大坝蓄水后近坝山体抬升现象研究

王晓光

(辽宁省盘锦市双台子区农业发展服务中心，辽宁 盘锦 124000)

某大坝蓄水后监测资料显示大坝、坝区山体均发生了竖向抬升。大坝发生抬升现象较为罕见，自发现大坝抬升，便逐渐开展对大坝抬升的研究[1- 2]。相关研究结论主要认为水位上升导致承压热含水层水头升高，不仅会引起上覆隔水层扬压力增大，更会导致含水层有效应力降低，使得含水层卸荷回弹扩容，成为导致大坝抬升的主要影响机制[3]。

本研究基于上述理论，通过分析大坝位移监测资料[4]，基于回弹扩容机制分析大坝发生位移的原因，同时对大坝的安全性进行预测。

某大坝地处U形峡谷，峡谷宽70～95m，左右岸顶标高为700～800m，大坝左岸边坡坡度平均值为43°，右岸边坡坡度平均值为52°，大坝两侧地形基本一致，呈对称分布。大坝基岩为二叠纪石灰岩，大坝上游分布有砂岩、粉砂岩等，大坝下游分布有灰岩、页岩、白云质灰岩等。大坝岩层倾角范围为35°～45°，未见断层分布，坝体两侧边坡可见大面积基岩，边坡稳定性较好，持力层为二叠纪石灰岩，持力层岩石力学性质较好，强度满足设计要求[5- 6]。坝址地质条件与水文地质条件特点如下。

(1)大坝所在区域地层含隔水层彼此间隔分布。

(2)由于含隔水层间隔存在，故而各层含水层水力联系较少，独立性较好，地下水渗流通道主要为岩层发育的岩溶裂隙。

(3)该蓄水大坝独有的地质现象有：坝基下部为向下游倾斜、透水性好的D2y石英砂岩层，该层含水层为承压热含水层。承压热水含水层(D2y)所在地层位于江垭向斜下部，于向斜核部最大埋深1800m。地下承压热水水渗径长度约为20～25km，出露平均高程为127m。

2.1 监测点布设

自大坝发生竖向位移以来，大坝相关位移监测设备逐渐完备。目前关于大坝相关监测系统有：大坝竖向位移监测系统、山体竖向位移监测系统、地下水流场监测系统。分别在坝顶、廊道、大坝两岸山体设置监测网，监测网在大坝下游设2个工作基点和1个校核基点，监测网定期联测国家水准点。直至2020年1月，该大坝的廊道、坝顶各自测了56、51次。

2.2 位移监测结果

2.2.1坝体抬升位移

大坝廊道内设7个位移监测点(1～7)。为整体分析大坝20a内抬升情况，以10a为一阶段，选取7个监测点位移，大坝廊道位移数据分析结果见表1，如图1所示。

表1 20a内竖向位移分析结果 单位：cm

图1 廊道竖向位移典型过程线

根据廊道位移统计结果与竖向位移典型过程线可知，廊道抬升变化特征如下。

(1)廊道竖向位移趋势表现为连续上升，且上升速度逐渐减少，但未趋于0。

2010—2020年位移变化量是2000—2010年间位移变化量的4%～11%，由此可以得出近10a来，大坝廊道竖向位移量已大幅度减少。

(2)廊道竖向位移与水库水位呈正相关关系，大坝竖向位移逐渐上升时间段内，廊道竖向抬升与水库水位线同步变化。水库水位不变后，其他影响因素对大坝廊道位移变化影响逐渐突出。

(3)大坝廊道中心测点位移较大，两端测点位移较小，说明廊道中间部位位移变化最为明显。

大坝抬升现象被发现以来，在坝顶设置位移监测系统，共12个监测点。整理坝顶位移监测数据得到坝顶竖向位移统计结果与过程曲线，见表2，如图2所示。

由表2和图2可知，温度影响坝顶位移更明显，故坝顶位移比廊道位移更明显，与廊道位移变化趋势相同，坝顶竖向位移量逐渐降低，表明大坝整体都发生竖向位移。

表2 坝顶竖向位移统计结果 单位：cm

图2 坝顶竖向位移典型过程线

为了解坝区竖向位移变化情况，在大坝左右两岸、坝肩、坝趾布置34个监测点，根据各监测点数据，发现大坝两侧竖向位移变化趋势保持一致，左岸山体监测点的竖向位移如图3所示。

图3 大坝左岸竖向位移过程线

两岸山体竖向位移变化幅度较大，这与水位、水温均相关，竖向位移变化量逐渐降低，但并未完全停止。左右岸山体竖向抬升量波动与水库水位以及温度相关性较高，竖向位移持续变化、且速率逐渐减小但并未趋近于0。两岸山体竖向位移抬升规律：坝体、河流近处竖向位移量较大，坝体、河流远处竖向位移量较小，说明大坝附近山体竖向位移变化与蓄水大坝抬升保持一定的同步性。

