里底水電站壩頂上下游水平變形機制分析

張云廣,張會員,湯榮平,龍耀東,段 彬,李明樂

(1. 華能瀾滄江水電股份有限公司,昆明 665000;2. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;3. 西安建筑科技大學,西安 710005)

0 前 言

河床式水電站是水力發電站布置的重要形式之一,其進水口是壩體的一部分,起擋水作用。然而由于廠房壩段上部結構即進水口結構與相鄰壩段在結構剛度和水壓力上存在比較明顯的差異性,如此在水壓力和溫度作用下易產生不同步的上、下游水平變形[1],類似現象也會出現在混凝土重力壩上[2]。探討此種變形規律,主要依據監測數據統計模型[3-5],如魏超等通過建立統計模型,分析了水壓分量、溫度分量、時效分量對李家峽拱壩徑向位移影響率得出,在2004年徑向位移年變幅中,3個分量的影響率分別占10%～35%、60%～80%,時效分量占5%以下。

為了探究荷載作用和邊界條件、力學模型等對水工建筑物結構應力變形特征、穩定性影響以及其影響幅度,目前主要采用三維有限元方法[6-11],如石廣斌等通過建立4種邊界條件的三維有限元法數值模型,分析其對高水頭河床式水電站進水口結構應力和變形影響,結果表明不同力學模型對進水口閘墩前沿豎向拉應力影響非常明顯,而對進水口下游擋水墻水平拉應力分布規律和量值影響很小;蘇晟輝等應用三維有限元計算分析設計反應譜特征周期和下降段衰減系數變洞河床式水電站廠房結構動力響應的影響,得出影響比較明顯。

本文探討的里底水電站于2018年9月水庫蓄水,截止2021年6月15日,監測到廠房壩段壩頂向下游的最大水平變形達到 25.0 mm,相對相鄰的溢流壩段和底孔壩段,此值稍有偏大,在壩體上游面頂部表現出明顯的錯臺。因此,本文從壩頂水平變形監測數據變化影響因素的關聯性著手,同時借助了三維有限元法數值模型計算分析荷載作用對結構變形的影響,期望辨析出發生如此大的水平變形原因,同時可為工程安全評價和后期電站安全運行提供一定的技術支撐。

1 工程概況

里底水電站為瀾滄江上游水電開發規劃7個梯級電站中的第3個梯級。壩頂總長351.9 m,攔河壩共分16個壩段,從左到右依次為左副壩,壩長40.6 m;溢流壩段,長33.0 m;縱向導墻壩段,長18.0 m;河床式廠房機組壩段長85.8 m;底孔壩段長45.0 m;右岸副壩(0～6號壩段)為擋水壩段,壩段長129.5 m。主河床布置3個機組壩段,機組段寬度28.6 m,機組段總寬度85.8 m,順水流方向長度76.0 m,廠房最大高度78.3 m,電站進水口底板高程1 774.40 m。

廠房壩段基巖主要為絹云母石英千枚巖,巖體為微新層狀巖體,斷裂以中等～高傾角裂隙為主,緩傾角斷裂不發育,巖體完整性較好,綜合判定廠房壩段巖體應屬Ⅲ類。

2 壩頂水平變形特征分析

2.1 監測儀器布置

廠房壩段變形監測包括壩基變形監測和壩體變形監測,壩基變形監測項目主要包括倒垂、基巖變位計、測縫計等,壩體變形監測主要包括正垂線、引張線、水準點。另外其它輔助監測如上下游水位、庫水水溫等。

廠房壩段水平變形采用垂線系統和引張線共同監測。垂線系統由正垂線PL2 和倒垂線IP2組成,布置于9號廠房壩段的垂線室,如圖1所示。垂線室位于高程1 753.00 m的灌漿廊道下游側。正垂線PL2由垂線室壩下0+011.60 m 位置垂直向上延伸至壩頂1 820.50 m;倒垂線IP2由垂線室壩下0+009.60 m 位置垂直向下延伸至高程1 706.00 m。

圖1 變形監測儀器布置

為了監測壩體垂直變形,在9號壩段設置了3個水準監測點,其中LDW11位于尾水平臺,LD12 和LDX11布置在進水口頂部。另外,在9號廠房壩段壩踵和壩趾分別布設MD1-CF和MD2-CF基巖變位計監測基巖變形,監測深度為15 m。變形監測儀器布置如圖1所示。

2.2 壩頂水平變形特征

里底水電站自2018年9月15日開始下閘蓄水,經歷13 d(到2018年9月28日),水位升至高程1 815.75 m,到2021年6月15日,已有1 001 d(約合2.74 a)。圖2為廠房9號壩段上、下游水平位移監測值與庫水位關系時程曲線。從圖2中可以清楚看出,在2018年9月28日至2021年6月15日期間,監測變形經歷了3個波峰和2個波谷。壩頂水平變形峰值變化趨勢曲線如圖3所示。從圖3可以得出,前2個波峰之差為3.29 mm,時長為392 d,變化率為0.008 39 mm/d;后2個波峰之差為1.21 mm,時長為392 d,變化率為0.003 09 mm/d。第2波峰之間的變化率明顯小于第1波峰之間的變化率,前者約是后者的2.7倍,表明壩頂變形趨于收斂狀態。

