杜小凯,王民浩,党林才,李 瓒,顾冲时
(1.水电水利规划设计总院,北京100120;2.中国电力建设集团有限公司,
北京100048;3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西西安710065;
4.河海大学,南京江苏210098)
高拱坝库盘变形及对大坝工作性态影响初探
杜小凯1,王民浩2,党林才1,李瓒3,顾冲时4
(1.水电水利规划设计总院,北京100120;2.中国电力建设集团有限公司,
北京100048;3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西西安710065;
4.河海大学,南京江苏210098)
摘要:通过对高拱坝库盘实测变形进行分析,库盘整体呈坝前下沉、坝后相对基准点略有抬升的翘曲变形。研究了库盘变形的影响因素,结合小湾工程,建立包括库区、坝基和大坝的大范围数值模型,开展高拱坝库盘变形对大坝工作性态影响的初步研究工作。研究成果揭示了库盘变形的一般性规律,并提出了评价大坝工作性态时应考虑库盘变形影响的建议。
关键词:高拱坝;库盘变形;监测;工作性态;反演
0引言
我国西部地区水能资源富集,正在修建或拟建一系列高坝大库水电工程,其中混凝土拱坝占有一定比例,例如坝高294.5 m、总库容150亿m3的小湾拱坝,坝高305 m、总库容77.65亿m3的锦屏一级拱坝,坝高289 m、总库容206.2亿m3的白鹤滩拱坝等。这些工程地形地质条件复杂[1- 2],工程技术难度大,如何确保工程安全和科学设计,对工程师提出了更高的要求。工程经验表明,拱坝坝身最大径向位移是衡量拱坝工作性态和安全性的重要指标,但常规的高拱坝工作性态分析研究中,忽略了库盘变形的影响。20世纪80年代,已有工程师注意到高拱坝库盘变形的问题,并开展了探索性的研究工作[3- 4]。随着水电工程设计和科学技术水平的发展,对高拱坝的库盘变形问题认识不断深入,高拱坝库盘变形研究中需要注意和解决的关键科学技术问题也相应需要进行系统深入的研究。
1问题的提出
工程师在实际工作中往往发现拱坝坝体变形的数值计算成果与监测数据差异很大,也有一些工程在蓄水阶段的监测资料表明:在库水位、温度和库盘变形以及坝体特定结构作用下,坝体有向上游倾倒的变形现象。以龙羊峡和小湾水电站工程为例进行说明。
图1 小湾水电站拱冠梁22号坝段2种计算模型不同水位计算径向变形与监测成果对比
(1)龙羊峡水电站。龙羊峡水电站建设于20世纪80年代。拱坝坝高178 m,坝顶高程2 610 m。大坝可将黄河上游13万km2的年流量全部拦住,总库容为247亿m3。工程蓄水期间,拱冠梁数值计算结果大于监测值。大坝拱冠梁坝段2 600 m高程处,当蓄水位至2 575 m时,大坝变形锤线实测值为16.28 mm。在考虑库盘作用计入库盘变形分量后,总计算值与实测值拟合较好。其中,径向变位的计算值由3部分组成:水位分量为22.99 mm,温度分量为2.97 mm,库盘变形分量为-10.00 mm,总计算值为15.97 mm,实测值与总计算值的比值为1.02。
(2)小湾水电站。小湾拱坝坝高294.5 m,为澜沧江梯级电站的“龙头水库”,水库正常蓄水位1 240 m,总库容约150亿m3。工程蓄水期间,拱坝径向变形的数值计算结果与监测成果有较大差别,如图1所示。可见监测所得的位移值小于计算值。监测成果和计算值的起算点不同是有差别的原因之一,但不是全部原因(蓄水位1 210 m监测值可和1 190 m计算值对比)。根据龙羊峡水电站库盘研究的经验推测,水库库盘的变形对小湾拱坝坝体变形应有一定影响。
2高拱坝库盘变形分析的影响因素
高拱坝库盘变形的影响因素有水体大小、地质条件、库盘型式及影响范围等,因地质条件等因素极其复杂,本研究初步对库盘形式、库盘模拟范围、库水压力等进行分析。
(1)库盘形式。分析不同的地形条件,如坝前直线型河道(图2a)、坝前分岔型河道(图2b)、坝前突变宽的河道(图2c)等地形条件或不同库盘形式对库盘变形的影响。
图2 高坝大库的水库形式
(2)库盘范围。重点研究库盘的宽度、深度及长度对库盘变形的影响,同时考虑库盘往下游延伸不同长度情况对库盘变形的影响。
(3)库水压力。分析不同库水位、确定的地形条件(即库盘型式、地质条件以及库盘范围不变)下,水库水压对库盘变形的影响。
