问题。这座100 m高的大坝于1969年建成，并已成功运行了27 a。然而，墨西哥北部一次长达4 a的严重干旱后，库水位显著降低，1996年库水位下降特别快，持续时间特别长。库盆由水平层状石灰岩组成，岩溶发育并富含岩溶水。随着库水位骤降，溶洞中的水压力不能同步降低，在浅水中形成大的瘘管。在这些区域，水从石灰岩层中挤出，在水库中形成喷泉。然后库水迅速流入溶洞，直到压力逐渐平衡，在水库边缘形成直径数米的孔洞。这些新形成的集中渗漏通道后被混凝土或岩石封堵。

水渗透到坝基岩体裂隙中，并使坝肩岩体隆起，对岩体应力-应变状态和岩体性质有显著的不利影响，在分析确定高坝安全可靠的运行时，应考虑这些影响。

1959年12月2日，法国66.5 m高的玛尔巴塞(Malpasset)拱坝失事，这是在水库蓄水或排空过程中坝肩位移导致的典型例子。该坝1954年建成，水库开始蓄水时，没有考虑大坝监测到的位移。1959年12月1日，水库水位上升2 m，水渗入左坝肩被黏土填充的裂隙中，造成左坝肩隆起并产生剪应力，导致左坝肩坝块位移并发生破坏。在这次事件中400人遇难，只有大坝右侧部分残留下来，而左岸大坝连同坝基全部被水冲走。

3 结 语

高坝水库下和坝肩岩体的应力-应变状态在很大程度上受水渗透到裂隙的影响，深库的形成不仅对地壳产生了附加压力，同时也改变其影响范围内的水文地质条件。这些因素改变了岩体性质和条件，往往在设计和分析高坝稳定性时被低估。

高坝建设中，特别重要的是水渗透到岩体裂隙和孔隙内对岩体强度和稳定性的影响。当高坝水库蓄水时，应该考虑几个因素：水渗入到岩体裂隙中产生扬压力而导致坝肩岩体重量的减轻；岩体裂隙张开和岩体卸荷导致抗剪强度降低；岩体裂隙中充填的黏土饱水后强度丧失，对坝肩和坝基岩体强度和稳定性也可能产生不利影响。

上述结论表明，在评估高坝可靠性和安全性时，要综合考虑水库与坝基间的相互作用，这种相互作用所产生的影响因素是密切相关的。