柬埔寨达岱水电站面板堆石坝变形分析

赵文胜，徐 轶

(1. 柬埔寨达岱水电有限公司，柬埔寨王国 金边，12152；2. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010；3. 国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

0 引 言

混凝土面板堆石坝因其较优的安全性、经济性和地基适应性，在国内外工程建设中得到了大力发展和广泛应用[1,2]。但与一般土石坝相比，该坝型对筑坝堆石料要求较高。工程界常以饱和无侧限抗压强度30 MPa为限将岩石分为硬岩和软岩[3]，为减小坝体变形、控制面板裂缝的产生，以往较多工程均要求采用硬岩筑坝。但软岩料分布更为广泛，开采成本低，利用当地软岩开挖料进行堆石坝填筑，不仅能降低造价，加快工程建设，而且也有利于保护生态环境，具有重大的经济和社会效益。随着筑坝技术的进步，软岩料筑面板堆石坝的应用不断增多。如国内的天生桥一级、董菁、大坳、盘石头、魁龙等工程，都大量利用或部分利用软岩料筑坝[4,5]。

由于软岩料强度偏低，具有高压缩性，受荷后变形较大；且软岩料含泥量高，受温度循环、干湿交替等因素影响易发生风化崩解，流变特性显著。利用软岩构筑面板堆石坝，坝体的变形控制需特别注意，尤其是大坝长期变形特性对其安全性的影响[6]。随着高面板堆石坝建设的快速发展和对生态环境要求的不断提高，软岩料的使用范围和利用量将进一步加大，软岩筑坝安全也越来越受到重视。由于面板堆石坝的设计、施工很大程度上仍然依赖于工程经验，结合工程实践开展软岩面板堆石坝的变形特性和安全性研究，将有助于软岩筑坝技术的提高和发展。

本文以柬埔寨达岱水电站工程为背景，通过变形监测资料分析及三维有限元仿真反演分析，探究软岩筑面板堆石坝的变形性状及其长期安全性。达岱水电站软岩筑面板堆石坝的成功经验及其变形性状的基本规律，对于同类工程具有一定的借鉴与参考意义。

1 筑坝材料特性及施工过程

达岱水电站位于柬埔寨王国国公省境内的达岱河上，水库总库容4.5 亿m3，是以发电为主的Ⅱ等大(2)型工程，装机容量246 MW，年发电量8.58 亿kWh。水库校核洪水位217.75 m，正常蓄水位215.0 m，死水位180.0 m。枢纽建筑物主要由主坝、副坝、岸边溢洪道、引水隧洞和岸边地面厂房等组成。主坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程220.0 m，河床趾板高程105.0 m，最大坝高115 m，坝顶轴线长882.2 m，坝顶宽度9 m，上游坝坡坡比1∶1.4，下游坝坡综合坡比1∶1.5。大坝堆石体分区及典型横剖面图见图1。

图1 柬埔寨达岱水电站主坝典型横剖面图(单位：m)Fig.1 Typical profile of the main dam of the Stung Tatay hydropower station in Cambodia

主坝坝体堆石料填筑方量713 万m3，料源为Ⅱ#低位石料场(位于主坝右岸引水明渠出口)开采料及溢洪道、引水明渠开挖料(与Ⅱ#低位石料场地层岩性相同)。料场地层岩性为侏罗系中统沉积岩，主要为长石石英砂岩、泥质粉砂岩及泥岩，为软硬岩水平薄互层结构。根据试验资料，长石石英砂岩饱和单轴抗压强度平均值为93.6 MPa，泥质粉砂岩为21.48 MPa(见表1)，经开挖混合后，形成软硬岩混合石料。

表1 岩石物理力学试验成果统计表Tab.1 Results of physical and mechanical tests of rock materials

2010年12月主坝开始坝体填筑，2011年6月填筑至高程170 m度汛，2012年5月填筑至高程200 m度汛，同年9月填筑至高程216 m，填筑基本完成。坝体堆石料填筑技术要求见表2。经施工期质量检测，大坝填筑材料合格，填筑过程符合设计及规范要求、各种现场试验检测合格，施工过程中未发生质量事故。水库于2013年11月下闸蓄水，2014年8月机组并网发电。自投产至今，达岱水电站已经历了五个汛期的检验，面板堆石坝运行状态稳定、正常。

表2 坝体堆石料填筑技术要求Tab.2 Technical requirements for rockfill materials

2 变形监测资料分析

2.1 坝体变形监测布置

主坝变形监测设0+294.0 m，0+454.0 m和0+614.0 m 三个典型监测断面。其中堆石体内部变形监测包括沉降变形和水平位移，主要监测仪器有水管式沉降仪、电磁式沉降仪、引张线式水平位移计。由于仪器变形、水管堵塞等原因，目前堆石体内部沉降变形监测仪器均已失效。表面变形监测主要包括水平位移、垂直位移(沉降)，在坝顶(高程220.0 m)、高程190.0、160.0、130.0 m 马道布置水平位移和垂直位移测点，分别采用视准线法、精密水准法进行观测。由于坝后视准线测点破坏严重，不具备监测条件，目前只对坝顶水平位移和垂直位移(沉降)进行定期观测。

