柬埔寨達(dá)岱水電站面板堆石壩變形分析

趙文勝，徐 軼

(1. 柬埔寨達(dá)岱水電有限公司，柬埔寨王國(guó) 金邊，12152；2. 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010；3. 國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

0 引 言

混凝土面板堆石壩因其較優(yōu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和地基適應(yīng)性，在國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)中得到了大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1,2]。但與一般土石壩相比，該壩型對(duì)筑壩堆石料要求較高。工程界常以飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度30 MPa為限將巖石分為硬巖和軟巖[3]，為減小壩體變形、控制面板裂縫的產(chǎn)生，以往較多工程均要求采用硬巖筑壩。但軟巖料分布更為廣泛，開采成本低，利用當(dāng)?shù)剀泿r開挖料進(jìn)行堆石壩填筑，不僅能降低造價(jià)，加快工程建設(shè)，而且也有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨著筑壩技術(shù)的進(jìn)步，軟巖料筑面板堆石壩的應(yīng)用不斷增多。如國(guó)內(nèi)的天生橋一級(jí)、董菁、大坳、盤石頭、魁龍等工程，都大量利用或部分利用軟巖料筑壩[4,5]。

由于軟巖料強(qiáng)度偏低，具有高壓縮性，受荷后變形較大；且軟巖料含泥量高，受溫度循環(huán)、干濕交替等因素影響易發(fā)生風(fēng)化崩解，流變特性顯著。利用軟巖構(gòu)筑面板堆石壩，壩體的變形控制需特別注意，尤其是大壩長(zhǎng)期變形特性對(duì)其安全性的影響[6]。隨著高面板堆石壩建設(shè)的快速發(fā)展和對(duì)生態(tài)環(huán)境要求的不斷提高，軟巖料的使用范圍和利用量將進(jìn)一步加大，軟巖筑壩安全也越來越受到重視。由于面板堆石壩的設(shè)計(jì)、施工很大程度上仍然依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程實(shí)踐開展軟巖面板堆石壩的變形特性和安全性研究，將有助于軟巖筑壩技術(shù)的提高和發(fā)展。

本文以柬埔寨達(dá)岱水電站工程為背景，通過變形監(jiān)測(cè)資料分析及三維有限元仿真反演分析，探究軟巖筑面板堆石壩的變形性狀及其長(zhǎng)期安全性。達(dá)岱水電站軟巖筑面板堆石壩的成功經(jīng)驗(yàn)及其變形性狀的基本規(guī)律，對(duì)于同類工程具有一定的借鑒與參考意義。

1 筑壩材料特性及施工過程

達(dá)岱水電站位于柬埔寨王國(guó)國(guó)公省境內(nèi)的達(dá)岱河上，水庫(kù)總庫(kù)容4.5 億m3，是以發(fā)電為主的Ⅱ等大(2)型工程，裝機(jī)容量246 MW，年發(fā)電量8.58 億kWh。水庫(kù)校核洪水位217.75 m，正常蓄水位215.0 m，死水位180.0 m。樞紐建筑物主要由主壩、副壩、岸邊溢洪道、引水隧洞和岸邊地面廠房等組成。主壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程220.0 m，河床趾板高程105.0 m，最大壩高115 m，壩頂軸線長(zhǎng)882.2 m，壩頂寬度9 m，上游壩坡坡比1∶1.4，下游壩坡綜合坡比1∶1.5。大壩堆石體分區(qū)及典型橫剖面圖見圖1。

圖1 柬埔寨達(dá)岱水電站主壩典型橫剖面圖(單位：m)Fig.1 Typical profile of the main dam of the Stung Tatay hydropower station in Cambodia