图3为图2所示的水库库盘沉降计算结果。可见:水库上游河道中部沉降量最大,向两岸及沿纵剖面往基岩深部的沉降量逐渐减小,下游沉降较小,库盘变形整体倾向上游;直线型河道库盘最大沉降发生在纵向河道中部,分岔型河道最大沉降发生在分岔处,突扩型河道最大沉降发生在突扩后的河道水体重心部位。随着库盘上游范围的增加(5→30 km),上游垂直河道纵剖面的变形分布渐趋于收敛;随着库盘基岩深度增加(3→10 km),库盘变形逐渐收敛;不同的库盘下游范围(5→10 km)对库盘变形影响较小。随着坝前水位增加,库盘沉降逐渐增大。
图3 水库库盘沉降计算结果
针对库盘型式、基岩深度、上游延伸长度、下游延伸长度和不同水位等影响因素,采用改进熵值法建立赋权模型,得到上述因素的权重分别为0.37、0.17、0.11、0.05、0.30,可以看出:在库盘水体自重作用下,突扩型河道由于库盘水体自重最大,对高拱坝变形影响最为显著;河道宽度一定的情况下,水库水位越高,高拱坝倾向上游的变形和沉降越大;地基深度对模型计算结果也有一定影响,深度取到距坝基一定距离后,影响渐趋于收敛;上游长度和下游长度的权重较小。
在此基础上,下文结合小湾工程实测资料,建立小湾库盘模型,研究小湾高拱坝库盘变形及对大坝工作性态的影响。
3小湾库盘变形及对大坝工作性态影响分析
3.1小湾库盘变形实测变化规律
小湾库区形态为分叉型。小湾高拱坝库盘变形监测水准网平面布置如图4所示,监测范围从坝址上游1 km至坝址下游4 km,观测线路总长33 km。整个库盘变形监测网共布置有33个水准点,其中上游水库区内15个,下游18个。根据库盘水准实测成果,小湾库盘变形规律为坝上游下沉、下游略有抬升的翘曲变形,测值-1.6~35 mm,沉降最大值位于坝上游侧1 km处,最小值位于坝下游4 km处,坝址区库盘向上游有微量旋转,如图5所示。
图4 小湾库盘变形监测水准网
图5 小湾库盘变形沉降量分布
3.2小湾库盘数值分析模型及变形模量反演
小湾库盘模型如图6所示,结合分叉型河道模型范围研究成果,考虑近坝区、库区概化地质分层以及主要地质构造F1、F2断裂带及F7断层范围,确定小湾远坝库盘模型边界范围取上游44 km,下游21 km,左岸40 km,右岸50 km,基础深度10 km,共建立单元934 740个,节点958 636个。
图6 小湾库盘数值分析模型
根据小湾库区周边的水准实测资料,以水准位移计算值与实测值之差的平方和的平方根作为反演的优化目标函数,即
(1)
式中,δic为库盘水准测点对应的节点计算值;δim为库盘水准实测值;N为测点个数;K为复测次数。当S达到最小时,此组参数是库盘材料参数的合理值。
库盘变模反演时,需先拟定材料参数的各种组合,计算库盘水准测点对应的变形。各组材料参数按下式确定:
(2)
式中,Eu、El分别是参数建议区间上下限;λ为分配系数。
结合小湾库盘水准实测资料,利用优化方法,反演小湾库盘基岩的分区分层参数。建立了目标函数如图7所示,得到目标函数达到最小时的最优分配系数λ=0.576,据此可得到小湾上游库盘变形模量随深度的变化规律:
E=6.3535×lnh+25.41
(3)
式中,E为库盘变形模量;h为库盘深度。库区浅表风化岩体变形模量取1.9 GPa。
图7 利用库盘水准资料进行小湾库盘变模优选反演 λ-S关系曲线
3.3小湾坝体弹性模量反演
在小湾库盘变形分析的基础上,建立小湾近坝区模型进行小湾坝体弹性模量反演(反演原理见文献[4]),据此研究库盘变形对小湾高拱坝工作性态的影响。为精细模拟小湾近坝区复杂地质条件,小湾近坝区模型共剖分779 914个单元,821 914个节点,其中坝体单元530 173个。
3.3.1小湾大坝变形影响因素的分量分离模型
由小湾拱坝水平位移监测资料的时空分析可知,大坝变形主要由水压分量、温度分量和时效分量组成,即
δ=δH+δT+δθ
(4)
式中,δ为位移值;δH、δT、δθ分别为水压分量、温度分量、时效分量。
(1)水压分量。小湾拱坝任一点在水压作用下产生的位移δH与大坝上游水深的1~4次方有关,故水压分量为
(5)
式中,Hu、Hu0分别为监测日、始测日对应的上游水头;a1i为水压因子回归系数。
(2)温度分量。选用周期项因子模拟坝体温度场的变化,即