2.2 内部沉降变形监测成果分析

选取河床部位0+454.0断面进行分析，该断面高程192、162、132 m水管式沉降仪起测时间分别为2012年7月15日，2012年4月25日，2011年12月23日。截至2015年8月19日，各测点的沉降分布见图2。由图2可知，坝体内部沉降增量随高程增加逐渐增大，实测沉降最大值为0.936 m，占最大坝高的0.83%；同一高程各断面测点沉降在坝轴线处最大，向上、下游方向均逐渐减小，沿坝轴线呈对称分布，实测沉降分布基本符合坝体变形规律。

图2 河床坝段0+454.0断面测点沉降分布Fig.2 Distribution of measured sedimentation at the 0+454.0 section

水管式沉降仪在下游观测房测点起测后才有监测数据，电磁式沉降仪在填筑后即开始起测，起测时间较早，但2012年12月后电磁式沉降仪已基本失效。根据监测成果，电磁式沉降仪实测沉降最大值发生在0+615.0断面、高程192 m(约2/3坝高)坝轴线处的ES7-6测点，最大沉降达1 257 mm。主坝河床0+454.0断面、高程192 m处两类沉降仪的测点沉降时程曲线对比见图3。从累积沉降变形来看，两类监测仪器在相同位置的实测沉降规律相似，由于电磁式沉降仪较早，因此实测沉降值更大；但从增量沉降变形来看，相同时段内水管式沉降仪的实测数据反而较大。从偏安全角度考虑，本文选取水管式沉降仪实测结果进行有限元反演分析。因仪器起测前存在一定漏测值，进行反演分析时应适当加以修正。

图3 河床坝段0+454.0断面测点沉降过程线Fig.3 Evolution of measured sedimentation at the 0+454.0 section against time

2.3 表面变形监测成果分析

2015年8月开始对坝顶表面位移进行监测，监测成果见图4，其中图4(a)为上下游方向的水平位移，图4(b)为坝轴线方向的水平位移，图4(c)为竖向沉降。由图4可见，坝顶河床断面变形大于两岸，符合一般规律。截至2017年7月22日，向下游最大变形为82.13 mm，沿坝轴线变形基本对称，向左岸的最大变形为24.5 mm，向右岸的最大变形为13.6 mm，坝顶最大沉降171.57 mm。坝顶沉降随时间不断增大，但增大速度逐渐放缓，有趋于收敛的趋势。

图4 坝顶表面变形监测成果Fig.4 Monitored deformation results at dam crest

随着运行时间增长，大坝堆石体在自重、水压循环等各种外荷载作用下发生颗粒重组导致堆石孔隙率变化，从而引起大坝整体变形，但随着水压循环荷载的作用，这种颗粒重组逐渐稳定，大坝变形也将趋于收敛和稳定。

3 反演分析

3.1 三维有限元计算分析

主坝坝体变形监测设施已大部分失效，造成监测数据一定程度缺失。为及时准确掌握大坝的变形性态，采用三维有限元计算方法对坝体变形进行反演分析及预测。根据坝址区地质条件和坝体分区特点，建立了坝体三维有限元模型，如图5所示。其中，Z轴为坝轴线方向，以左岸为Z轴起点，水平方向自上游到下游为X轴，铅直方向为Y轴。该模型材料分区包括堆石体，混凝土面板、趾板和挤压边墙，接触面及接缝。

图5 主坝有限元模型示意图Fig.5 Finite element model of the main dam

面板坝整体结构变形性态预测的合理性和可靠性取决于堆石体本构模型的选取。堆石体变形不仅随荷载的大小而变化，还与加荷的应力路径相关，应力应变关系呈现明显的非线性特性[7]。堆石体本构模型采用邓肯E-B模型，以切线弹性模量Et和切线体积模量Bt为基本参数，其表达式为[8]：

(1)

(2)

其中：

(3)

卸载时采用回弹模量Eur，其表达式为：

(4)

式中：Pa为单位大气压力；Rf为破坏比；c、φ为抗剪强度指标；K、n分别为杨氏模量系数及其随围压而增长的幂次；Kb、m分别为体积变形模量系数及其随围压而增长的幂次；Kur、nur分别为回弹模量系数及其随围压而增长的幂次。

堆石坝采用分层碾压技术填筑而成，无论是在填筑施工期还是在水库蓄水期，堆石坝的流变过程都伴随着应力状态的变化[9]。考虑坝体堆石料的流变特性，采用滞后变形模型进行大坝的流变计算分析。滞后变形的概念最早由Bjerrum[10]提出，假定材料的黏性只与弹性相联系，任何一个弹塑性模型加上蠕变项，即得到相应的滞后变形模型。

增量流变模型中，切线流变体积模量Kt和剪切模量Gt分别为[8]：

(5)

(6)

