百色水利枢纽垂直位移异常问题研究

朱赵辉 ，朱友良 ，刘建树 ，张石磊

（1.中国水利水电科学研究院 工程安全监测中心，北京 100038；2.北京中水科工程集团有限公司，北京 100038；3.秦皇岛市环境资源开发有限公司，河北 秦皇岛 066100；4.北京市海淀区河道管理所，北京 100094）

1 研究背景

百色水利枢纽［1］位于珠江流域西江水系郁江上游右江河段，距百色市22 km，是以防洪为主，兼有发电、灌溉、航运、供水等综合利用的大型水利枢纽工程。枢纽工程由主坝、地下发电厂房、副坝和通航建筑物等四部分组成。主坝为全断面碾压混凝土重力坝，坝顶高程234 m，坝顶总长720 m，最大坝高130 m。水库正常蓄水位228.00 m，设计洪水位229.66 m，防洪限制水位214.00 m，死水位203.00 m；水库总库容56.6亿m3，防洪库容16.4亿m3，调节库容26.2亿m3，死库容21.8亿m3，为不完全多年调节水库。

本工程于2005年8月导流洞下闸蓄水，至2005年12月31日达到本年度最高水位178.08 m。2006年1—5月水库停止蓄水，库水位一直维持在177 m左右，7月开始中孔下闸关闭，库水位持续上涨至220 m，此后至2006年底，库水位一直处于221 m左右。之后库水位在200~230 m之间波动。

大坝垂直方向的位移一般采用两种方法进行监测，分别是水准测量法和静力水准法。水准测量法利用水准仪和水准尺从水准基点开始测量各测点高程，从而求得其垂直位移。静力水准法在结构体内布置多个静力水准传感器连成系统，选择一个相对不动的测点做为基准点，来观测各测点相对基准点的垂直位移。水准测量法投资少，设备维护费用低，应用较为广泛；后者便于实现自动化监测，目前大中型水利枢纽多采用该方法监测垂直位移。正常情况下，混凝土重力坝在蓄水后大多数表现为下沉变形［2-6］，而百色水利枢纽开始蓄水至今运行已有十余年，主坝大坝垂直位移产生了坝基抬升、坝顶沉降的“异常”现象，不符合混凝土重力坝变形的一般规律。通过查阅工程地质资料、施工过程资料以及相关文献，从地质诱因、筑坝材料、受力特性等多方面对本工程“异常”现象进行解释［7-9］，并对监测数据进行时空分析和模型计算［10-11］，通过统计模型计算成果对出现“异常”现象的原因进行佐证。希望本文的论证思路能够为相关研究和分析人员带来启发，为同类工程监测资料分析提供借鉴。

2 大坝垂直位移监测布置

大坝坝体及坝基垂直位移监测主要分为四层布置，如图1所示，自下而上分别为：基础灌浆排水廊道、155 m高程纵向廊道、200 m高程纵向廊道、坝顶。

图1 大坝垂直位移监测布置图

（1）几何水准系统布置。坝体左岸建基面相对较陡，而右岸建基面则相对较为平缓。基础廊道垂直位移监测点共19个（EM1～EM19），自坝0+064.800桩号至坝0+631.200桩号布置在主坝灌浆排水廊道的底板中部。EL155 m高程纵向廊道内设置了11个（EM20～EM30），自坝0+177.000桩号至坝0+463.000桩号布置在纵向廊道的底板中部。EL200m高程纵向廊道内设置了19个（EM31～EM49），自坝0+087.000桩号至坝0+612.000桩号布置在纵向廊道的底板中部。坝顶从左岸到右岸布置了26个（EM50～EM85）测点。

（2）静力水准系统布置。纵向（坝轴线方向）静力水准系统是采用连通管的原理测量各测点之间相对高程变化，再通过基准点（主坝以双金属管标为基准点）对各测点的相对位移进行附加，最终获得各测点的绝对沉降量值。静力水准分二层布设，155 m廊道和200 m高程廊道各布设1条液体静力水准测线。TC1测线布设在155 m高程廊道3A#～9B#坝块，每坝块设1个测点；TC2测线布设在200 m程廊道的1B#～12A#坝块，每坝块设1个测点。

横向静力水准系统用以监测坝基倾斜状况，在主坝3B#、4#坝段及6A#、8B#坝块的4条横向基础廊道内，各设1条液体静力水准测线，每条测线均在其横向廊道上、下游端各设1个测点，共8个测点。

3 地质条件

坝址区工程地质构造复杂，出露的岩石从上游至下游为泥盆系榴江组的D3L1～D3L8-2，为硅质岩、泥岩、泥质灰岩，在D3L3与D3L4之间夹有华力西期辉绿岩（β-1μ4），20多层岩层分布软硬相间，存在褶皱、断层、剪切带（含蚀变带）、裂隙及构造地应力等［12-13］。坝址河床地质剖面见图2。

