低温高水位对紧水滩拱坝性态影响实测分析

张巍

（紧水滩水力发电厂，浙江丽水，323000）

低温高水位对紧水滩拱坝性态影响实测分析

张巍

（紧水滩水力发电厂，浙江丽水，323000）

介绍了紧水滩拱坝在低温高水位情况下的结构性态反应，并根据变形及渗流的实测成果就不利工况对拱坝性态的影响进行了分析。

紧水滩拱坝；低温高水位；实测性态分析

0 前言

紧水滩水电站的挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，最大坝高102 m，坝顶高程194 m，坝底宽24.5 m，坝顶宽5 m，坝顶弧长350 m，共分20个坝段。电站水库1986年开始蓄水并投入运行，水库总库容为13.92×108m3，属不完全年调节水库，防洪标准按重现期1 000年设计、重现期10 000年校核，正常高水位184 m，死水位164 m。

影响大坝安全的环境因素有很多，除了特大洪水、大地震等自然灾害外，在正常运行情况下主要有温度和坝前库水位。坝体温度以及坝前水位的变化都会引起大坝结构性态的改变，当温度与坝前水位的变化形成不利组合时，会对拱坝结构性态造成不良影响。

紧水滩拱坝运行过程中曾几次遭遇低温高水位情况，使实测坝体变形及基础渗流量显著增大，并达到历史极值。根据低温高水位期间的实测成果，对紧水滩拱坝实测变形及渗流状况进行分析，以反映其对拱坝结构性态的影响。

1 紧水滩拱坝主要效应量监测及其一般变化规律

反映紧水滩拱坝在各种环境因素作用下结构性态状况的主要效应量——变形及渗流等，工程上对其进行了监测，通过监测揭示了拱坝变形及渗流的一般变化规律，并可根据它们的异常变化及时发现问题。

1.1 监测项目及布置

紧水滩拱坝安全监测项目齐全，运行监测管理规范，至今积累了丰富完整的运行监测成果。2004年在人工监测系统基础上建成并投运了大坝监测自动化系统，在特殊工况下能够针对性地实施快速加密监测，发挥了人工观测无法起到的作用。

1.1.1 变形监测

坝体挠曲变形采用正、倒垂线组监测。在拱冠11号坝段、左右1/4拱弧的7号和13号坝段、左右岸坝肩的4号和17号坝段各布置1组共5组正、倒垂线组，通过设置在相应坝段不同高程的测点监测拱坝沿径向和切向的挠曲变形情况。

拱坝基岩变形主要通过在拱冠附近10号坝段、以及以拱冠为轴对称的2号和19号坝段、3号和18号坝段、5号和16号坝段的坝踵及坝趾部位各设1对（共7对）基岩变形计和测缝计，监测基岩变形以及坝体与基岩接缝变形情况。

1.1.2 渗流监测

坝基渗流量由大坝基础廊道防渗帷幕后坝基排水孔来观测。在3～18号坝段基础廊道幕后各布置1个扬压力监测孔，以反映幕后扬压力沿坝轴线的分布状况，并在4号、10号、12号和15号坝段径向基础廊道各增设2个扬压力监测孔，形成4个扬压力监测横剖面，以反映相应坝段基础扬压力沿上下游的分布状况。

1.2 一般变化规律

紧水滩拱坝实测挠曲变形变化规律表明，每年3月份左右，坝体温度相对较低，坝体向下游挠曲变形达到最大，拱冠左、右侧则分别向左、右岸方向切向位移达到最大；而每年9月份左右，坝体温度相对较高，坝体向上游挠曲变形达到最大，拱冠左、右侧则分别向右、左岸方向切向位移达到最大。紧水滩拱坝变形的变化过程具有与坝址气温相同的年周期，温度变化主导了拱坝的变形规律。

由于紧水滩水库不完全年调节的属性，随流域汛期与非汛期交替，年内水库有一个完整的涨落水过程，水位变幅20 m左右。汛期水库运行有快涨快落的特点，这一过程时段内温度相对稳定，水位变化对混凝土拱坝变形的影响明显，坝前水位升高，坝体向下游挠曲变形增大，拱冠左侧的坝体向左岸位移，右侧的坝体则向右岸位移；坝前水位降低，坝体向上游反弹，拱冠左侧坝体向右岸方向位移，右侧坝体则向左岸方向位移。

坝前水位高低会影响紧水滩坝基扬压力及渗流量大小变化，温度变化同样对坝基渗流状态影响明显。紧水滩拱坝基础渗流量实测成果表明，温度对坝基渗流的影响主要是通过坝体变形起作用，当坝体温度由高向低变化时，大坝向下游挠曲变形，坝踵部位变形会朝拉伸方向变化，拉伸较大的部位可能会引起原有缝隙张大或产生新缝隙，这就会使相应的渗流要素——渗压和渗流量增大。

