梅山水库连拱坝垂直位移监测资料时空分析

余常新

(安徽省梅山水库管理处，安徽 金寨 237300)

梅山水库枢纽工程包括拦河坝、溢洪道、泄洪隧洞、泄水底孔、发电厂、坝后桥等。拦河坝由连拱坝、接拱重力坝和空心重力坝组成。坝轴线长443.5m,东接溢洪道长101.6m,总长545.1m。连拱坝由15个垛和16个拱组成,从左向右依次编号为1号～16号。右岸重力坝长16.00m,高18.4m,左岸重力坝长26.7m,高18.4m。1958年初建成蓄水运行。1962年11月右岸坝基发生基岩错动及大面积漏水事故,1963～1966年放空水库,对大坝和坝基进行了加固处理,于1993年开展了首次大坝安全定期检查。2002年4月梅山水库大坝经大坝安全鉴定被评定为三类坝。2008～2010年实施了除险加固,2016年11月开展了除险加固后的首次大坝安全鉴定,被鉴定为“二类坝”。

1 垂直位移监测点布置情况

梅山大坝垂直位移监测始于50年代末,水准网布设经过2次改进,监测精度大有提高,重点监测线路有两条，分别设在坝顶和坝下。坝顶从左向右分别为1号拱西至延长坝段15个垂直位移监测点,坝下为4号垛至13号垛10个垂直位移监测点。共计25个垂直位移测点。由于篇幅的限制,下面着重分析1999～2018除险加固工程前后20年,坝顶垂直位移时空变化规律,为分析方便,垂直位移以下沉为正、上抬为负。垂直位移监测点布置如图1所示。

2 垂直位移统计模型分析

2.1 统计分析模型

混凝土坝垂直位移主要受水压、温度以及时效等因素的影响。因此坝体位移由水压分量、温度分量和时效分量组成。对于连拱坝而言,拱筒和支墩在水压荷载作用下,拱筒有拱梁效应,并会将此效应传递给支墩。因此,坝垛任一点在水压作用下产生的水压分量取到水深的4次方,温度分量是由拱筒和支墩温度变化引起的坝垛位移。根据坝垛混凝土温度资料分析可得,坝垛混凝土的温度基本上达到了准稳定温度场,故坝体温度变化主要取决于边界温度(水温、气温),基本上呈年周期性变化。坝体温度可用周期函数或边界气温等因子表示。时效分量的原因极为复杂,它包括坝体裂缝、大坝加固引起的结构变化,以及坝体混凝土和基岩的蠕变及基岩地质构造的压缩变形等引起的不可逆变形等因素。时效位移一般在蓄水初期变化剧烈,其后渐趋平稳。根据梅山大坝的特点,并考虑初始值的影响,得到梅山大坝的垂直位移(x、y)的统计模型为:

δ=δH+δT+δθ

(1)

其中,δ为坝体位移;δH、δT、δθ为分别为水压分量、温度分量和时效分量。常用分析公式如下:

(2)

2.2 垂直位移统计成果分析

2.2.1 统计模型精度分析

2.2.2 各分量对垂直位移的效应分析

为了定量分析和评价各分量对垂直位移的影响,用统计模型分离得到各分量。选择具有代表性的典型时段2015年的垂直位移年变幅为例,2015年最大实测值及相应分量统计如表1所列,从表1可见，① 温度分量(δT)是影响坝顶垂直位移的主要影响因素,坝顶垂直位移所有测点都选上了温度因子,垂直位移随温度的变化而变化,一般温度升高,测点上抬,温度下降,则测点下沉。但温度变化对垂直位移的影响,随区域不同而不同。坝顶垂直位移受温度的影响较大,在2015年坝顶垂直位移年变幅中,除延长段拟合较差(拟合值比实测值差55%)外,其余14个测点均拟合的很好,温度分量约占89%～97%。②水压分量(δH)对坝顶垂直位移有一定影响,库水位升高时,垂直位移下沉量加大,即水压分量增大;水位降低时,垂直位移下沉量减小,即水压分量减小。总体而言坝顶垂直位移中水压分量较小,在2015年坝顶垂直位移年变幅中,除延长段(23%)外,水压分量约占5%～10%;③时效分量(δθ)年增加量很小,垂直位移时效分量已基本趋于稳定。在2015年坝顶垂直位移年变幅中,时效分量基本在10%以内。

