铜街子水电站右岸大坝抬升原因浅析

张超萍，王 东,1b，沈定斌，黄会宝，于真真

(1.四川大学 a.水利水电学院；b.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室， 成都 610065；2.国电大渡河公司库坝管理中心，四川 乐山 614900)

铜街子水电站右岸大坝抬升原因浅析

张超萍1a，王 东1a,1b，沈定斌2，黄会宝2，于真真1a

(1.四川大学 a.水利水电学院；b.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室， 成都 610065；2.国电大渡河公司库坝管理中心，四川 乐山 614900)

铜街子水电站，在水库蓄水后，以18坝段分界，呈现出左侧坝段沉降、右坝段抬升的罕有异常状况，大坝上抬量从左至右逐渐增大。通过开展监测资料信息挖掘，以及构造地质水文地质状况分析，断定该异常状况系因独特的构造及水文地质，在水库蓄水后引起深层承压水变动，导致的区域连锁反应。电站自蓄水以来，水位一直保持在正常蓄水位左右，坝址区内的渗流状态已经稳定，抬升变形也逐渐趋于稳定，不会影响到大坝安全。

铜街子；坝体抬升；大坝监测；相关分析；承压水

1 研究背景

重力坝由于自重及蓄水后库盆、基础的压缩，理论上其垂直变位应该是沉陷，现实也几乎如此。但实践中却存在极少的反例——蓄水后大坝抬升。铜街子水电站自1992年4月水库蓄水后，右岸大坝持续抬升最大达20 mm，这在国内外水电工程中实属罕见。 与此类似，鸭绿江干流中游的云峰大坝，1965年蓄水发电后，由于冻胀应力使坝体裂缝开展，于1976年开始存在明显的趋势性上抬，上抬位移最大为5.0 mm[1]。澧水一级支流的江垭大坝，1999年底投入运行，由于坝前热含水层中地下水头增大，大坝抬升变形达到28.4～32.6 mm[2]。前苏联托克托吉尔和英古里电站曾有过类似报道，渗流产生的水动力引起岩基上抬，但抬升位移量仅几个毫米[3]。国内外仅有的这若干反例，有相同之处，更有差异存在，值得深入分析。

本文结合监测资料分析及构造地质和水文地质分析，对铜街子大坝抬升原因进行初步探讨。

2 铜街子右岸大坝抬升状况

2.1 工程概况

铜街子水电站位于四川省乐山市沙湾区境内的大渡河上，是一座以发电为主，兼顾改善下游通航条件的综合利用工程。电站总装机容量600 MW，设计年发电量32.36亿kW·h，为河床式电站。坝址以上控制流域面积76 420 km2，水库正常蓄水位474.00 m，总库容2.6亿m3，具有日调节性能。

枢纽建筑物由左岸混凝土面板堆石坝、左岸挡水坝段、河床式厂房、冲砂孔、溢流坝段、右岸混凝土挡水坝段、筏闸、右岸心墙堆石坝等组成，共有29个坝段。坝顶高程479.0 m，坝轴线全长1 084.593 m，最大坝高82 m，平面布置见图1。

坝区出露地层为二迭系峨眉山玄武岩和沙湾组页岩。玄武岩总厚度200 m，系经5次喷溢轮回形成，其中第2层较薄(2～25 m)，其余各大层厚30～60 m，主体工程建筑物坝基置于第5层玄武岩上。各层间受地质构造作用影响，普遍连续分布着倾向下游的层间错动带C4和C5等，第5层和第4层间有厚度为0.3～0.4 m的软弱夹层C5，该软弱夹层横穿整个坝基，加之F6，F9，F3，F3-1，F4等断层的切割，破坏了岩体完整性。

2.2 监测系统简介

坝顶垂直位移传统上采用精密水准观测，以高程控制网的I05为基准点，进行往返观测，共30个测点，使用Ni002自动安平水准仪观测，数据精度较好，规律明显。自2000年以来，增加了激光系统，发射端和接受端分别布置在4坝段和20坝段，端点位移采用双金属标倒垂线孔来改正。

图1 铜街子水电站枢纽平面布置

坝基扬压力设置了1个纵向观测断面和7个横向观测断面，原有37个测孔。绕渗及长观孔35个，其中左岸、右岸、下游河床和右坝肩平洞的浅层绕渗测孔分别为6，7，3，4个，C5深层15个测孔。2003年新增了26个测压孔，改善了坝基和C5层扬压力观测设施，目前，包括10个C5扬压力深孔共有63个大坝扬压力测孔。