主壩壩體堆石料填筑方量713 萬(wàn)m3，料源為Ⅱ#低位石料場(chǎng)(位于主壩右岸引水明渠出口)開采料及溢洪道、引水明渠開挖料(與Ⅱ#低位石料場(chǎng)地層巖性相同)。料場(chǎng)地層巖性為侏羅系中統(tǒng)沉積巖，主要為長(zhǎng)石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖，為軟硬巖水平薄互層結(jié)構(gòu)。根據(jù)試驗(yàn)資料，長(zhǎng)石石英砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為93.6 MPa，泥質(zhì)粉砂巖為21.48 MPa(見表1)，經(jīng)開挖混合后，形成軟硬巖混合石料。

表1 巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Results of physical and mechanical tests of rock materials

2010年12月主壩開始?jí)误w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。壩體堆石料填筑技術(shù)要求見表2。經(jīng)施工期質(zhì)量檢測(cè)，大壩填筑材料合格，填筑過程符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求、各種現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)合格，施工過程中未發(fā)生質(zhì)量事故。水庫(kù)于2013年11月下閘蓄水，2014年8月機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。自投產(chǎn)至今，達(dá)岱水電站已經(jīng)歷了五個(gè)汛期的檢驗(yàn)，面板堆石壩運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定、正常。

表2 壩體堆石料填筑技術(shù)要求Tab.2 Technical requirements for rockfill materials

2 變形監(jiān)測(cè)資料分析

2.1 壩體變形監(jiān)測(cè)布置

主壩變形監(jiān)測(cè)設(shè)0+294.0 m，0+454.0 m和0+614.0 m 三個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面。其中堆石體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)包括沉降變形和水平位移，主要監(jiān)測(cè)儀器有水管式沉降儀、電磁式沉降儀、引張線式水平位移計(jì)。由于儀器變形、水管堵塞等原因，目前堆石體內(nèi)部沉降變形監(jiān)測(cè)儀器均已失效。表面變形監(jiān)測(cè)主要包括水平位移、垂直位移(沉降)，在壩頂(高程220.0 m)、高程190.0、160.0、130.0 m 馬道布置水平位移和垂直位移測(cè)點(diǎn)，分別采用視準(zhǔn)線法、精密水準(zhǔn)法進(jìn)行觀測(cè)。由于壩后視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)破壞嚴(yán)重，不具備監(jiān)測(cè)條件，目前只對(duì)壩頂水平位移和垂直位移(沉降)進(jìn)行定期觀測(cè)。

2.2 內(nèi)部沉降變形監(jiān)測(cè)成果分析

選取河床部位0+454.0斷面進(jìn)行分析，該斷面高程192、162、132 m水管式沉降儀起測(cè)時(shí)間分別為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，各測(cè)點(diǎn)的沉降分布見圖2。由圖2可知，壩體內(nèi)部沉降增量隨高程增加逐漸增大，實(shí)測(cè)沉降最大值為0.936 m，占最大壩高的0.83%；同一高程各斷面測(cè)點(diǎn)沉降在壩軸線處最大，向上、下游方向均逐漸減小，沿壩軸線呈對(duì)稱分布，實(shí)測(cè)沉降分布基本符合壩體變形規(guī)律。

圖2 河床壩段0+454.0斷面測(cè)點(diǎn)沉降分布Fig.2 Distribution of measured sedimentation at the 0+454.0 section

水管式沉降儀在下游觀測(cè)房測(cè)點(diǎn)起測(cè)后才有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，電磁式沉降儀在填筑后即開始起測(cè)，起測(cè)時(shí)間較早，但2012年12月后電磁式沉降儀已基本失效。根據(jù)監(jiān)測(cè)成果，電磁式沉降儀實(shí)測(cè)沉降最大值發(fā)生在0+615.0斷面、高程192 m(約2/3壩高)壩軸線處的ES7-6測(cè)點(diǎn)，最大沉降達(dá)1 257 mm。主壩河床0+454.0斷面、高程192 m處兩類沉降儀的測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線對(duì)比見圖3。從累積沉降變形來看，兩類監(jiān)測(cè)儀器在相同位置的實(shí)測(cè)沉降規(guī)律相似，由于電磁式沉降儀較早，因此實(shí)測(cè)沉降值更大；但從增量沉降變形來看，相同時(shí)段內(nèi)水管式沉降儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反而較大。從偏安全角度考慮，本文選取水管式沉降儀實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行有限元反演分析。因儀器起測(cè)前存在一定漏測(cè)值，進(jìn)行反演分析時(shí)應(yīng)適當(dāng)加以修正。