2 紧水滩拱坝低温高水位组合情况下结构反应

由紧水滩拱坝多年实测性态变化规律可知，当坝体处于较低温度时，若此时坝前水位又较高，这两种主要荷载叠加后会使坝体向下游的挠曲变形及坝基渗流量显著增大。在1995年5月上旬、2010年及2012年的3月经历了3次坝体温度较低状态下坝前水位较高的运行工况，后两次皆发生在坝体温度一般为最低的3月上旬，且坝前水位接近184 m正常高水位，分别为183.67 m和183.08 m，因此拱坝挠曲变形及渗流变化十分明显，其中拱坝向下游径向位移及坝基渗流量达到了历史最大值。自动化监测系统很好地记录了这期间坝体挠曲变形及坝基扬压力的整个变化过程。

2.1 大坝挠曲变形

图1和图2分别为紧水滩拱坝在2010年3月和2012年3月遇低温高水位时坝顶径向位移及上游水位的整个变化过程。图中A4_194X、A7_194X、A11_194X、A13_194X和A17_194X分别为左坝肩4号坝段、左1/4拱弧7号坝段、拱冠11号坝段、右1/4拱弧13号坝段和右坝肩17号坝段顶部径向位移测值（此工程径向位移规定向上游为正）。由过程图看出，随着坝前水位升高，坝体向下游位移，因这期间坝体温度相对稳定，整个变化过程很好地反映了坝前水位对坝体挠曲变形的影响。

图1 紧水滩拱坝2010年2～3月坝顶径向位移及上游水位变化过程Fig.1 Radial displacement of Jinshuitan dam crest and the upstream water level in February and March,2010

图2 紧水滩拱坝2012年2～3月坝顶径向位移及上游水位变化过程Fig.2 Radial displacement of Jinshuitan dam crest and the upstream water level in February and March,2012

比较各年同期观测成果可看到，在2012年2～3月份低温高水位期间，上述坝顶测点向下游侧最大径向位移皆达到历史最大值，其径向位移量依上述测点顺序分别为-10.66 mm、-21.13mm、-25.68 mm、-32.14 mm和-15.88 mm，比2010年同期分别增大1.96 mm、0.49 mm、0.64 mm、3.11 mm和1.85 mm，相对2005年同期则分别增大了2.68 mm、3.40 mm、4.85 mm、6.19 mm和2.68 mm。

在对应期间坝体的切向位移变化同样很明显，但因温度荷载和水压荷载导致的切向位移相反，互相抵消一部分，所以均未超过历史最大值。

2.2 基岩及接缝变形

坝体向下游侧挠曲势必会影响坝踵基础及相应接缝的变形。因监测相应坝踵基岩变形及接缝变形的仪器完好的不多，且当时主要采用人工观测，所以未能记录在相应期间坝基及接缝变形的全过程。

通过比较反映拱冠坝踵基岩变形的M1和坝体与基岩面接缝变形的J1各年同期监测成果可知：拱冠坝踵基岩呈拉伸变形，相应接缝则呈闭合压缩状态；低温期间拱冠坝踵基岩拉伸变形大于同年高温期间的拉伸变形，相应坝体与基岩接缝低温期间的压缩变形小于同年高温状态下的压缩变形；在2012年3月13日低温高水位期间测得拱冠坝踵拉伸变形为2.57 mm，比2010年3月9日的2.09 mm和2005年的0.54 mm分别增大0.48 mm和2.03 mm，坝踵接缝压缩变形则变化不大，反映出低温高水位下坝踵基岩拉伸变形增大明显。

为判断低温高水位工况下坝踵及基岩的受拉变形是否产生结构性损伤，在该工况下对该部位的坝基排水孔进行了检查，通过孔内下橡塞分段观测坝基混凝土、坝体与基岩接触面、基岩各分段渗流量情况以辨识可能损伤部位。试验观测结果表明，渗流主要发生在基岩段，坝踵、坝体与基岩接触面没有产生裂缝等结构性损伤。

2.3 坝基排水量

在坝体处于较低温期间，水位对坝基排水影响显著。1995年5月5日首遇低温高水位时坝基排水总量达历史最大值194.04 m3/d（当天8时库水位为184.20 m），2010年3月9日再遇低温高水位时坝基排水总量达到303.86 m3/d（当天17时35分库水位为183.67 m），超过历史最大排水量；2012年3月10日，低温高水位时的坝基排水量439.72 m3/d（当日0时坝前水位为182.93 m），成为运行以来的坝基最大排水量。

紧水滩拱坝基础排水量的分布主要集中在8～11号河床坝段基础，其中以9号坝段基础排水量最大。上述坝段基础排水量在低温高水位工况下增量显著，远大于正常工况下的坝基排水量，随着水位的降低，坝基排水量迅速减小，表现出坝体处于低温状态时，坝基排水量对坝前水位的变化很敏感，这主要因为上述坝段位于拱冠附近，坝较高，坝体挠曲变形较大。

2.4 坝基扬压力

图3和图4为紧水滩拱坝在2010年和2012年 2～3月期间8～11号坝段基础扬压水位、库水位及相应坝段基础排水量变化过程。图中P07～P10依序反映8～11号坝段基础防渗帷幕后的扬压水位变化情况，由于监测数据由自动化采集，有每小时一次的观测值；“8坝段”～“11坝段”分别为相应坝段基础排水量，由于采用人工观测，一般每月仅有3～4次观测值，但在低温高水位期间加密了观测，每天有1次观测值。

