锦屏一级水电站边坡变形对拱坝影响分析

邱茂星, 位伟

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节水灌溉
中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (10) : 128-135.
水电建设

锦屏一级水电站边坡变形对拱坝影响分析

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An Analysis of the Influence of Slope Deformation on Arch Dam of Jinping I Hydropower Station

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摘要

库岸边坡在长期库水涨落循环作用下容易发生变形，进而可能引起大坝的开裂甚至破坏，因此边坡变形对拱坝安全有重要影响。锦屏一级水电站经历了六次库水涨落循环，依据监测资料，对边坡变形进行流变反演计算，并通过正向计算预测了边坡的长期变形情况，研究了在上游正常蓄水位1 880 m和死水位1 800 m两种水位条件下，及不同边坡变形情况下拱坝的变形和应力分布情况。结果表明，2012年蓄水后至2020年7月，拱坝整体变形较小，右岸1 800 m高程以上坝肩拉应力区明显减小，拱坝受力状态有局部改善；2020年7月至边坡长期变形收敛阶段，拱肩槽边坡变形较小，左拱端下游侧横河向变形增量小于1.2 mm，拱坝拉应力量值和分布范围改变不明显。因此，水库蓄水后至边坡长期变形收敛阶段，拱坝应力应变量值处于合理区间，锦屏一级高拱坝应力应变总体处于弹性工作的安全运行状态。

Abstract

The bank slope of reservoir is prone to deformation under long-term circulation of reservoir water fluctuation， which may lead to the cracking and even failure of the dam. Therefore， slope deformation has important influence on the safety of the arch dam. Jinping I Hydropower Station has experienced six fluctuation cycles of the reservoir water. The rheological inversion calculation of the slope deformation is conducted based on the monitoring data， and the long-term deformation of the slope is predicted. In development， the deformation and stress conditions of the arch dam under the conditions of normal water level of 1 880 m and dead water level of 1 800 m and different slope deformation are studied. The results show that the overall deformation of the arch dam was minor from the impoundment to July 2020. Furthermore， it is revealed that the tensile stress area of the abutment above the elevation of 1 800 m of the right bank decreased significantly， which means that the stress state of the arch dam has been partially improved. On the other hand， during the stage from July 2020 to the convergence of the slope after the long-term deformation， the deformation of the abutment groove slope will be small， the transverse deformation increment of downstream side of the left arch end will be less than 1.2 mm， and the magnitude and distribution range of the tensile stress of the arch dam will not change obviously. Therefore， from the reservoir impoundment to the convergence of the slope after the long term deformation， the stress and strain values of the arch dam are in a reasonable range， and the stress and strain of Jinping I high arch dam are generally in the safe operation state of elastic work.

关键词

高拱坝 / 边坡变形 / 应力 / 水库蓄水 / 锦屏一级水电站

Key words

high arch dam / slope deformation / stress / reservoir impoundment / Jinping I Hydropower Station

基金

国家自然科学基金项目(42077253)

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邱茂星 , 位伟. 锦屏一级水电站边坡变形对拱坝影响分析[J].中国农村水利水电, 2021(10): 128-135
Mao-xing QIU , Wei WEI. An Analysis of the Influence of Slope Deformation on Arch Dam of Jinping I Hydropower Station[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(10): 128-135