图2 D6，D18，D24，D25测点垂直位移过程线及C5层典型测点Y17-4渗压过程线

图3 大坝上游展示图、坝顶沿坝轴线方向沉陷及河床坝段幕后C5层渗压分布

相关监测仪器均按规程定期送检，观测方法、频次满足规范要求，所测得的资料可靠，可用于监测资料分析。

2.3 右岸大坝抬升现象

由图2的测点沉陷过程线可以看出，自1991年11月下旬起测，至1992年4月6日正式蓄水前，各坝段均有10 mm以内不等的自重沉陷。开始蓄水后，整个枢纽明显地以18#坝段为界(图3)，左侧坝段继续沉陷，其中左岸堆石坝的D25测点下沉量最大，已达53 mm，而右侧坝段则走上抬升之路。

各坝段的垂直位移发展速度不一，但多数测点在蓄水初期3～5 a内发展较快，随后进入稳定收敛过程。

从坝顶沉陷分布图3观察，混凝土坝上抬现象，从左向右大致是从16坝段开始的，越靠右岸，上抬量越大，18坝段系沉陷、上抬临界平衡坝段，其以右坝段完全表现为抬升。左侧砼坝沉陷量最大的D06测点达到15.5 mm，右岸抬升量最大的D24-1测点超过20 mm。各相邻坝段间的垂直位移比较连续、协调，出现峰、谷时间基本同步，无大的错缝或突变。与此同时，这些坝段的水平位移则无异常，测值一般在-1.0～1.5 mm范围内变动。

枢纽工程的高程控制网的8个测点中，各测点相对于起测点存在不同程度的垂直位移，其中右坝肩I06和右岸下游I07测点，在工程运行的前5 a有持续上抬现象，尤其是位于右坝肩平洞的I06-1S测点(图1)，上抬最大幅度达26.05 mm。

3 右岸大坝上抬原因分析

上述变形特征表明这种异常不仅仅局限发生于水工建筑物上，而是右岸区域内的一种整体变化。从C5层连续分布横穿整个坝基的情况及其深层渗压的特征，初步判断此异常抬升与C5层有直接关系。

图4 20坝段C5层渗压 与沉陷关系散点分布

3.1 监测数据相关分析

由图2过程线可见，右岸基础上抬发生于水库蓄水后。1992年4月6日起蓄，至7月份，水位升幅最大约35 m。

笔者使用SPSS统计软件，对右岸坝段抬升值与C5层深层渗压值开展二元变量相关分析[4]。因为渗压与沉陷监测数据均为定距变量，分析采用了衡量定距变量间线性关系的Spearson相关系数。其中代表坝段——20坝段的测值关系散点如图4所示。

结果显示，双侧检验(Sig(2-tailed))对应的p=0.000<0.01，表示C5层渗压和沉陷之间的相关在0.01的显著性水平下存在差异，表明样本中变量的关联是总体中各变量关联的可靠指标。渗压和沉陷之间的皮尔逊相关系数(Pearson correlation)0.785，表明相关程度较好。其他右岸抬升坝段均有类似的结论，即铜街子右岸大坝抬升与C5层渗压相关。

3.2 监测数据回归分析

为进一步分析C5层渗压对垂直位移的影响，经过逐轮的回归模型筛选和分析，水压分量、坝基扬压力分量和传统的时效分量，要么在逐步回归中被剔除，要么呈现出不合理的规律，最终将C5渗压作为一个关键影响因子，对坝顶代表性测点开展逐步回归分析[5]，获得合理的工程解，结果见图5、表1和表2。

图5 垂直位移回归分析

测点回归方程RS19#17．231477+0．9471349[C]-1．454819[C3]-0．129435[T60]0．9070．604

注：C，C3分别表示观测日当月、前3月平均承压水头，T60表示观测日前60 d平均气温；R为相关系数；S为偏差系数。

表2 坝顶激光系统端点垂线垂直位移回归分量统计

分析认为，传统模型中的时效影响，在该特殊坝体上极其显著地体现在C5深层渗压上。由表2可知，C5渗压影响占总影响量的71.3%，因此是该坝段垂直变位的决定性影响因素。

3.3 地质特征分析

铜街子大坝坝基岩石透水性较好，C5深层构造错动带具有特殊的渗透结构，其错动面本身的渗透性极弱，而两侧的岩石破碎，渗透性强，构成了沿C5层错动面方向的强渗透性，成为透水带。蓄水后，坝基浅层地下水及深层地下水均明显升高，导致含水层空隙水压力增大，基岩有效应力降低，引起层间和裂隙扩容、基岩回弹、遇水膨胀等现象[6]，初步判断这是引起基础上抬的根本机理。

观察地质构造剖面(图3)，在右深槽的16—18坝段的坝基下，交错发育有F3和F6等系列断层，对C5层形成切割，一定程度破坏了两岸深层地下承压水的连续性，监测数据也表明两侧的C5层地下水存在明显水头差，右岸某些测孔的压力高于左岸约7 m。假设F3等系列断层不存在，此时承压水在整个区域内是连续的，如果P-γwgH>γrgh，(其中g表示重力加速度，P表示承压水压力，γw，γr分别表示水和岩石的密度，H，h分别表示地表水位和承压含水层到地表的岩层深度)，则大坝及坝基会发生整体上抬，如江垭大坝[2]。铜街子水电站坝址区，由于断层对承压含水层的切割，使得左侧P-γwg<γrgh，而右侧P-γwgH>γrgh，于是出现断层左侧下沉、右侧上抬的趋势。

