(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010； 2.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，大連 116024)

1 研究背景

混凝土面板堆石壩是我國高壩建設(shè)的主要壩型之一，是一種以筑壩堆石體為支撐結(jié)構(gòu)、堆石體上游側(cè)布設(shè)的鋼筋混凝土面板作為擋水防滲結(jié)構(gòu)的壩型。由于筑壩堆石體自身的變形特性，在自重、庫水以及復(fù)雜環(huán)境的綜合影響下，水庫蓄水運行數(shù)年后壩體變形仍有持續(xù)緩慢發(fā)展?；炷撩姘宥咽瘔螇误w變形大致可以分為3個階段：填筑階段、集中蓄水階段、穩(wěn)定運行階段。從已有的面板堆石壩沉降監(jiān)測資料來看，壩體沉降變形主要發(fā)生在填筑階段，穩(wěn)定運行階段中沉降變形占比較小，且其中相當(dāng)一部分是因筑壩堆石料流變造成的[1]。

面板堆石壩在穩(wěn)定運行階段由堆石料流變所產(chǎn)生的變形稱為后期變形。王勇和殷宗澤[2]通過研究認(rèn)為堆石料的流變對面板的影響是趨于危險的，不能忽略。李昌彩[3]指出壩體流變對壩體位移、面板應(yīng)力變形、面板周邊縫位移、面板與防浪墻接縫變形有重要影響，直接關(guān)系壩體的工作性態(tài)。沈婷和李國英[4]指出影響面板受力特性的最主要因素是壩體變形，尤其是壩體后期變形。由此可見，分析面板堆石壩的后期變形對認(rèn)識大壩的運行狀態(tài)是有重要意義的。

在壩體長期變形監(jiān)測資料分析方面，現(xiàn)有研究多側(cè)重于壩體最大沉降測點或數(shù)個特征測點的變形情況或某一時刻大壩整體變形的分布情況[1,5-6]，而對大壩整體后期變形的分布規(guī)律研究尚存不足，綜合考慮時間演化和空間變異性的壩體后期變形演化規(guī)律的研究成果甚少，對壩體后期變形的空間分布規(guī)律還未有直觀認(rèn)識，不利于壩體變形控制研究的深入開展；另一方面，相關(guān)研究的欠缺在一定程度上也是由于高面板堆石壩的長歷時實測變形資料較為稀少所導(dǎo)致的。

為此，本文以具有代表性的水布埡高面板堆石壩為研究對象，通過分析截至2015年12月的壩體長期變形監(jiān)測資料，研究壩體后期變形的時空分布規(guī)律，從而為高混凝土面板堆石壩的設(shè)計施工和安全運行提供一定參考和指導(dǎo)。

2 工程簡介

水布埡混凝土面板堆石壩是目前世界上運行中壩高最高的混凝土面板堆石壩。最大壩高233.2 m，壩頂高程409 m，壩頂寬度12 m，壩軸線長度608 m。水庫正常蓄水位高程400 m，相應(yīng)庫容43.12億m3，校核洪水位高程404 m，總庫容45.8億m3。水布埡面板堆石壩工程于2002年1月正式開工，2008年9月4臺機(jī)組全部并網(wǎng)發(fā)電，建設(shè)運行期間的一些主要施工、蓄水時間節(jié)點如表1所示。

表1 主要時間節(jié)點

壩體表面測點設(shè)置情況：在面板頂部高程402 m處設(shè)置1條測線，共10個測點(SA1-1—SA1-10)監(jiān)測水平和垂直位移；壩頂防浪墻上游底板高程405 m處設(shè)置1條垂直位移測線，共10個測點，與SA1-1—SA1-10沿壩軸向分布對應(yīng)，編號為BM1-1—BM1-10；大壩下游面測點包括頂部(SA2-1—SA2-9)、高程370 m(SA3-1—SA3-7)、高程340 m(SA4-1—SA4-6)、高程300 m(SA5-1—SA5-4)、高程265 m(SA6-1—SA6-3)、高程235 m(SA7-1—SA7-2)處共31個測點，分布如圖1(a)所示。

圖1 水布埡面板堆石壩變形測點布置

壩體內(nèi)部變形采用引張線式位移計和水管式沉降儀監(jiān)測，水平位移計設(shè)計編號以“SE”開頭，水管式沉降儀設(shè)計編號以“SV”開頭，從左岸至右岸依次布置了0+132、0+212、0+356 m這3個監(jiān)測斷面，在高程235、265、300、340、370 m共布設(shè)了11條測線，共70個測點；0+212 m斷面的測點布置如圖1(b)所示。變形監(jiān)測中，沉降以向下為正，上抬為負(fù)，順河向的水平位移以向下游為正，向上游為負(fù)，沿軸向位移以向左岸為正，向右岸為負(fù)。本文采用最大壩高斷面(0+212 m)和下游壩面測點的實測數(shù)據(jù)開展研究，監(jiān)測數(shù)據(jù)截至2015年12月。