圖3 河床壩段0+454.0斷面測(cè)點(diǎn)沉降過程線Fig.3 Evolution of measured sedimentation at the 0+454.0 section against time

2.3 表面變形監(jiān)測(cè)成果分析

2015年8月開始對(duì)壩頂表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)成果見圖4，其中圖4(a)為上下游方向的水平位移，圖4(b)為壩軸線方向的水平位移，圖4(c)為豎向沉降。由圖4可見，壩頂河床斷面變形大于兩岸，符合一般規(guī)律。截至2017年7月22日，向下游最大變形為82.13 mm，沿壩軸線變形基本對(duì)稱，向左岸的最大變形為24.5 mm，向右岸的最大變形為13.6 mm，壩頂最大沉降171.57 mm。壩頂沉降隨時(shí)間不斷增大，但增大速度逐漸放緩，有趨于收斂的趨勢(shì)。

圖4 壩頂表面變形監(jiān)測(cè)成果Fig.4 Monitored deformation results at dam crest

隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，大壩堆石體在自重、水壓循環(huán)等各種外荷載作用下發(fā)生顆粒重組導(dǎo)致堆石孔隙率變化，從而引起大壩整體變形，但隨著水壓循環(huán)荷載的作用，這種顆粒重組逐漸穩(wěn)定，大壩變形也將趨于收斂和穩(wěn)定。

3 反演分析

3.1 三維有限元計(jì)算分析

主壩壩體變形監(jiān)測(cè)設(shè)施已大部分失效，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一定程度缺失。為及時(shí)準(zhǔn)確掌握大壩的變形性態(tài)，采用三維有限元計(jì)算方法對(duì)壩體變形進(jìn)行反演分析及預(yù)測(cè)。根據(jù)壩址區(qū)地質(zhì)條件和壩體分區(qū)特點(diǎn)，建立了壩體三維有限元模型，如圖5所示。其中，Z軸為壩軸線方向，以左岸為Z軸起點(diǎn)，水平方向自上游到下游為X軸，鉛直方向?yàn)閅軸。該模型材料分區(qū)包括堆石體，混凝土面板、趾板和擠壓邊墻，接觸面及接縫。

圖5 主壩有限元模型示意圖Fig.5 Finite element model of the main dam

面板壩整體結(jié)構(gòu)變形性態(tài)預(yù)測(cè)的合理性和可靠性取決于堆石體本構(gòu)模型的選取。堆石體變形不僅隨荷載的大小而變化，還與加荷的應(yīng)力路徑相關(guān)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)明顯的非線性特性[7]。堆石體本構(gòu)模型采用鄧肯E-B模型，以切線彈性模量Et和切線體積模量Bt為基本參數(shù)，其表達(dá)式為[8]：

(1)

(2)

其中：

(3)

卸載時(shí)采用回彈模量Eur，其表達(dá)式為：

(4)

式中：Pa為單位大氣壓力；Rf為破壞比；c、φ為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；K、n分別為楊氏模量系數(shù)及其隨圍壓而增長(zhǎng)的冪次；Kb、m分別為體積變形模量系數(shù)及其隨圍壓而增長(zhǎng)的冪次；Kur、nur分別為回彈模量系數(shù)及其隨圍壓而增長(zhǎng)的冪次。

堆石壩采用分層碾壓技術(shù)填筑而成，無(wú)論是在填筑施工期還是在水庫(kù)蓄水期，堆石壩的流變過程都伴隨著應(yīng)力狀態(tài)的變化[9]?？紤]壩體堆石料的流變特性，采用滯后變形模型進(jìn)行大壩的流變計(jì)算分析。滯后變形的概念最早由Bjerrum[10]提出，假定材料的黏性只與彈性相聯(lián)系，任何一個(gè)彈塑性模型加上蠕變項(xiàng)，即得到相應(yīng)的滯后變形模型。