图2 河床部位地质剖面图

大坝座落的辉绿岩条带，出露的厚度仅约120 m、河床展露宽度140～150 m，辉绿岩条带与河流成60°交角，倾向下游右岸，倾角50°～55°。辉绿岩体隐形裂隙发育，以镶嵌碎裂结构为主，局部为次块状结构或碎裂结构，辉绿岩与围岩接触层面蚀变严重，风化强烈，岩体破碎，形成软弱层带。辉绿岩上下游界面接触蚀变带表部宽度1～5 m，随深度增加逐渐变窄，约70 m深处尖灭，岩性松软。辉绿岩体两侧的蚀变带和榴江组地层，岩性差异较悬殊，岩性软弱，透水性强，约束辉绿岩体变形的能力很低。

F6断层是切割坝基规模相对较大、性状较差的断层，沿河床中部深槽展布，将辉绿岩体水平错开8～12 m，带宽0.6～4 m，斜切6#坝块坝基［13-14］。辉绿岩上、下游接触蚀变带和外侧含洞穴的硅质岩、泥岩及顺河F6断层的变形模量低、渗透性强，对坝基的应力传递及防渗不利。

坝址区出露岩层分布软硬相间，全强风化岩体风化埋深大，不均一。岩层扭曲强烈，存在褶皱、断层、蚀变带、裂隙及构造地应力等。辉绿岩厚度较薄，岩体隐形裂隙发育，岩质硬而脆，且存在一定范围的裂隙密集带；上、下游接触面蚀变严重，岩体破碎，透水性强，变形模量低，形成具有一定规模的软弱层带；再向两侧发展的硅质岩风化深，岩体裂隙强烈发育，岩质硬、脆而碎；各层间间隔分布的泥岩极为软弱，风化深度极深。弱、微风化辉绿岩透水性微弱，其他岩层透水性中等。

4 坝基抬升坝顶沉降“异常”问题分析

4.1 问题的提出 由几何水准系统测得的大坝各高程垂直位移分布如图3—图6所示，垂直位移符号规定：“-”为抬升，“+”为下沉，为使分布图看起来更加直观，对图中纵坐标轴进行倒置处理。从图中可以看出：（1）在沿高程方向上的分布表现为，大坝基础廊道和155 m高程廊道基本处于抬升状态，左岸最大抬升量达到11.08 mm，右岸最大抬升量达到5.48 mm；200 m高程的左岸部分坝段处于抬升状态，左岸最大抬升量为10.94 mm，河床坝段和右岸都处于下沉状态；坝顶234 m高程除左岸个别测点（基本在0 mm左右）外，基本全部处于下沉状态，最大下沉量达到14.62 mm。（2）在水平方向上的分布表现为，各高程测线的测点垂直位移分布呈“凹”曲线形式，河床部位下沉量最大或者上抬量最小，往两岸部位下沉量逐渐减小或者上抬量逐渐增大，且左岸尤为突出。

图3 大坝基础廊道垂直位移分布图

图4 155m纵向廊道垂直位移分布图

图5 200m纵向廊道垂直位移分布图

图6 坝顶垂直位移分布图

百色水利枢纽的主坝表现出来两点异常，分别是：（1）正常情况下，混凝土重力坝在蓄水后在垂直位移方面会产生下沉变形，而本工程坝基产生了抬升变形，虽然整个坝基全部表现为抬升变形，但左岸抬升量明显高于右岸；（2）虽然坝基产生抬升变形，但随着高程的增加，变形有抬升量减小和下沉量增加的趋势，到坝顶，则表现为除左岸个别测点外全部下沉。

4.2 定性分析 大坝不同高程典型测点垂直位移过程线如图7—图10所示，从图中可以看出：（1）基础廊道测点在蓄水后表现为明显抬升，2007年5月份以后随着库水位的同步变化，抬升量逐年缓慢增加；（2）155 m高程测点在蓄水后无明显抬升过程，而是每年随着库水位的变化有一定的波动，但垂直位移基本稳定在一定测值范围内；（3）200 m高程测点在蓄水后表现为随着库水位同步变化下产生逐年下沉变形，在2012年12月份以后，测值稳定在一定范围内；（4）坝顶测点在蓄水后则表现为随着库水位同步变化的同时，逐年下沉，没有类似200 m高程测点突然减缓的现象，而是每年下沉的幅度有逐年减缓的趋势。