3 壩體后期變形的界定

2007年9月22日，庫水位達(dá)到389.61 m，初期集中蓄水階段結(jié)束，之后庫水位在355.68～399.51 m之間呈年變化，如圖2所示。可知，集中蓄水完成后，測點沉降變形逐漸趨緩，之后隨水位變動發(fā)生周期性波動演化；與填筑階段和集中蓄水階段相比，集中蓄水完成后壩體變形受庫水位變動的影響不大；集中蓄水完成后至2015年12月，測點長期變形未呈現(xiàn)出明顯增量，該階段測點沉降變形占對應(yīng)測點總沉降量很小。需要注意，集中蓄水完成后持續(xù)一定時段內(nèi)，測點沉降變形速率趨緩，但仍持續(xù)增加[1]，集中蓄水的影響尚未完全消除。

圖2 最大壩高斷面SV1—SV12測點沉降演化曲線及水位曲線

為研究壩體后期變形的分布規(guī)律，避免集中蓄水階段水位上升對壩體變形的影響，需要選取合適的時間界定后期變形。根據(jù)已有面板堆石壩壩體長期變形資料結(jié)果[7-8]分析可知，一般初期集中蓄水后2～3 a，集中蓄水對壩體變形的影響基本消失，大壩變形逐漸趨于收斂。

為此，先取2010年1月1日，也即初期集中蓄水階段結(jié)束后2年3個月，作為起始記錄時間，采用MatLab編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能獲取，提取得到最大壩高斷面SV1—SV38測點的歷年沉降增量數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 最大壩高斷面測點歷年沉降增量

由圖3可知，2010年各測點的年沉降增量仍有較大的離散性，部分測點的年沉降增量從2010年到2011年有明顯變化；2011年及之后，斷面所有測點的年沉降增量表現(xiàn)出明顯的集聚性，為此本文選定2011年及之后壩體變形作為后期變形開展研究。

4 后期變形增量的時空分布規(guī)律

4.1 最大壩高斷面后期變形增量的時空分布規(guī)律

4.1.1 后期沉降增量

根據(jù)各測點的變形監(jiān)測資料，提取最大壩高斷面上SV1—SV38測點在2011年1月1日至2015年12月1日間的沉降增量，得到如圖4的測點范圍內(nèi)壩體后期沉降增量分布。

圖4 最大壩高斷面SV1—SV38測點后期變形沉降增量分布和增量柱狀圖

由圖4(a)可知，最大壩高斷面發(fā)生顯著后期變形的部位在壩體高程320～370 m偏向下游側(cè)、壩體中上部以及壩軸線附近次之；壩體中下部以及上游壩坡的后期沉降增量較小。

由圖4(b)可知，最大壩高斷面測點后期沉降增量的最大值出現(xiàn)在35號測點處，為114.9 mm；最大壩高斷面上不同高程測點的后期沉降增量沿順河向的分布規(guī)律存在一定差異，表現(xiàn)出中下部壩體(235、265、300 m高程處測點)的后期沉降增量在順河向基本呈現(xiàn)中部最大，向兩側(cè)減小的分布規(guī)律，而上部壩體(340、370 m高程處測點)的后期沉降增量基本呈現(xiàn)出順河向逐漸增大的趨勢；此外，最大壩高斷面的后期沉降增量整體上呈現(xiàn)出隨高程增加而增大的趨勢。

堆石壩體的變形具有明顯的空間各異性和時序性，不同填筑時期、不同填筑部位的變形有明顯的差異。為量化壩體不同部位在不同變形階段的變形差異，分析了壩體各部位后期變形發(fā)生的程度，統(tǒng)計得到0+212 m斷面后期沉降增量占比(后期沉降增量/沉降總量×100%)的分布情況如圖5所示。

圖5 最大壩高斷面SV1—SV38測點后期沉降增量百分比分布云圖和增量百分占比柱狀圖

由圖5可知，后期沉降增量占比值較大區(qū)域位于壩體上部的上游側(cè)和下游側(cè)，上游側(cè)SV36測點最大，為19.45%，下游側(cè)SV38測點次之，為15.7%；壩體340 m高程以下區(qū)域的后期沉降增量百分比基本<5%，且表現(xiàn)出壩體高程越低測點的后期沉降增量百分占比越小的分布規(guī)律。以上結(jié)果表明：壩體變形時效性明顯，填筑越晚的壩體，后期沉降變形越顯著(見圖5(a))。由此可知，控制壩體后期沉降的重點在壩體中上部，適當(dāng)提高壩體中上部筑壩料的填筑標(biāo)準(zhǔn)對控制壩體后期沉降變形能起到良好效果。