0 引 言

锦屏一级水电站地处四川省境内的雅砻江干流，拥有世界最高双曲拱坝，坝高305 m，坝顶高程1 885 m，坝顶长度589.3 m。库区枯期蓄水位1 635.7 m，死水位1 800 m，正常蓄水位 1 880 m，自2012年蓄水以来，库区共经历了6次完整的库水涨落循环。水电站在修建及蓄水过程中会破坏库岸边坡原有的水岩平衡状态，在长期库水涨落引起的浸泡-风干循环作用下，边坡岩体力学性质会逐渐劣化，造成宏观上边坡稳定性降低［1-3］。岩石在长期荷载作用下也会发生流变现象，进而引起边坡变形［4］。两岸边坡发生变形，挤压大坝，可能引起坝身局部开裂，形成渗漏通道，影响拱坝的正常运行［5］。
锦屏一级水电站已监测到明显的谷幅收缩变形。国内已有学者对锦屏一级水电站谷幅收缩规律及库水涨落循环对边坡变形的影响机制进行了探讨［6，7］，杨强［8］、程立［9］等对锦屏一级水电站边坡变形对拱坝的影响进行的研究。但目前对锦屏一级水电站不同水位条件下，边坡当前变形及长期变形对拱坝安全影响的研究较少。本文针对锦屏一级水电站，利用数值模拟的方法，综合考虑边坡岩体劣化效应和流变效应，对蓄水以来，锦屏一级水电站不同水位条件下边坡变形对拱坝的影响进行探讨，计算边坡长期蠕变作用下坝体内部的应力变形分布，阐明边坡长期变形对大坝安全的影响，为边坡-大坝系统的长期安全评价提供依据。

1 计算模型、参数与计算工况

1.1 计算模型与参数

锦屏一级水电站模型如图1所示。模型的范围：顺河向 2 100 m，横河向2 400 m。以坝底建基面中心为基准，延顺河向向上游取1 000 m，向下游取1 100 m；以拱冠梁为基准，向左、右岸各取1 200 m；延坝底建基面向下取480 m（向下游和左岸为X、Y轴正方向）。模型包含331 753个单元，121 408个节点。主要考虑的断层有F5、F8、F42-9、SL42-1、煌斑岩脉X等，断层结构如图2所示。
图1 三维数值计算模型（单位：m）

Fig.1 3D numerical calculation model

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图2 断层结构示意图

Fig.2 Diagram of fault structure

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模型在底面采取x，y，z三个方向全部固定约束，在四周边界面采取法向位移固定约束。坝体混凝土及各类岩体参数如表1所示。
表1 岩体力学参数

Tab.1 Mechanical parameters of rock mass

材料分类 E /GPa ν γ /（kN·m-3）
大坝混凝土 24.000 0.167 24.0
混凝土垫座 21.000 0.167 24.0
II类岩石 26.000 0.250 28.0
III1类岩石 11.500 0.250 28.0
III2类岩石 6.500 0.300 28.0
IV1类岩石 3.000 0.350 27.5
IV2类岩石 2.000 0.350 27.5
V1类岩体 0.375 0.350 27.5
f5、f8、f42-9 0.375 0.350 26.0
X （El.1 680 m以上） 2.000 0.350 27.5
X （El.1 680 m以下） 6.500 0.300 28.0

1.2 计算工况

本次计算采用有限元数值模拟方法。计算岩体初始地应力场仅考虑自重作用。水电站在蓄水后长期运行的过程中，计算拱坝变形要考虑的荷载包括：坝体自重、拱坝上下游水位压力、上游泥沙压力（1 644.4 m，浮容重5 kN/m3）［9］、两岸边坡变形等。本次研究在上游正常蓄水位1 880 m和死水位1 800 m两种不同水位条件下，对不同边坡变形情况下的拱坝变形和应力分布进行了计算和分析，具体工况及荷载组合如表2所示。
表2 荷载组合工况

Tab.2 Load combination conditions

工况 荷载组合
工况1 无边坡变形 上游正常蓄水位1 880 m 上游泥沙压力 坝体自重 下游水位1 640 m
工况2 边坡当前变形
工况3 边坡长期变形
工况4 无边坡变形

上游

死水位

1 800 m

工况5 边坡当前变形
工况6 边坡长期变形
注：表中“无边坡变形”指蓄水开始时两岸边坡未发生变形，“边坡当前变形”指2013.6~2020.7两岸边坡变形，“边坡长期变形”指2013.6~变形收敛时两岸边坡变形。