δT= ∑2i=1b1isin2πit365-sin2πit0365æèçöø÷éëêê+
(6)
式中,t为监测日到始监测日的累计天数;t0为建模资料系列第1个监测日到始测日的累计天数;b1i、b2i分别为温度因子回归系数。
(3)时效分量。小湾大坝产生时效变形的原因极为复杂,位移变化的时效分量δθ可以表示为
δθ=d1(θ-θ0)+d2(lnθ-lnθ0)
(7)
式中,θ为监测日至始测日的累计天数t除以100;θ0为建模资料系列第1个测值日到始测日的累计天数t0除以100;d1、d2为时效因子回归系数。
综上所述,考虑初始值的影响,得到小湾大坝位移统计模型为
δ= a0+∑4i=1[a1i(Hiu-Hiu0)]+
d1(θ-θ0)+d2(lnθ-lnθ0)
(8)
通过建立小湾大坝径向位移各影响分量分离模型,将坝体径向位移的水压分量、温度分量和时效分量进行逐步分离,如图8所示。
由图8可知,小湾大坝径向位移中,水压分量所占比例最大,水位升高,大坝向下游位移量增大;温度变化对坝体径向位移也有一定的影响,温度升高引起大坝向上游变形,温度降低引起大坝向下游变形,且大坝高程越高,温度分量越大;同时,大坝径向向下游变形具有一定的时效分量,表明大坝有向下游变形的趋势。
3.3.2小湾坝体弹模反演结果
考虑小湾库盘变形影响,进行水压作用下的大坝变形计算,结合3.3.1中分离的水压分量,进行小湾坝体弹性模量反演,结果见表1,小湾大坝A、B、C区混凝土反演综合弹模分别为27.96、27.18、26.19 MPa。
表1小湾坝体混凝土弹性模量反演结果
/GPa材料分区μE0/GPaf'c'/MPa反演后的E/GPa坝体A区0.1825.891.41.627.96坝体B区0.1825.171.41.627.18坝体C区0.1824.251.41.626.19
图8 小湾大坝河床坝段坝顶径向位移分量分离结果
2012年小湾第4阶段蓄水期间,曾利用大坝(9号、15号、19号、22号、25号、29号和35号坝段)锤线实测资料反演得到的坝体混凝土综合弹性模量为33.05GPa(未考虑库盘变形影响)。与表1结果对比,在考虑库盘变形对大坝工作性态影响之后,小湾大坝的综合弹性模量值有一定降低。因此,针对高拱坝大库工程,由于库水压力对库盘施加荷载造成了库盘发生一定的沉降,并使坝基产生向上游的小角度倾斜,对大坝工作性态有一定影响,故在对大坝材料力学参数进行反分析时,建议考虑库盘变形,从而得到更为接近实际的参数。
3.4库盘变形对大坝工作性态影响
根据上述参数反演结果进行小湾库盘变形对大坝工作性态影响的计算分析,小湾库盘变形作用下(1 240 m水位)大坝顺河向位移如图9所示。库盘变形作用下,小湾大坝坝体向上游倾倒变形,其中河床坝段向上游倾倒位移较大。初步计算表明,22号坝段坝顶向上游位移为18.46 mm,坝基倒垂点963 m高程向上游位移为13.26 mm,基岩倒垂基点向上游位移为12.01 mm,故相对于倒垂基点,小湾22号坝段坝顶1 245 m高程向上游位移为6.45 mm。
当前研究仅是针对库盘变形对大坝变形的影响,今后将进一步开展库盘变形对大坝应力及大坝整体稳定性的影响分析。
图9 小湾库盘变形作用下大坝顺河向位移分布(1 240 m水位)
4结论
本文结合小湾工程,开展了高拱坝库盘变形及对大坝工作性态影响的初步研究,得到如下结论:
(1)研究了库盘型式、库盘范围、库水压力等影响因素,采用改进熵值法建立赋权模型分析了各因素的影响权重,揭示了各因素对高拱坝库盘变形数值分析的影响规律。
(2)结合小湾工程,利用库盘沉降和坝体水平位移实测资料,反演了小湾库盘变形模量和坝体弹性模量,在考虑库盘变形对大坝工作性态影响之后,小湾大坝的综合弹性模量反演值有一定降低。
(3)研究成果可为已建工程运行过程中出现的坝体、坝基及谷幅变形“疑点”分析提供参考,同时针对高坝大库工程,由于库水压力对库盘施加荷载造成库盘发生一定的沉降,并对大坝变形有一定影响,故建议在分析评价大坝工作性态时,应考虑库盘变形。
(4)拱坝为超静定结构,库盘变形对坝体的影响不是简单的坝体-坝基整体刚体变形问题。库盘变形受库区形态、地质条件、库水压力等多方面影响,问题极其复杂。国内外已有一定数量超过百亿库容的超高拱坝工程,应开展相应问题的调研工作,进一步研究工程是否存在“库盘变形”的判据,总结提炼考虑不同库盘地质条件、库水压力、水库形态等因素的高拱坝库盘变形的一般性规律。