增量流變模型中，切線流變體積模量Kt和剪切模量Gt分別為[8]：

(5)

(6)

式中：Rsf為破壞比；kv、nv、ks、ns為模型參數(shù)，可由室內(nèi)流變?cè)囼?yàn)結(jié)果確定。

3.2 參數(shù)反演

主壩應(yīng)力變形采用非線性有限元方法計(jì)算，根據(jù)大壩實(shí)際施工分級(jí)填筑特點(diǎn)，采用逐級(jí)加載方式，模擬壩體填筑及水庫(kù)蓄水過程。通過選取相對(duì)停工的時(shí)段，采用免疫遺傳算法作為優(yōu)選模型參數(shù)的方法，反演堆石料的流變模型參數(shù)；通過選取加載增量時(shí)段，反演堆石料鄧肯E-B模型參數(shù)；通過流變模型參數(shù)和鄧肯E-B模型參數(shù)的交叉反演，直到對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差達(dá)到允許范圍內(nèi)，確定最終反演參數(shù)。參數(shù)反演具體方法如下：

(1)確定計(jì)算時(shí)段，取2012年7月15日到2012年9月24日時(shí)段(大壩從205 m填筑至216 m)為加載增量時(shí)段；取2012年9月25日到2012年11月17日時(shí)段(大壩已填筑到壩頂、未澆注面板，該時(shí)段無(wú)外荷載產(chǎn)生)為停工流變時(shí)段。

(2)參考本工程設(shè)計(jì)階段的室內(nèi)三軸試驗(yàn)資料，擬定堆石料鄧肯E-B模型參數(shù)初始值；根據(jù)鄧肯E-B模型參數(shù)初始值和加載增量時(shí)段的實(shí)測(cè)沉降增量(包括瞬時(shí)變形和流變變形)，反演確定流變模型參數(shù)初始值。

(3)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，根據(jù)計(jì)算參數(shù)及結(jié)果的變異性，選取敏感性較強(qiáng)的測(cè)點(diǎn)作為反演分析擬合對(duì)象。經(jīng)分析，確定壩軸線處沿高程分布的水管式沉降儀測(cè)點(diǎn)(0+454.00斷面高程132 m處TC5-4，高程162 m處TC4-3，以及高程192 m處TC3-2)為主要擬合對(duì)象。

(4)進(jìn)行反演分析，取停工流變時(shí)段的實(shí)測(cè)沉降增量，反演堆石料的流變模型參數(shù)；取取加載增量時(shí)段的實(shí)測(cè)沉降增量，反演堆石料鄧肯E-B模型參數(shù)。根據(jù)反演分析測(cè)點(diǎn)變形的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，判斷反演分析的精度，直到滿足條件，停止反演。

參數(shù)反演分析結(jié)果見表3和表4。

3.3 反演計(jì)算成果分析

根據(jù)反演參數(shù)，考慮流變效應(yīng)進(jìn)行大壩三維有限元計(jì)算，得到反演測(cè)點(diǎn)沉降變形增量計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比見圖6。

由圖6可知，堆石體瞬時(shí)變形增量和流變?cè)隽康挠?jì)算值和監(jiān)測(cè)值趨勢(shì)一致，且與反演測(cè)點(diǎn)的變形擬合較好，說明反演參數(shù)是可靠的。因水管式沉降儀起測(cè)時(shí)間較晚、大壩相對(duì)停工時(shí)段也較短，反演計(jì)算的時(shí)間跨度共4個(gè)月。從計(jì)算結(jié)果來看，大壩三維有限元反演分析成果基本合理。

表3 堆石料鄧肯E-B模型計(jì)算參數(shù)反演值Tab.3 Inversion parameters of Duncan E-B model for rockfill materials