4.1.2 后期水平位移增量

水布埡面板堆石壩壩內(nèi)變形情況復(fù)雜，一些部位的監(jiān)測儀器在長期服役過程中發(fā)生損壞，無法獲取正確的監(jiān)測數(shù)據(jù)或監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失。根據(jù)獲取的測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，有SE13—SE16、SE20水平位移測點屬于以上問題。測點數(shù)據(jù)的缺失影響分布云圖的生成，為此僅采用柱狀圖研究最大壩高斷面后期變形階段壩體水平位移增量的分布規(guī)律。

最大壩高斷面各測點后期水平位移增量的分布情況如圖6所示。對比圖4(b)與圖6可知，水平位移增量與沉降增量的分布規(guī)律存在顯著的差異；除測點1的水平位移增量(73.7 mm)明顯偏大外，其余測點的后期水平位移增量基本在20 mm左右，≤40 mm，后期水平位移增量整體不大，且未表現(xiàn)出與高程相關(guān)的分布規(guī)律。對比后期變形階段的沉降增量與水平位移增量的分布規(guī)律及量級可知，壩體后期變形主要為沉降變形。

圖6 最大壩高斷面SE1—SE38測點水平位移增量分布

4.2 下游壩面后期變形增量的時空分布規(guī)律

下游壩面測點在后期變形階段發(fā)生的沉降、順河向、壩軸向變形的分布情況如圖7所示。

圖7 下游壩面測點后期變形分布(俯視圖)

由圖7(a)可知，最大值區(qū)域出現(xiàn)在順河向0～50 m范圍內(nèi)的壩體中部(壩軸向坐標(biāo)為200～300 m)，也即最大壩高斷面接近壩頂部位；下游壩面的后期沉降增量整體呈現(xiàn)出順河向向下游和沿壩軸向向兩岸逐漸減小的規(guī)律，最大的后期沉降增量為88.0 mm，后期沉降增量最小值出現(xiàn)在下游坡腳部位，為3.0 mm；由圖7(b)可知，下游壩面后期沉降增量占比的最小值>39.2%，大部分測點的后期沉降增量占比>50%，其中最大沉降增量對應(yīng)的沉降總增量占比為55.3%。以上結(jié)果表明：下游壩面的較大部分沉降變形發(fā)生在后期變形階段。

圖7(c)所示為下游壩面后期順河向水平位移增量的分布情況。由圖7(c)可知，后期變形階段的順河向水平位移增量與沉降增量有相似的分布規(guī)律，后期順河向水平位移增量的最大值同樣分布在壩體上部，位于最大壩高斷面附近的壩頂部位，為53.2 mm，與后期沉降增量相比偏小。由后期順河向水平位移總增量占比分布情況(圖7(d))可知，壩體下游面的后期順河向位移增量占比處在49.1%～74.6%區(qū)間，整體偏大，最大值發(fā)生部位的占比>50%，表明壩體下游面的大部分順河向水平位移同樣發(fā)生在后期變形階段。

圖7(e)所示為下游壩面后期壩軸向位移增量的分布情況。由圖7(e)可知，后期壩軸向位移增量基本呈左右岸對稱分布，左岸壩體發(fā)生指向右岸的后期壩軸向位移增量，最大為33.6 mm，右岸壩體發(fā)生指向左岸的壩軸向位移增量，最大為21.6 mm；左、右兩岸的后期壩軸向位移增量的最大值均發(fā)生在靠近壩肩的部位，呈現(xiàn)出共同指向最大壩高斷面的分布特征；此外，左岸的后期壩軸向位移增量大于右岸的，這是由于大壩右岸邊坡緩于左岸(見圖1(a))。

綜上可知，下游壩面在后期變形階段的三向變形增量的分布規(guī)律與面板堆石壩一般變形規(guī)律[9-10]類似；此外，最大壩高斷面和下游壩面的變形發(fā)生時序存在差異，下游壩面的沉降和順河向位移主要在后期變形階段發(fā)生，而壩內(nèi)的沉降主要發(fā)生在后期變形階段之前。

此外，圖7(b)和圖7(f)中增量占比值可達(dá)到100%，主要是由于下游壩面底部1～2個測點在后期變形階段起始時的變形與結(jié)束時的變形發(fā)生的方向相反，從而造成后期變形增量大于總變形量(如起始時變形為-0.5 mm，結(jié)束時變形為1.0 mm，則后期變形增量為1.5 mm，而總量為1 mm)，由此計算得到的變形增量占比>100%，實質(zhì)上結(jié)束時的變形都是在后期變形階段期間發(fā)生的，因此畫圖時對于占比>100%的測點均取占比值為100%。但需指出的是，這些測點的變形量非常小，僅有1～3 mm，相對于大壩整體變形是可忽略不計的。