参考文献:
[1]潘家铮, 何璟. 中国大坝50 年[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2000.
[2]李瓒, 陈飞, 郑建波, 等. 特高拱坝枢纽分析与重点问题研究[M]. 北京: 中国电力出版社, 2004: 1- 10.
[3]刘允芳. 岩体地应力与工程建设[M]. 武汉: 湖北科学技术出版社, 2000: 244- 246.
[4]顾冲时, 吴中如. 大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用[M]. 南京: 河海大学出版社, 2006: 182- 186.
[5]张礼兵, 沈静, 赵二峰, 等. 小湾高拱坝库盘变形作用效应研究与探索[J]. 水力发电, 2014, 40(12): 90- 93, 108.
(责任编辑王琪)
Preliminary Study on High Arch Dam Reservoir Basin Deformation and Its Effect on Dam Operating Behavior
DU Xiaokai1, WANG Minhao2, DANG Lincai1, LI Zan3, GU Chongshi4
(1. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China; 2. Power Construction Corporation of China,Beijing 100048, China;3. PowerChina Xibei Engineering Corporation Limited, Xi`an 710065, Shaanxi, China;4. Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China)
Abstract:Based on the monitoring data of high arch dam reservoir basin deformation, it is found that the reservoir basin shows a warping deformation with settlement in front of the dam and a little uplift behind the dam. Therefore, in order to study the deformation of high arch dam reservoir basin and its effect on dam operating behavior, the affecting factors are studied firstly, and then, the numerical model is built for Xiaowan Hydropower Station Project, in which, the reservoir area, dam foundation and dam are included. The research results reveal the general law of reservoir basin deformation. It is also proposed that the deformation caused by reservoir basin should be taken into consideration when evaluating dam operating behavior.
Key Words:high arch dam; reservoir basin deformation; monitoring; operating behavior; inversion
中图分类号:TV642.4
文献标识码:A
文章编号:0559- 9342(2016)01- 0040- 05
作者简介:杜小凯(1979—),男,北京人,高级工程师,博士,主要从事水工结构研究工作.
收稿日期:2015- 07- 15