圖3 壩頂水平變形峰值變化趨勢

溫度變化對變形影響具有一定的滯后效應,壩頂水平變形監測值與溫度時程曲線如圖4所示。從圖4中可以清楚看出,壩頂上、下游水平變形與溫度變化具有很高的關聯性,溫度升高時,變形向上游發展;溫度降低時,變形向下游發展。壩頂水平變形達到極值時間要比溫度達到極值時間滯后約2—3月。

圖4 壩頂水平變形監測值與溫度時程曲線

里底水電站壩頂上、下游水平變形在每年3—4月份達到最大,9—10月份達到最小,呈現出正弦函數式來回、緩慢增加狀態,未來數年的變形增加值較小,約為4.0 mm,包括庫水位上升和累積時效變形。

3 監測數據相關性分析

3.1 模型的建立

在水壓力、揚壓力、溫度等荷載作用下,大壩任一點都會產生位移,因此,構建壩體的變形統計模型時,其位移δ主要由水壓分量δH、溫度分量δT和時效分量δθ組成[3-5]即

δ=δH+δT+δθ

(1)

溫度對模型的精度以及未來的預測精度起到至關重要的作用。里底水電站廠房壩段混凝土結構孔洞較多,從澆筑到機組運行有一年多, 混凝土體的溫度場已基本穩定?？紤]邊界溫度對壩體不同部位混凝土的熱傳導滯后效應,并參考獻[2]的分析結果,在建立回歸統計模型時,溫度項采用溫度周期,式(1)的δH、δT和δθ表達如下:

(2)

(3)

δθ=c1(θ-θ0)+c2(Inθ-Inθ0)

(4)

式中:a1i為水壓因子回歸系數;Hu、Hu0為檢測日、始測日所對應的上游水頭,即水位測值與壩底高程之差;b1i、b2i為溫度回歸因子;t為位移監測日到起始檢測日的累計天數;t0為建模資料系列第1個檢測日到始測日的累計天數;c1、c2為時效因子回歸系數;θ為位移監測日至始測日的累計天數t除以100;θ0為建模資料系列第1個測值日到始測日的累計天數t0除以100;α0為常數項。

3.2 壩頂水平變形監測值分析

自2018年9月15日下閘蓄水開始,至2018年9月28日,壩前水位為1 815.75 m。近2.5 a來(2019年1月1日至2021年6月15日),上游水位均值為1 815.96 m,下游水位均值為1 780.88 m;上游水位變化幅度為3.36 m,約為上游最大水頭的4.91%;下游水位變化幅度為4.16 m,約為下游最大水頭的10.09%。根據選定的統計模型,各分量影響率計算結果如下:

(1) 水壓分量

庫水位達到一定高度后,一定范圍水頭的變化對壩頂上、下游水平變形影響較小。庫水位升高,壩體向下游變形增大;庫水位降低則壩體向下游變形減小。2018—2021年的壩頂上、下游水平變形增幅中,水壓分量約占10.0%～15.0%。

(2) 溫度分量

溫度變化對壩體水平位移影響顯著,溫度升高,壩頂向下游水平變形減小即壩頂上、下游水平變形表現為向上游回縮;溫度下降,壩頂向下游水平變形增加。2018—2021年的壩頂上、下游水平變形增幅中,溫度分量占75.0%～85.0%。

(3) 時效分量

時效分量所占比例相對較小,對壩頂上、下游水平變形增幅影響率達5.0%～10.0%,后期可能會降低到5.0%以下。

(4) 根據壩體實測水平位移資料的統計模型分析得出,在25.0 m的壩頂向下游水平變形值中,溫度影響占5.52 mm,累積時效變形占1.95 mm,水壓力和自重等荷載作用產生變形占17.53 mm。

4 荷載作用結構變形計算分析

4.1 計算分析模型的建立

廠房壩段混凝土結構體型與受力分析模型如圖5所示。受力模型1為圖5(a),下部大體積混凝土與基巖面設置為固端約束,即不含一定范圍內的基巖,其目的是計算分析地基接觸面為剛性約束下,荷載對結構變形影響。受力模型2為圖5(b),取一定范圍基巖,上、下游及深度方向約為1.5倍壩體高度,其目的是計算分析坐落在一定范圍的基巖之上的混凝土結構,荷載和基礎共同對其變形影響,基礎對地基接觸面約束可以稱之為柔性約束。