图7 坝基典型测点垂直位移过程线

图8 155m高程典型测点垂直位移过程线

图9 200m高程典型测点垂直位移过程线

图10 坝顶典型测点垂直位移过程线

根据以上现象，下面将从地质情况、蓄水过程、筑坝材料、受力特性等多方面进行分析。

4.2.1 地质条件和库水位上升致使坝基产生整体抬升现象 从图2可以看出，大坝坐落在坚硬且透水性弱的辉绿岩岩层上，该岩层倾向下游右岸，倾角50°～55°，其上游和下游都是相对软弱且透水性强的岩体，蓄水后库水急剧上升，顺水流向的静水压力作用于坝体，同时在辉绿岩层的下部产生较大的顶托力，使辉绿岩层带动坝体产生翻转，向下游倾倒，因此，布置在坝基帷幕灌浆廊道的测点体现出来的是抬升变形。从坝基横向廊道布置的静力水准测值分布图（图11）来看，坝基产生了坝踵抬升、坝趾下沉的翻转变形。从图7中圈示部位的测值变化来看，蓄水初期发生急剧的抬升变形，之后每年都产生了一定不可逆的抬升变形。

图11 坝基横向廊道垂直位移分布

百色大坝坝基中分布有蚀变带与泥岩，蓄水初期，地下水位发生变化，在库水作用下基岩会发生流变现象，可能使大坝逐渐向下游倾倒，此种倾倒使大坝155 m高程测点的垂直位移基本不变，其他高程测点的垂直位移发生抬升或下降趋势。

4.2.2 不同部位坝体自重差别和大坝布置形式致使左岸抬升量明显高于右岸 从图1可以看出，大坝左岸坝基相对陡峭，在同一高程面上，扬压力相同的情况下，其对应坝体截面较小，坝体重力自然相对较小。库水位上升，坝基扬压力相应增大，坝基产生上抬变形，所以在相对陡峭的左岸坝基，坝基垂直位移上抬相对较为明显。从坝基左右岸方向倾斜量分布图（图12）可以看出，越向左岸倾斜量越大。

图12 各坝块坝基向下游倾斜量分布

从图13可以看出，百色大坝河床坝段坝轴线垂直河流方向，右岸坝段折向上游，左岸坝段偏向下游，由于左岸陡峭，左岸坝段下游侧较为单薄，蓄水后左岸坝段向下游倾倒的阻力相对略小。

图13 大坝平面布置图

4.2.3 坝顶沉降主要受混凝土徐变收缩影响 通过查阅相关施工资料分析2008至2012年间200 m高程垂直位移有逐渐下沉的趋势，推测该区域长序列的垂直下沉变位是由混凝土的徐变引起。从图9可以看出，2012年之前由于混凝土徐变引起的变形属于塑性变形，不可逆，而2012年以后垂直位移受库水位及温度影响波动多属弹性变形，2012年以后测值不再下沉不表示混凝土不再收缩，可能是坝基产生的逐步抬升与混凝土的收缩量级相当而相互抵消。

4.3 定量分析 下面采用宏观与微观对比和统计模型分析的方法，对坝基抬升坝顶沉降的问题进行定量分析。

4.3.1 宏观与微观对比分析 如表1和表2中统计所示，当前3B#至8B#坝块155m至200 m高程间45 m厚的混凝土宏观上的相对压缩量为9.16~10.06 mm之间；而五向应变计组中竖直方向埋设的监测成果显示，混凝土竖直向压应变在2.04×10-4至2.23×10-4之间。且相同坝块垂直位移的相对压缩量与混凝土压应变的量值呈同步变化，即相对压缩量越大，压应变也越大，说明宏观变形与微观应变一致。

表1 EL 155m及EL 200m间坝体混凝土竖直向压应变统计（3B#～6A#坝块）

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表2 EL 155m及EL 200m间坝体混凝土竖直向压应变统计（6B#～8B#坝块）

不同坝块之间垂直位移相对压缩量与混凝土压应变的量值之所以存在差异，主要原因是百色水利枢纽大坝为碾压混凝土重力坝，各坝块混凝土种类、级配不一致，性质不均一造成的其徐变发展不一致。

4.3.2 统计模型建模分析 在定性分析得出的结论基础上，采用统计模型对坝基抬升坝顶沉降的现象进行定量分析，除了分析坝体及基岩变形受水压、温度、时效各分量的影响大小及垂直位移变化规律外，还将对坝顶及200 m高程垂直位移下沉发展趋势是否由时效因子主导进行分析，进而对时空分析中推测由混凝土徐变引起的观点进行佐证或相驳。

受篇幅所限，仅选取坝基灌浆廊道点EM1（超设计警戒值）、200 m高程纵向廊道测点EM39和坝顶主河床坝块测点EM67的垂直位移监测资料，建立统计模型。

（1）建模原理。由以上对坝体垂直位移监测资料的时空分析可知，坝体垂直位移受水压、温度和时效等因素的影响［10-11］。因此，坝体位移的统计模型主要由水压分量、温度分量和时效分量组成［15-16］，见式（1）。