由图可见：紧水滩拱坝在低温高水位期间，随着坝前水位升高，河床坝段基础排水量增大显著；9号和10号坝段幕后扬压水位在这期间没有明显升高，随着所在坝段基础排水量增大而降低；8号和11号坝段幕后扬压水位在初期有升高，但随着所在坝段基础排水量增大转为降低。

3 低温高水位对拱坝的作用影响及相应后果分析

混凝土拱坝处于较低温度状态时，坝体表现为向下游挠曲变形较大。这主要是自下游面至上游面坝体温度场温度呈由低向高分布，使得坝体向下游侧挠曲。在此分布下温度梯度越大，则向下游侧的挠曲变形也就越大。处于低温状态的拱坝对坝前水位更加敏感，坝前高水位将使坝体向下游挠曲变形更大，紧水滩拱坝在2012年3月份的低温高水位期间，坝体径向位移达到了历史最大值。若今后再遇这种情况，变形可能过大而使坝体上游侧相应部位拉应力超标而导致开裂，从而给大坝安全带来隐患。

低温高水位对坝基变形的影响作用也是明显的。坝体温度较低时，坝轴线缩短，使两岸坡基岩压缩变形减小，河床部位坝基因坝体向下游挠曲变形较大使得坝趾部位基岩压缩变形增大，坝踵部位基岩压缩变形减小或拉伸变形增大。若此时坝前水位较高，水压的作用会使得河床部位坝踵基岩压缩变形更小或拉伸变形更大。紧水滩拱坝拱冠部位坝踵基岩实测变形呈拉伸变形，每遇低温高水位，该部位坝踵基岩拉伸变形增大显著，过大的拉应力同样会使基岩原有的裂隙拉开或出现新缝隙。

图3 2010年2～3月份紧水滩拱坝河床坝基渗流量、扬压水位及库水位变化过程Fig.3 Seepage of dam foundation,uplift water level and reservoir water level in February and March,2010

图4 2012年2～3月份紧水滩拱坝河床坝基渗流量、扬压水位及库水位变化过程Fig.4 Seepage of dam foundation,uplift water level and reservoir water level in February and March,2012

低温高水位使得坝基渗流量增大。坝前水位高低除直接以作用水头大小影响坝基渗流量外，还间接通过坝体变形使坝踵部位基岩的拉压状态变化影响坝基渗流。温度对坝基渗流的影响则主要是通过坝体变形所产生的间接影响，即温度降低使坝体向下游侧挠曲变形增大，河床坝踵部位因压缩减小或拉伸增大而使渗流量增大。低温高水位组合对河床坝基渗流条件造成的改变是对坝基渗流性态不利的，若频频出现这种工况，会使坝基渗流对坝前水位变得更敏感。比较紧水滩拱坝先后3次遇低温高水位的坝基实测渗流情况，渗流量一次更比前一次大，说明低温高水位组合可能会引起坝基渗流条件不可逆的不利改变，应尽量避免。

4 结语

分析紧水滩拱坝几次遭遇低温高水位运行时的实测性态，可以得到以下认识：

（1）温度和坝前水压力是影响混凝土拱坝结构性态的两种主要环境因素。当坝体温度处于最低或最高状态时，拱坝向下游或向上游的挠曲变形增大。坝体处于低温状态时遇坝前高水位或高温状态时遇坝前低水位会导致坝体向下游或向上游挠曲变形出现极值，使坝体相应部位拉伸变形增大甚至产生局部拉应力过大、渗流条件改变，这可能会对坝体结构性态产生不利影响。

（2）紧水滩拱坝经历了3次低温高水位组合作用，大坝变形及坝基渗流量皆出现极值。虽然随着坝前水位降低，拱坝变形及渗流恢复常态，但从坝基渗流量及扬压力突变且变得敏感可以推测坝基防渗帷幕已受到局部损伤，低温高水位对坝基渗流条件造成的影响是不可逆的。

（3）运行期间影响拱坝温度变化的主要因素是坝址气温，具有固定的年周期变化，规律是一定的，坝前水位变化则与水库调度有关，非特殊洪水情况可由人为控制，因此在水库调度时，应尽量避免在类似低温高水位工况下运行。

[1]李民.紧水滩大坝安全监测资料分析[R].武汉:武汉大学, 2015.

[2]张巍.紧水滩水电站大坝安全第四次定期检查运行总结报告[R].丽水:紧水滩电厂,2015.

Influence analysis of low temperature and high water level on behavior of Jinshuitan arch dam

ZHANG Wei

Jinshuitan Hydropower Plant

This paper introduces the structural performance reaction of Jinshuitan arch dam under the condition of low temperature and high water level.Based on monitoring data of deformation and seepage, the behavior of arch dam under unfavorable cases is analyzed.

Jinshuitan arch dam;low temperature and high water level;observed behavior analysis

TV698.1

：B

：1671-1092（2017）04-0042-05

2017-05-08

张巍（1966-），男，江苏无锡人，高级工程师，从事水库大坝安全运行管理。

作者邮箱：zhang_wei6611@163.com