圖5 結構與受力模型

為了提高單元計算精度,廠房壩段的進水口、梁板柱和墻體混凝土結構、地基均用六面、五面體塊單元模擬,部大體積混凝土采用四面體模擬,混凝土與基巖接觸面用接觸單元模擬。圖5中的Pwu、PwD為上、下游水壓力;G為重力,包括結構混凝土和設備及流道水重。 基礎模量取值為5.8 GPa,混凝土彈性模量根據各部位混凝土設計等級,按規范相應值采用。

4.2 荷載組合及工況

根據上、下游水位變化過程監測結果,計算采用上、下游水位基準值分別為1 816.00 m和1 781.00 m。計算分析主要荷載組合及工況見表1。

表1 荷載組合及工況

4.3 結構變形分析

從結構變形計算值分布來看,豎向變形較大主要位于大體積上部的板梁,電站進水口、廠房下部大體積和尾水出口部位結構變形豎向較小。

順水流方向最大變形主要位于進水口。僅在結構自重作用下,進水口在上、下游方向水平變形較小,并且朝向上游,變形值為4.96 mm;水庫蓄水后,即在水壓力作用下,壩頂上、下游方向水平變形由向上游轉變為向下游,其向下游變形值為12.51 mm(工況3),受力模型2工況3結構上、下游水平變形如圖6所示。

圖6 受力模型2工況3結構上、下游水平變形 單位:m

由圖6可知,壩頂頂部相對地基面的變形為8.12 mm。自上游水庫蓄水到達1 816.00 m時,由計算變形直接得出壩頂向下游水平變形可達到17.47 mm,此值廠房壩段變形監測值是基本一致的,因為由壩體變形監測反饋分析可推測由荷載作用產生壩頂上、下游水平變形為17.53 mm。

通過結構變形狀態分析可得,僅由外水壓力和水重以及自重等荷載作用下產生的上、下游水平變形主要由以下3部分組成,受力模型1工況3 結構上、下游水平變形如圖7所示。

圖7 受力模型1工況3 結構上、下游水平變形 單位:m

(1) 結構自身水平變形

在水壓力作用下,進水口壩體自身會產生的上下游水平變形,此值約8.12 mm。此值與由圖5(a)受力模型計算的壩體變形7.31 m基本一致。從圖6可以看出,此變形值主要發生在進水口底板高程1 774.40 m以上。

(2) 剛體變形

在外水壓力和水重以及自重等荷載作用下,地基面發生向下游水平變形為4.76 mm,這與目前倒垂監測到的最大數值5.27 mm基本一致。由此可導致壩頂向下游發生4.76 mm的剛體性水平變形。

(3) 傾斜變形

在外水壓力和水重以及自重等荷載作用下,地基面發生不同程度的沉降?；鶐r面豎向變形分布如圖8所示。由圖8可以看出,地基面中部沉降變形為4.0～4.8 mm,而壩體的上游前沿沉降變形為2.0 mm,而地基面豎向不均勻沉降變形可導致地基面發生一定傾斜,其斜率為0.068～0.080。此斜率又會引起 壩頂向下游發生剛體性傾斜變形,發生傾斜變形同時也必然導致一定水平變形的發生,此值約為4.80～5.68 mm。

圖8 基巖面豎向變形分布 單位:m

上述(1)、(2)和(3)等3項值之和為17.68～18.56 mm,此值與由壩體變形監測反饋分析推測荷載產生的壩頂向下游水平變形17.53 mm是基本一致的。

4.4 水位變動對結構變形影響

目前上游平均水位約為1 816.00 m,下游平均水位約為1 781.00 m,上游水位離最高洪水位1 818.90 m,還差2.9 m ,用圖5(b)的結構受力模型,由三維有限元仿真計算得出,上游水頭變化對壩頂上、下水平變形關系曲線,影響關系呈線性如圖9所示。上游水頭每變化1.0 m,可引起壩頂發生1.025 mm的變形;下游水頭每變化1.0 m,引起壩頂發生0.17 mm的變形。上游水位變化對順水流方向的變形影響要明顯大于下游水位的變化。

圖9 上游水位變化幅度與壩頂上、下游水平變形關系

5 結 論

(1) 壩頂上、下游水平變形監測數據統計分析表明,水庫蓄水達到一個相對穩定的水位以后,影響壩體水平變形主要影響因素為溫度變化,其次是水位變動,再次是時效性,影響率分別75.0%～85.0%、10.0%～15.0%、5.0%～10.0%。

(2) 通過數值仿真分析揭示了壩頂發生較大上、下游水平變形機制,壩頂上、下游最大水平變形由荷載作用變形、溫度變形和時效變形組成,其中荷載作用變形由荷載作用下混凝土結構自身變形、地基水平變形和地基沉降變形而引發的混凝土結構自身傾斜變形等3部分構成。

(3) 壩頂上、下游水平變形呈現出正弦函數式來回、緩慢增加變化,未來數年的變形增加值很小,變形變幅基本是由溫度作用產生的。

(4) 此變形對電站上部排架柱結構穩定性具有一定的危害,將另撰文論述。