此外，右岸坝段处于F3逆断层的上盘，承压水施压后更有利于右岸坝段上抬。

上述2个因素是铜街子大坝自16坝段开始，其左侧沉降、其以右坝段渐次抬升的根本原因。

4 结 论

根据监测资料相关分析及坝址地质特征分析，铜街子右岸基础抬升这一异常现象系由右岸承压水、基础地质构造特征、右岸坝体结构特征(各坝段建基面渐次抬升、自重减轻)等因素综合所致。起始位置是右深槽地质构造最复杂区域(16—18坝段)，附带影响到13—15坝段。目前抬升变形基本稳定，C5层渗压也比较稳定，基础上抬状况是渐变、连续、收敛的，相互间也尚协调，尚未对坝体、基础造成不利影响，目前右岸坝体工作状态仍属安全。

[1] 方维强.云峰大坝垂直位移上抬分析[J]. 大坝与安全, 1995,31(1):45-46. (FANG Wei-qiang. Study on the Uplift of Yunfeng Dam[J]. Dam & Safety, 1995,31(1):45-46. (in Chinese))

[2] 伍法权, 祁生文. 江垭水库大坝及近坝山体抬升变形机理[J]. 岩土工程学报, 2003, 25(4) :449-454.(WU Fa-quan, QI Sheng-wen. Mechanism of Uplift Deformation of the Dam Foundation of Jiangya Reservoir and the Nearby Mountains[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003, 25(4): 449-454. (in Chinese))

[3] 卡其莫娃. 峡谷区高混凝土坝在水库蓄水期间岩石地基的变形[J]. 水利建设, 1986, (4):204-208.(KHAKIMOVA G K. Deformations of Rock Foundations of High Concrete Dams in Canyons During Filling of Reservoirs[J]. Hydrotechnical Construction, 1986, (4): 204-208. (in Chinese))

[4] 纪新帅, 辛全才, 向华琦. 基于SPSS的重力坝变形监测资料多元逐步回归分析[J]. 中国农村水利水电, 2012, (7):141-143. (JI Xin-shuai, XIN Quan-cai, XIANG Hua-qi. Multiple Stepwise Regression Analysis of Gravity Dam’s Deformation Monitoring Data Based on SPSS[J]. China Rural Water and Hydropower, 2012, (7): 141-143. (in Chinese))[5] 张强勇,刘豆豆.重力坝变形统计回归分析模型及工程应用[J].人民黄河，2005,27(7)：37-40.(ZHANG Qiang-yong,LIU Dou-dou.Deformation Statistic Regression Analysis Model for Gravity Dam and Its Application[J].Yellow River,2005,27(7)：37-40.(in Chinese)) [6] 清华大学水利水电工程系.铜街子水电站右岸坝段上抬成因及对大坝安全的影响研究报告[R].北京:清华大学,2005.(Department of Water Resources and Hydropower Engineering of Tsinghua University. Research Report on the Causes of Uplifting of Tongjiezi Hydropower Station’s Right Bank Dam and Effects on the Dam Safety[R].Beijing: Tsinghua University, 2005. (in Chinese))

(编辑：曾小汉)

Causes of Uplift Deformation on the Right Bank of the Damof Tongjiezi Hydropower Station

ZHANG Chao-ping1，WANG Dong1,2，SHEN Ding-bin3，HUANG Hui-bao3, YU Zhen-zhen1

(1.School of Water Resource﹠Hydropower Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Chengdu 610065, China;3. Reservoir and Dam Management Center, China Guodian Dadu River Hydropower Development Co., Ltd., Leshan 614900, China)

Rarely seen abnormalities including settlement on the left and uplift deformation on the right with section

18#as dividing line were found at Tongjiezi Hydropower Station after reservoir impoundment. Through mining the monitored information and analyzing the structural geology and hydrogeology condition, we concluded that the abnormalities are regional chain reactions resulted from the unique structure and hydrogeology, which caused the change of deep confined water after reservoir impoundment. Since the impoundment, water level has remained normal, seepage in the dam site has stablized, and the uplift deformation gradually tends to be stable. At present it is not yet a threat to the safety of dam.

Tongjeizi; uplift of dam body; safety monitoring; correlation analysis; confined water

2013-12-11；

2014-04-10

四川省科技支撑计划项目(2014FZ0043)

张超萍(1989-)，女，湖南邵阳人，硕士研究生，研究方向为水工结构及基础工程，(电话)15184372796(电子信箱)766212650@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.011

2015,32(05):57-60,65

TV698

A

1001-5485(2015)05-0057-04