式中：a0为常数项；Hu、Hu0为监测日、始测日所对应的上游水头，即水位测值与坝底高程之差；a1i为水压因子回归系数；t为位移监测日到起始监测日的累计天数；t0为建模资料系列第一个监测日到始测日的累计天数；b1i、b2i为温度因子回归系数；θ为位移监测日至始测日的累计天数t除以100；θ0为建模资料系列第一个测值日到始测日的累计天数t0除以100；c1、c2为时效因子回归系数。

（2）回归模型及成果分析。1B坝块200 m高程超过设计警戒值测点EM1的建模资料时间序列为2007年2月10日至2015年11月11日，其余测点建模资料时间序列区间为2008年11月16日至2014年10月10日。

坝基左岸岸坡坝块EM1（超设计警戒值）：如图14所示，坝基灌浆排水廊道的位移抬升发展过程中，水位分量的影响最为显著，位移抬升和下沉与水位分量的增减相关性明显，水压分量约占90%。而时效的影响次之，对该部位坝基抬升量的影响主要体现在2013年前，时效分量为3.34 mm。温度的影响则相对较小，整序列温度位移分量绝对值不超过0.12 mm。与定性分析中所得结论一致。

图14 EM1测点统计模型分量及残差过程线

EL200 m纵向廊道测点EM39：如图15所示，200 m高程纵向廊道主河床部位EM39测点垂直位移变化是库水、温度、时效共同作用影响下的结果。时效分量约占40%~70%，其中水位波动不大的时段影响比重较大，反之，则比重稍小。水位分量约占30%~40%，温度影响较小。通常认为，由于库水或温度引起的坝体及基岩变形全部或大部分处于弹性限度范围内，因此随水压、温度荷载的变化，其变形恢复表现出可逆或部分可逆的特性。而在建模选取时间区段，随时间的推移，下沉量不可逆地逐渐增加。且同一坝块基岩变形相对较小（排除基岩蠕变的情况），因此推测使时效成为主导影响因子的原因是该区域内混凝土发生了长序列的持续徐变。

图15 EM39测点统计分量及残差过程线

EL234 m坝顶测点EM67：如图16所示，坝顶主河床6B#坝块EM67测点的垂直位移变化受时效影响显著，时效分量约占55%~75%，在水位变幅较大的时段影响分量比重稍小。水位分量约占20%~35%，温度分量影响小于10%。总体而言，水位变化决定了主河床坝块在某时段内水准测点垂直位移的波动，而时效的影响决定了长序列的下沉趋势。

图16 EM67测点统计分量及残差时序过程线

5 结论

工程开始蓄水至今运行已有十余年，主坝大坝垂直位移产生了坝基抬升、坝顶沉降的“异常”现象，不符合混凝土重力坝变形的一般规律。本文从地质诱因、筑坝材料、受力特性等多方面对本工程“异常”现象进行了分析，通过宏观与微观的对比分析、模型计算对出现“异常”现象的原因进行佐证，得到以下主要认识：

（1）坝基地层构造是大坝蓄水后产生抬升的地质诱因。坚硬的、向下游倾斜的、透水性弱的辉绿岩层以及两侧软弱的、透水性强的蚀变带、硅质岩、泥岩构造，致使蓄水后在辉绿岩层下面产生了较大的顶托力，与顺水流方向的库水推力共同作用下使坝体产生向下游倾倒的翻转变形。坝基中分布有蚀变带与泥岩，蓄水初期，地下水位发生变化，在库水作用下基岩会发生流变现象，使大坝逐渐向下游倾倒。

（2）左岸边坡比右岸边坡陡峭使左岸抬升变形明显大于河床部位和右岸。由于左岸坝基相对陡峭，其对应坝体截面较小，坝体重力自然相对较小，库水位上升，坝基扬压力增大，坝基产生上抬变形，自重小的左岸坝段抵抗坝基扬压力和库水推力的能力相对较弱。河床坝段坝轴线垂直河流方向，右岸坝段折向上游，左岸坝段偏向下游，由于左岸陡峭，左岸坝段下游侧较为单薄，蓄水后左岸坝段向下游倾倒的阻力相对略小。

（3）坝基抬升、坝顶沉降的“异常”现象主要是混凝土徐变效应的结果。坝基灌浆排水廊道的垂直位移中，水位分量的影响最为显著（约占90%），而时效的影响很小；200 m高程纵向廊道垂直位移中时效分量约占40%~70%，水位分量约占30%~40%，温度影响较小；234 m坝顶垂直位移变化受时效影响显著（约占55%~75%），水位分量约占20%~35%，温度分量影响小于10%。通过模型定量分析的成果进行了佐证，坝基部位垂直位移主要受库水位影响较大，产生抬升变形，而随着高程增加（混凝土厚度逐渐增加），由混凝土自身原因引起的徐变（时效）变形产生的压缩量对垂直位移影响越大，成为垂直变形的主导影响因素。