2 边坡流变反演分析

2.1 边坡流变参数反演计算

研究参考锦屏一级水电站安全评价报告［10］，考虑了岩体参数的劣化效应［11］，对边坡变形展开流变参数反演计算。流变采用三参数流变模型，选取有完整监测数据的外观测点，对蓄水后2013年6月15日至2020年7月28日期间监测数据展开反演，外观测点水平位移矢量监测值及参与反演的外观测点如图3所示（图中圈出的为参与反演的外观测点）。以各测点位移计算值和实测值差值的平方和为目标函数，通过试算、迭代和修正，最终得到岩体流变参数反演结果如表3所示。
图3 2013年6月-2020年7月边坡外观测点水平位移矢量监测值及参与反演的外观测点

Fig.3 The monitored values of horizontal displacement vectors of the outer observation points of the slope from June 2013 to July 2020 and the outer observation points participating in the inversion

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表3 流变参数反演结果

Tab.3 Rheological parameter inversion results

岩体类别 弹性模量/GPa 黏弹性模量/GPa 黏滞系数/（亿GPa·s）
III1类 8.75 10.2 10.0
III2类 4.73 5.53 7.0
IV1类 2.08 3.47 4.0
IV2类 0.82 0.79 1.0
f5、f8、X、f42-9、SL42-1 0.23 0.4 0.8
图4为外观监测值与计算结果的对比，各外观测点横河向位移实测值与反演参数计算值变化趋势一致、变形量值接近，表明反演参数和边坡流变模型是合理可靠的。
图4 蓄水期监测值与反演计算值

Fig.4 Monitoring value and inverse calculation value during impoundment period

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2.2 边坡变形分析

利用反演参数进行正向计算，预测边坡长期变形趋势和变形收敛时间。设定变形速率小于0.03 mm/月时为完全收敛和变形稳定时间。根据图5外观测点正向计算横河向位移随时间变化曲线分析，确定2034年7月为最终流变稳定时间。图6为2009年8月边坡开挖至2020年7月左岸边坡拱肩槽横河向位移分布。图7为2009年8月至长期变形稳定时左岸边坡拱肩槽横河向位移分布。
图5 外观测点正向计算横河向位移随时间变化曲线

Fig.5 Forward calculation of transverse displacement curve with time at outer observation points

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图6 2020年7月左岸边坡拱肩槽横河向位移云图

Fig.6 Transverse river displacement of arched shoulder groove of the left bank slope as of July 2020

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图7 长期变形稳定时左岸边坡拱肩槽横河向位移

Fig.7 Transverse river displacement of arched shoulder groove of the left bank slope under long-term deformation and stability

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3 边坡变形对拱坝的影响

3.1 拱坝变形分析

对各工况条件下拱坝变形情况进行分析。表4为各工况条件下拱坝下游坝面最大位移及出现位置，分析可知，从不考虑边坡变形到考虑边坡长期变形，拱坝整体顺河向最大位移略有增加，两拱端横河向位移减小，变形方向指向河谷。
表4 拱坝下游坝面最大位移及出现位置 (mm)

Tab.4 Maximum displacement and position of downstream dam surface of arch dam

工况 左拱端 拱冠梁 右拱端
顺河向 横河向 顺河向 横河向 顺河向 横河向
工况1 26.7 σ1 710 m 8.5 σ1 710 m 78.2 σ1 830 m -3.2 σ1 885 m 17.7 σ1 740 m -4.7 σ1 770 m
工况2 29.6 σ1 710 m 8.1 σ1 710 m 79.8 σ1 800 m -4.9 σ1 885 m 19.0 σ1 740 m -4.6 σ1 770 m
工况3 29.7 σ1 710 m 8.2 σ1 710 m 79.8 σ1 800 m -4.9 σ1 885 m 19.0 σ1 740 m -4.6 σ1 770 m
工况4 10.8 σ1 680 m 2.6 σ1 680 m 15.5 σ1 710 m 0.7 σ1 885 m 7.6 σ1 650 m -0.9 σ1 710 m
工况5 13.5 σ1 680 m -2.7 σ1 885 m 26.7 σ1 710 m 0.8 σ1 885 m 9.3 σ1 650 m -0.7 σ1 740 m
工况6 13.6 σ1 680 m -3.9 σ1 885 m 29.7 σ1 710 m 0.9 σ1 650 m 9.3 σ1 650 m -0.7 σ1 740 m