2.2.2其他监测情况

除位移监测外，还开展了其他监测项目，所得成果如下。

(1)接缝开合度与温度相关性较高，接缝开合度与温度具有一定的相关性，呈周期性变化，开合度位移变化较小。大坝接缝处开合度变化较为均匀，且已逐渐稳定。

(2)坝体渗压与时间相关性较高，渗压水位的变化规律呈现出随时间推进逐渐减小，且变化速率也逐渐减小，高程一定情况下，大坝下游渗压水位较上游更小，所有监测点渗压水位规律保持一致。

(3)沿轴线坝基渗压水位无一般规律。坝基测压管、渗压水位呈周期性变化，坝基防渗以及排水效果较好，坝体和坝基总体地下水渗流量偏小，稳定时与水库蓄水情况有关，地下水流量整体上趋势呈逐渐减小。

3.1 模型构建

混凝土重力坝受温度、水压等因素作用，大坝任意位置的位移，均可分解为3个分量，即水压位移分量—δh、温度位移分量—δT、时效位移分量—δt，其公式可表示为：

δ=δh+δT+δt

(1)

3.1.1水压位移分量

受水荷载作用，大坝任意位置发生的位移形变可分为坝体本身位移、坝基面变形导致的位移、水自身重力导致的位移。基于坝工理论，水荷载导致的变形δh与水位hi(i=1，2…m，m为幂次数)关系表现为线性相关，其公式可表达为：

(2)

根据大坝形状选取不同幂次数m，该大坝为混凝土重力坝，幂次数m可取值为3，竖向位移基准值取值为当天水库蓄水位。

3.1.2温度位移分量

坝体以及坝基温度导致的位移组成了温度位移分量δT。基于弹性理论，蓄水大坝任意位置位移δT和各监测点温度变化值线性相关，当温度计数量足够多时，可将各测点温度计值定为温度分量因子，其公式表达式为：

(3)

式中，ci—系数；
Ti—第i支温度计的温度变化值；
n—温度监测点个数。该大坝内部、坝基处、近坝处均设置有温度监测点，考虑到部分温度监测点的温度计已发生损坏，本次建模在大坝各个部位选取1支数据完整的温度样本值。

3.1.3时效位移分量

水压位移分量和温度位移分量造成大坝发生弹性位移，大坝除发生弹性位移外，还将产生时效位移，时效位移是随荷载和时间发生变化的位移，混凝土重力坝时效模型为：

δt=f1t+f2lnt

(4)

式中，f1、f2—系数；
t—时间，d。

实际上任意时间大坝承受的荷载都有所不同，大坝在不断发生卸荷和蠕变。故而，大坝承受各种变化荷载，补充时效位移后公式可转化为：

(5)

式中，f1、f2—系数；
m取值范围为1～2，本次分析m值取2。

3.2 因子分析

选择廊道、坝顶位移监测点做非线性回归分析，结果见表3。回归拟合曲线如图4—5所示。由表3和图4—5可知，回归拟合效果较好，相关系数都高于0.95，说明建模结果较为合理有效。

图4 坝顶竖向位移模型拟合曲线

图5 廊道竖向位移模型拟合曲线

表3 坝顶、廊道竖向位移回归结果

利用主成分分析法对坝顶和廊道位移监测点进行主成分分析，分析结果见表4。经检验，各监测点的显著度均小于0.05，说明各变量之间联系较为紧密，可进行因子分析。

表4 坝顶、廊道因子分析结果

各因子与主成分关系越紧密，其在主成分上占比越大。由此可知，温度位移分量、时效位移分量与主成分联系度比较大，水压位移分量与主成分联系度较低。

由大坝廊道竖向位移变化曲线可知，大坝抬升主要时间在2015—2017年间，抬升过程中，竖向位移量与水库水位变化趋势保持一致，大幅度抬升后，竖向位移量与水库水位变化同步性降低。由此推测，水库水位使得大坝竖向抬升的变形主要在水位线上升过程中发生，水位线基本稳定后，坝体竖向抬升为蠕变，水荷载趋于稳定后，温度成为大坝变形的主要影响因素，这一点与其他学者[5]的研究结果相符合。基于此，推测水库水位线降低时卸荷无法恢复，此时水位影响大坝位移程度较小，此预测结果与大坝位移分析结果相同，也证实了扩容抬升机制的合理性。

本研究基于上述理论，通过分析大坝位移监测资料，基于回弹扩容机制分析大坝发生位移的原因，同时对大坝的安全性进行预测。主要得到以下结论。

(1)现阶段大坝竖向抬升还未完全停止，但是竖向位移速率较蓄水初始时期更慢，大坝整体形变基本保持稳定。

(2)基于廊道以及坝顶位移变化因子分析结果表明，水库水位变化导致大坝变形主要发生于水位上升时期，水位线保持不变后，影响大坝位移的因素为时间、温度，进一步证实了孔隙水压增大导致引发岩层扩容抬升机制的合理性。

(3)大坝位移、裂缝开合度、渗压、渗流场的监测数据表明，大坝抬升并未危及大坝的安全，不影响水库大坝的安全使用。