5 后期變形階段歷年沉降增量時空分布規(guī)律

后期變形增量的分布情況直觀展示了壩體后期變形階段的變形增量分布特征，對認(rèn)識壩體后期變形的空間分布規(guī)律有直接指導(dǎo)作用，但僅通過研究壩體后期變形增量的分布特征無法判定壩體后期變形的發(fā)展演化趨勢以及演化規(guī)律的空間分布特征。為此，本節(jié)提取最大壩高斷面和下游壩面各測點在后期變形階段的歷年沉降增量，依此研究壩體后期沉降變形演化的空間分布特征。

5.1 最大壩高斷面的歷年沉降增量時空分布規(guī)律

最大壩高斷面上SV1—SV38測點歷年沉降增量的分布情況如圖8所示?？芍?，歷年沉降增量分布基本呈現(xiàn)出高程越高部位測點的年沉降增量越大的規(guī)律；大部分測點的年沉降增量隨時間變化發(fā)生明顯的波動，并未表現(xiàn)出逐年減小的趨勢。

圖8 最大壩高斷面測點歷年沉降增量分布

雖然最大壩高斷面各測點歷年沉降增量的歷時演化多表現(xiàn)出一定的波動性，但從整體來看，測點歷年沉降增量呈逐年減小趨勢；2015年，各測點的沉降增量整體偏小，僅個別測點的沉降增量超過10 mm/a。

5.2 下游壩面的歷年沉降增量時空分布規(guī)律

下游壩面在平行于壩軸線的不同縱斷面處設(shè)置了數(shù)排沉降測點，縱斷面樁號越小表示測點距壩軸線越近，所處高程也就越高(見圖1(a))。下游壩面測點歷年沉降增量的分布情況如圖9所示。

圖9 下游壩面測點歷年沉降增量分布

由圖9可知，下游壩面測點歷年沉降增量均呈現(xiàn)出明顯分布規(guī)律：不同高程測點的歷年沉降增量均呈現(xiàn)中部最大并向兩側(cè)逐漸減小的凸型分布規(guī)律，也即下游壩面不同高程上始終為最大壩高斷面附近的沉降增量最大；且隨著縱斷面樁號的增大，也即隨著高程的降低，測點的年沉降增量逐漸減?。淮送?，下游壩面各測點的年沉降增量基本都呈現(xiàn)逐年穩(wěn)定降低趨勢。2015年，各測點的沉降增量最大值為10 mm量級，且同一高程各測點間沉降差異變小，凸型分布已不明顯，表明測點間變形差異逐漸減弱，下游壩面變形逐步穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

本文通過對水布埡面板堆石壩最大壩高斷面和下游壩面的測點長期變形實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示了大壩后期變形的時空分布規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

(1)最大壩高斷面的后期沉降變形主要發(fā)生在壩體中上部，其中以中上部的下游側(cè)最為明顯；不同高程測點的后期沉降增量的順河向分布規(guī)律存在一定差異；后期沉降變形基本呈現(xiàn)出隨高程的增加而增大的分布規(guī)律。

(2)最大壩高斷面的后期水平位移增量整體較小，且未表現(xiàn)出與壩高有關(guān)的分布規(guī)律，與后期沉降增量的分布規(guī)律有顯著的差異；結(jié)果對比表明，沉降是壩體后期變形階段的主要變形形式。

(3)下游壩面在后期變形階段的三向變形增量與大壩變形的一般規(guī)律類似；最大壩高斷面和下游壩面的變形發(fā)生時序存在差異，下游壩面的沉降變形和順河向位移大部分在后期變形階段發(fā)生，而壩內(nèi)的沉降變形主要發(fā)生在后期變形階段之前。

(4)最大壩高斷面各測點的年沉降增量歷時演化均表現(xiàn)出一定的波動性，但從整體來看，測點年沉降增量是逐年減小的；相比于最大壩高斷面，下游壩面測點的歷年沉降增量分布規(guī)律表現(xiàn)為：同一高程測點的年沉降增量均為中部最大并向兩側(cè)逐漸減小，高程越高則年沉降增量越大，且各測點的年沉降增量基本呈現(xiàn)逐年穩(wěn)定減小的趨勢。

(5)堆石壩體變形時效性明顯，填筑越晚的壩體，后期沉降變形越顯著；適當(dāng)提高壩體中上部筑壩料的填筑標(biāo)準(zhǔn)對降低壩體后期沉降變形能起到良好效果。