3.1.1 正常蓄水位1 880 m三种工况拱坝变形分析

图8~图10分别为工况1~工况3拱坝下游坝面位移图，分析可知：
图8 工况1下游坝面位移图（单位：mm）

Fig.8 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 1

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图9 工况2下游坝面位移图（单位：mm）

Fig.9 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 2

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图10 工况3下游坝面位移图（单位：mm）

Fig.10 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 3

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左拱端：蓄水后至2020年7月，大坝下游面顺河向最大位移增量为3.8 mm，位于1 885 m高程；横河向最大位移增量为 -3.0 mm，位于1 885 m高程；大坝1 800 m高程以下横河向位移改变量较小，最大位移增量为-0.7 mm，位于1 740 m高程。2020年7月到边坡长期变形收敛，下游面顺河最大变形增加 1 mm，位于1 885 m高程；横河向最大位移增量为-1.2 mm，位于1 885 m高程。
拱冠梁：蓄水后至2020年7月，大坝下游面顺河向最大位移增量为4.1 mm，位于1 710 m高程；横河向最大位移增量为 -1.7 mm，位于1 885 m高程。2020年7月到边坡长期变形收敛，拱冠梁顺河向和横河向位移改变量均很小，不超过0.1 mm。
右拱端：蓄水以来至2020年7月，大坝下游面顺河向最大位移增量为1.6 mm，位于1 680 m高程；横河向位移改变量较小，不超过0.3 mm。从2020年7月到边坡长期变形收敛，顺河向与横河向位移改变量均不超过0.1 mm。

3.1.2 死水位1800 m三种工况拱坝变形分析

图11~图13为工况4~工况6条件下拱坝下游坝面位移云图，分析可知：
图11 工况4下游坝面位移云图（单位：mm）

Fig.11 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 4

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图12 工况5下游坝面位移云图（单位：mm）

Fig.12 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 5

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图13 工况6下游坝面位移云图（单位：mm）

Fig.13 Displacement diagram of downstream dam surface under condition 6

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左拱端：蓄水后至2020年7月，大坝下游面顺河向最大位移增量为4.2 mm，位于1 885 m高程；横河向最大位移增量为 -3.2 mm，位于1 885 m高程；大坝1 800 m高程以下横河向最大位移增量为-0.6 mm，位于1 770 m高程。从2020年7月至边坡长期变形收敛，下游面顺河最大变形将增加1 mm，位于1 885 m高程；横河向最大位移增量为1.2 mm，位于1 885 m高程。
拱冠梁：蓄水后至2020年7月，大坝下游面顺河向最大位移增量为14.7 mm，位于1885 m高程；横河向最大位移增量为 -0.7 mm。从2020年7月至边坡长期变形收敛，拱冠梁顺河向和横河向位移改变量均很小，不超过0.1 mm。
右拱端：蓄水后至2020年7月，大坝下游面顺河向最大位移增量为1.7 mm，位于1650 m高程；横河向位移改变量很小，不超过0.4 mm。从2020年7月至边坡长期变形收敛，顺河向和横河向位移改变量均不超过0.1 mm。
综上所述，坝体顺河向位移具有良好的对称性，量值在同一高程从拱冠梁至左右拱端逐渐减小。水库蓄水以来，拱坝受左岸边坡变形影响而发生变形调整。蓄水作用主要影响大坝上游边坡变形，坝肩边坡受蓄水影响小。蓄水后，拱坝各部位顺河向均表现出指向大坝下游的位移增量；横河向变形，大坝左拱端表现出向右岸的变形增量，右拱端表现出向左岸的变形增量，大坝拱冠梁附近位移量改变量较小。1 800 m高程以下边坡由于岩体条件较好，且初次蓄水后一直处于蓄水位以下，边坡受蓄水影响较弱，因此1 800 m以下大坝位移增量较小。