表4 堆石料增量流變模型計(jì)算參數(shù)反演值Tab.4 Inversion parameters of incremental rheological model for rockfill materials

圖6 河床斷面壩軸線測(cè)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculated displacement at measuring points on dam axis

利用該模型預(yù)測(cè)2011年11月-2017年7月大壩的變形性狀。圖7所示為河床壩段0+454.0斷面高程192.0 m壩軸線處測(cè)點(diǎn)沉降變形過程線計(jì)算值和水管式沉降儀測(cè)點(diǎn)TC3-2實(shí)測(cè)值的對(duì)比。其中，考慮安裝時(shí)間滯后引起的漏測(cè)，對(duì)水管式沉降儀實(shí)測(cè)值加以修正，將起測(cè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)(2012年7月15日)的計(jì)算值作為補(bǔ)償量，疊加到實(shí)測(cè)值中?？梢钥吹叫拚蟮膶?shí)測(cè)值與計(jì)算值較為接近，變化規(guī)律一致，各測(cè)點(diǎn)變形較初次蓄水后有所增加，并逐步趨于穩(wěn)定，符合大壩運(yùn)行3年?duì)顟B(tài)下的變形發(fā)展規(guī)律，表明反演參數(shù)可以較好地反映大壩變形規(guī)律。

圖7 河床斷面壩軸線測(cè)點(diǎn)沉降過程線Fig.7 Evolution of calculated sedimentation at the 0+454.0 section against time

圖8所示為2015年8月-2017年7月時(shí)段內(nèi)壩頂表面位移累計(jì)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，反演計(jì)算壩頂三向變形規(guī)律與監(jiān)測(cè)成果規(guī)律一致，二者吻合較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了反演參數(shù)計(jì)算大壩運(yùn)行期變形的可靠性。

圖8 壩頂表面變形計(jì)算成果Fig.8 Calculated deformation results at dam crest

根據(jù)反演計(jì)算參數(shù)預(yù)測(cè)運(yùn)行期大壩應(yīng)力及變形性態(tài)，結(jié)果表明，大壩滿蓄運(yùn)行3年后，最大沉降增加到153.0 cm，流變效應(yīng)使得壩體體積微縮，向上游方向的變形減小到20.2 cm，向下游變形增加到74.4 cm。預(yù)測(cè)得到主壩的變形特性與國(guó)內(nèi)若干座軟巖筑面板壩對(duì)比見表5。達(dá)岱水電站主壩沉降率超過壩高的1%，沉降變形尚處在百米級(jí)面板壩沉降正常范圍以內(nèi)，水平位移符合一般面板壩的變形規(guī)律。

表5 國(guó)內(nèi)若干座軟巖筑面板壩變形特性對(duì)比Tab.5 Comparison of deformation characteristics of several CFRDs in China

4 結(jié) 語(yǔ)

壩體變形是影響軟巖筑面板堆石壩安全的主要因素。本文以達(dá)岱水電站115 m級(jí)高混凝土面板堆石壩為例，分析了壩體變形監(jiān)測(cè)成果，大壩實(shí)測(cè)位移分布基本符合面板壩變形規(guī)律，且蓄水三年后，大壩變形趨于收斂和穩(wěn)定；采用三維有限元仿真進(jìn)行了反演反饋分析，通過反演參數(shù)計(jì)算得到的大壩變形及流變與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，有效預(yù)測(cè)了運(yùn)行期大壩長(zhǎng)期變形；與同類工程相比，達(dá)岱水電站主壩沉降率超過壩高的1%，沉降變形尚處在百米級(jí)面板壩沉降正常范圍以內(nèi)。達(dá)岱水電站主壩采用軟硬料填筑，發(fā)揮了堆石壩就地取材的優(yōu)勢(shì)，大壩變形性態(tài)基本穩(wěn)定，運(yùn)行狀況良好，表明該電站利用軟巖料筑壩是成功的。