表1 坝顶垂直位移2015年年变幅及其各分量统计表 mm

3 坝顶垂直位移监测资料时空分析

3.1 坝顶垂直位移的变化规律

图2为库水位和坝区气温过程线, 图3和图4为坝顶左右两岸6个代表性测点2号、3号、9号、11号、13号、15号垛的实测过程线,由图3及图4可见:①各垛坝顶垂直位移的变化规律相近,受温度变化影响较大,都呈年周期性变化。一般温升时坝顶垂直位移减小,呈上抬趋势,温降时坝顶垂直位移增大,呈下沉区势。垂直位移的最大值一般出现在每年的12月～次年的2月份,最小值出现在6月～8月份。同时不同坝垛的坝顶垂直位移受温度影响程度不同,由两岸向河床坝段逐渐增大。水压对坝顶垂直位移有一定的影响,库水位升高,坝顶垂直位移增大;反之垂直位移减小。但总体而言,水压对坝顶垂直位移的影响比温度影响要小。②2010年除险加固工程完工后,河床坝段坝顶垂直位移年周期性变化与除险加固前变化不大,但加固后冬季坝顶沉陷量减小,夏季坝顶升抬量亦减小,说明除险加固减缓了坝顶的不均匀沉降。总体上,坝顶垂直位移测值年周期性变化规律明显,测值变化过程稳定。

图2 1999～2018年度库水位、气温过程

图3 1999～2018年坝顶左岸部分测点垂直位移过程线

图4 1999～2018年坝顶右岸部分测点垂直位移过程线

3.2 坝顶垂直位移特征值分析

各测点1999～2018年的垂直位移极值及年变幅等分别统计如表2所列。由表2可以看出:①极值变化规律分析。各测点垂直位移极大值变化在-0.69mm～11.70mm之间变化,其中10号垛测点极大值最大为11.70mm(2008.1.16);延长段的测点极大值最小为-0.69mm(2018.2.10)。 河床坝垛位移极大值均发生在月平均气温最低的1月份。重力坝及延长坝或因混凝土温度滞后气温时间不同而发生在2～4月份。河床中间坝垛极大值远大于两岸坝垛。各测点垂直位移极小值变化在-3.0mm～-10.65mm之间变化,其中1号拱西的测点极小值最大为-3.0mm(2013.8.16);8号垛的极小值最小为-10.65mm(2013.8.16)。除延长段外,其余坝垛极小值均发生在2013年8月份,各测点测值总体上较其他年份同期要上抬2.5mm～3.5mm。其原因主要是2013年7月水库经历了一次短期洪水,一周内库水位由115.79m上升至122.70m,然后缓慢下降至115.71m,同时8月份月平均气温最高。该次洪水消退以后,坝顶垂直位移又恢复至历年同期变化水平,河床中间坝垛极小值远小于两岸坝垛。②年变幅变化规律分析。各垛坝顶垂直位移与其所处的位置不同其变化幅度也不同,东、西岸坝顶垂直位移年变幅相对较小,河床坝垛年变幅远大于两岸,其原因主要是由于坝高影响,坝体高度越高,其坝顶垂直位移变幅越大;另外,坝体越高,下游面暴露于空气中的部位越多,受气温变化影响越大,年变幅也就越大。③年均值变化规律分析。各测点位移最大年均值在-1.97mm～2.75mm之间变化,其中10号垛最大年均值为2.75mm(2018),延长段最大年均值为-1.97mm(2008)。河床坝垛年均值大于两岸。各测点位移最小年均值在-4.80mm～-0.17mm之间变化,其中延长段最小年均值为-4.80mm(2012);10号垛最小年均值为-0.17mm(1999)。同样河床坝垛年均值大于两岸。

表2 1999～2018年坝顶垂直位移特征值统计表 mm

4 结论

通过分析得到的结论如下：

(1) 坝顶垂直位移受温度影响较大。温升时坝体上抬,温降时则坝体下沉。如对应2015年最大垂直位移年变幅时,温度分量约占90%以上;水压分量对坝顶垂直位移影响较小,约占5%～10%。

(2) 时效值在坝顶的垂直位移中,时效分量年增加量(或减少量)已很小,时效已基本趋于稳定。建议按一等水准测量的技术要求,对现有水准测量线路中的测站、转点进行重新优化设置。开展监测预报,提高水准测量精度。建议按照规范(SL 766-2018),对梅山大坝安全监测系统进行技术鉴定,尤其是除险加固工程结束后,开展一次水准网校测,再评价水准网校核基点和工作基点的稳定情况。适时利用新技术,实现梅山水库连拱坝垂直位移监测自动化。