3.2 拱坝应力分析

拱坝应力分布情况是衡量拱坝稳定的重要参考依据，尤其是坝面拉应力分布情况，表5和表6分别给出了蓄水到1 880 m和1 800 m水位时各三种工况条件下大坝主应力最大值。
表5 正常蓄水位1 880 m三种工况下大坝主应力最大值

Tab.5 Maximum principal stress of dam under three working conditions of normal water level 1 880 m

工况 位置 拉应力 压应力
值/MPa 位置 值/MPa 位置
工况1 上游坝面 1.67 σ1 742 m右拱端 -6.21 σ1 743 m拱冠梁
下游坝面 0.33 σ1 885 m右拱端 -10.56 σ1 597 m右拱端
工况2 上游坝面 1.82 σ1 592 m右拱端 -6.56 σ1 743 m拱冠梁
下游坝面 0.28 σ1 885 m右拱端 -10.79 σ1 597 m右拱端
工况3 上游坝面 1.90 σ1 592 m右拱端 -6.57 σ1 743 m拱冠梁
下游坝面 0.27 σ1 885 m右拱端 -10.78 σ1 597 m右拱端
表6 死水位1 800 m三种工况下大坝主应力最大值

Tab.6 Maximum principal stress of dam under three working conditions of dead water level 1 800 m

工况 位置 拉应力 压应力
值/MPa 部位 值/MPa 部位
工况4 上游坝面 0.98 σ1 743 m右拱端 -13.7 σ1 580 m左拱端
下游坝面 0.92 σ1 885 m拱冠梁 -8.2 σ1 597 m右拱端
工况5 上游坝面 0.89 σ1 743 m右拱端 -13.5 σ1 580 m左拱端
下游坝面 0.28 σ1 885 m拱冠梁 -8.5 σ1 597 m右拱端
工况6 上游坝面 0.90 σ1 743 m右拱端 -13.4 σ1 580 m左拱端
下游坝面 0.28 σ1 885 m拱冠梁 -8.5 σ1 597 m右拱端

3.2.1 正常蓄水位1 800 m三种工况应力对比

图14和图15给出了工况1和工况2条件下拱坝的拉应力云图，结合表5分析可知：
图14 工况1拱坝拉应力云图

Fig.14 Tensile force diagram of arch dam under condition 1

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图15 工况2拱坝拉应力云图

Fig.15 Tensile force diagram of arch dam under condition 2

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从拉应力分布范围看，蓄水以来至2020年7月，大坝上游坝面右拱端拉应力区在高高程分布范围减小；下游坝面拉应力区在右拱端高高程分布范围略有减小，左拱端无明显变化；建基面拉应力区在右拱端高高程分布范围明显减小，其他区域变化不明显。2020年7月至长期变形收敛，大坝拉应力区分布范围无明显变化。
从拉应力量值看，工况1时大坝上游坝面拉应力最大值位于1 742 m高程右拱端；蓄水后至2020年7月，上游坝面最大拉应力由1 742 m高程右拱端1.67 MPa增大为1 592 m高程右拱端1.82 MPa。下游坝面工况1时最大拉应力位于1 885 m高程右拱端，值为0.33 MPa，至工况2时（2020年7月），最大值减小为0.28 MPa；建基面拉应力最大值和位置与上游坝面相同。2020年7月至长期变形收敛，大坝拉应力最大值出现位置未发生变化，上游坝面拉应力最大值变为1.9 MPa，增大0.08 MPa，下游坝面拉应力最大值变化很小，仅0.01 MPa。
从大坝上游面压应力量值看，工况1时大坝上游坝面压应力最大值位于1 743 m高程拱冠梁，最大值为-6.21 MPa；至工况2时（2020年7月），压应力最大值增加0.35 MPa。大坝下游坝面，工况1时压应力最大值为-10.56 MPa，位于1 597 m高程右拱端；蓄水后至工况2时（2020年7月），压应力最大值增加0.23 MPa。建基面压应力最大值和位置与大坝下游面相同。2020年7月至长期变形收敛时，大坝上、下游坝面压应力最大值位置未发生变化，压应力最大值变化量仅0.01 MPa。