式中：Rsf为破坏比；kv、nv、ks、ns为模型参数，可由室内流变试验结果确定。

3.2 参数反演

主坝应力变形采用非线性有限元方法计算，根据大坝实际施工分级填筑特点，采用逐级加载方式，模拟坝体填筑及水库蓄水过程。通过选取相对停工的时段，采用免疫遗传算法作为优选模型参数的方法，反演堆石料的流变模型参数；通过选取加载增量时段，反演堆石料邓肯E-B模型参数；通过流变模型参数和邓肯E-B模型参数的交叉反演，直到对应测点沉降计算值与实测值的误差达到允许范围内，确定最终反演参数。参数反演具体方法如下：

(1)确定计算时段，取2012年7月15日到2012年9月24日时段(大坝从205 m填筑至216 m)为加载增量时段；取2012年9月25日到2012年11月17日时段(大坝已填筑到坝顶、未浇注面板，该时段无外荷载产生)为停工流变时段。

(2)参考本工程设计阶段的室内三轴试验资料，拟定堆石料邓肯E-B模型参数初始值；根据邓肯E-B模型参数初始值和加载增量时段的实测沉降增量(包括瞬时变形和流变变形)，反演确定流变模型参数初始值。

(3)进行参数敏感性分析，根据计算参数及结果的变异性，选取敏感性较强的测点作为反演分析拟合对象。经分析，确定坝轴线处沿高程分布的水管式沉降仪测点(0+454.00断面高程132 m处TC5-4，高程162 m处TC4-3，以及高程192 m处TC3-2)为主要拟合对象。

(4)进行反演分析，取停工流变时段的实测沉降增量，反演堆石料的流变模型参数；取取加载增量时段的实测沉降增量，反演堆石料邓肯E-B模型参数。根据反演分析测点变形的计算值与实测值，计算目标函数，判断反演分析的精度，直到满足条件，停止反演。

参数反演分析结果见表3和表4。

3.3 反演计算成果分析

根据反演参数，考虑流变效应进行大坝三维有限元计算，得到反演测点沉降变形增量计算值和实测值的对比见图6。

由图6可知，堆石体瞬时变形增量和流变增量的计算值和监测值趋势一致，且与反演测点的变形拟合较好，说明反演参数是可靠的。因水管式沉降仪起测时间较晚、大坝相对停工时段也较短，反演计算的时间跨度共4个月。从计算结果来看，大坝三维有限元反演分析成果基本合理。

表3 堆石料邓肯E-B模型计算参数反演值Tab.3 Inversion parameters of Duncan E-B model for rockfill materials

表4 堆石料增量流变模型计算参数反演值Tab.4 Inversion parameters of incremental rheological model for rockfill materials

图6 河床断面坝轴线测点位移计算结果Fig.6 Calculated displacement at measuring points on dam axis

利用该模型预测2011年11月-2017年7月大坝的变形性状。图7所示为河床坝段0+454.0断面高程192.0 m坝轴线处测点沉降变形过程线计算值和水管式沉降仪测点TC3-2实测值的对比。其中，考虑安装时间滞后引起的漏测，对水管式沉降仪实测值加以修正，将起测时间节点(2012年7月15日)的计算值作为补偿量，叠加到实测值中。可以看到修正后的实测值与计算值较为接近，变化规律一致，各测点变形较初次蓄水后有所增加，并逐步趋于稳定，符合大坝运行3年状态下的变形发展规律，表明反演参数可以较好地反映大坝变形规律。

图7 河床断面坝轴线测点沉降过程线Fig.7 Evolution of calculated sedimentation at the 0+454.0 section against time

图8所示为2015年8月-2017年7月时段内坝顶表面位移累计实测值与计算值的对比。从图8中可以发现，反演计算坝顶三向变形规律与监测成果规律一致，二者吻合较好，进一步验证了反演参数计算大坝运行期变形的可靠性。

图8 坝顶表面变形计算成果Fig.8 Calculated deformation results at dam crest

根据反演计算参数预测运行期大坝应力及变形性态，结果表明，大坝满蓄运行3年后，最大沉降增加到153.0 cm，流变效应使得坝体体积微缩，向上游方向的变形减小到20.2 cm，向下游变形增加到74.4 cm。预测得到主坝的变形特性与国内若干座软岩筑面板坝对比见表5。达岱水电站主坝沉降率超过坝高的1%，沉降变形尚处在百米级面板坝沉降正常范围以内，水平位移符合一般面板坝的变形规律。

表5 国内若干座软岩筑面板坝变形特性对比Tab.5 Comparison of deformation characteristics of several CFRDs in China

4 结 语

坝体变形是影响软岩筑面板堆石坝安全的主要因素。本文以达岱水电站115 m级高混凝土面板堆石坝为例，分析了坝体变形监测成果，大坝实测位移分布基本符合面板坝变形规律，且蓄水三年后，大坝变形趋于收敛和稳定；采用三维有限元仿真进行了反演反馈分析，通过反演参数计算得到的大坝变形及流变与实测结果基本吻合，有效预测了运行期大坝长期变形；与同类工程相比，达岱水电站主坝沉降率超过坝高的1%，沉降变形尚处在百米级面板坝沉降正常范围以内。达岱水电站主坝采用软硬料填筑，发挥了堆石坝就地取材的优势，大坝变形性态基本稳定，运行状况良好，表明该电站利用软岩料筑坝是成功的。