3.2.2 死水位1 800 m三种工况应力对比

图16和图17给出了工况4和工况5条件下拱坝的拉应力云图，结合表6分析可知：
图16 工况4拱坝拉应力云图

Fig.16 Tensile force diagram of arch dam under condition 4

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图17 工况5拱坝拉应力云图

Fig.17 Tensile force diagram of arch dam under condition 5

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从拉应力分布范围看，蓄水后至2020年7月，大坝上游坝面与下游坝面拉应力区在1 850 m高程以上分布范围均明显减小。从2020年7月至长期变形收敛时，大坝拉应力区分布范围无明显变化。
从拉应力量值看，工况4时大坝上游坝面拉应力最大值为0.98 MPa，位于1 743 m高程右拱端；至工况5时（2020年7月），最大拉应力位置不变，最大值减小为0.89 MPa。下游坝面工况4时最大拉应力位于1 885 m高程拱冠梁附近，最大值为0.92 MPa；至工况5时（2020年7月），最大拉应力仍位于1 885 m高程右拱端，最大值减小为0.28 MPa；建基面拉应力量值及位置与上游坝面相同。2020年7月至长期变形收敛，大坝拉应力最大值位置未发生变化，上游坝面拉应力最大值变为0.9 MPa，下游坝面拉应力无明显变化。
从大坝上游面压应力量值看，工况4时大坝上游坝面最大压应力出现在1 580 m高程左拱端，最大值为-13.7 MPa；至工况5时（2020年7月），压应力最大值位置不变，最大值变为-13.5 MPa。大坝下游坝面，工况4时，压应力最大值为-8.2 MPa，位于1 597 m高程右拱端；至工况5时（2020年7月），压应力最大值变为-8.5 MPa。建基面压应力最大值及位置与大坝上游坝面相同。2020年7月至长期变形收敛时，大坝上、下游坝面压应力最大值位置未发生变化，量值变化较小，不超过0.1 MPa。
总体而言，水库蓄水后至边坡长期变形收敛阶段，两岸 1 800~1 880 m边坡以指向河谷的位移为主。水位在正常蓄水位1 880 m时，最大拉应力由1 742 m高程右拱端1.67 MPa增大为1 592 m高程右拱端1.9 MPa；水位在死水位1 800 m时，最大拉应力位于1 743 m高程右拱端，由0.98 MPa减小为0.9 MPa。拱坝1 800 m以上高程拉应力分布范围和量值明显减小，边坡变形对大坝应力分布起到了改善作用。

4 结 论

基于监测资料反演得到的蓄水后边坡变形成果，分析了边坡变形对坝体变形和应力状态的影响，得到如下结论。
（1）蓄水后至2020年7月，在边坡变形条件下，拱坝变形整体变化较小，左拱端下游侧横河向变形增量小于3.2 mm。坝体压应力整体变化不明显，拉应力在右岸1 800 m高程以上分布范围和量值有明显减小，表明现阶段边坡变形条件下大坝受力状态有局部改善。
（2）2020年7月至边坡长期变形收敛阶段，由于拱肩槽部位边坡变形较小，其对拱坝变形影响不明显，左拱端下游侧横河向变形增量小于1.2 mm。拱坝拉应力量值和分布范围较2020年7月改变不明显。
（3）水库蓄水后至边坡长期变形收敛阶段，大坝应力应变量值处于合理区间，锦屏一级高拱坝应力应变总体处于弹性工作的安全运行状态。

参考文献

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