基于分區(qū)對(duì)標(biāo)驗(yàn)收的拱壩穩(wěn)定性分析

1大壩以壩體為原料的質(zhì)量評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)巖體質(zhì)量狀況主要是確保高拱結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，尤其是高山拱的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定。特高拱壩是指壩高超過(guò)200m,需要對(duì)專門的問(wèn)題進(jìn)行研究的高拱壩。特高拱壩的大壩及基礎(chǔ)長(zhǎng)期承受上千萬(wàn)噸的水荷載以及復(fù)雜的滲流作用,各類物理和化學(xué)損傷過(guò)程會(huì)不斷發(fā)生、發(fā)展,當(dāng)損傷累積到一定程度時(shí)并遭遇到強(qiáng)震、強(qiáng)暴雨、近壩庫(kù)岸滑坡涌浪的沖擊等荷載時(shí),將涉及壩肩基礎(chǔ)巖體的穩(wěn)定,由于巖體的局部或非局部強(qiáng)度弱化,有可能導(dǎo)致大壩開(kāi)裂、基礎(chǔ)滑移以至整體失穩(wěn)破壞。自法國(guó)馬爾帕賽拱壩和意大利瓦依昂拱壩失事后,高拱壩穩(wěn)定性問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[3,4,5,6,7,8,9,10,11]。尤其是特高拱壩,水荷載巨大,總體應(yīng)力水平高,拱壩自我調(diào)整能力余度較低壩為低,其穩(wěn)定性問(wèn)題尤為突出。所以,在施工期,及時(shí)全方位地對(duì)高壩基礎(chǔ)巖體的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)極其關(guān)鍵。正確評(píng)價(jià)驗(yàn)收大壩建基巖體質(zhì)量等級(jí)、界定巖體爆破松弛范圍和隱伏地質(zhì)缺陷影響帶,對(duì)于保證工程質(zhì)量、確保工程長(zhǎng)期安全穩(wěn)定具有重要的意義。過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)期,對(duì)施工階段大壩建基巖體質(zhì)量主要依靠工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn),以錘擊和目測(cè)方法來(lái)鑒定和評(píng)價(jià),20世紀(jì)90年代以來(lái),地球物理探測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)大壩建基巖體質(zhì)量檢測(cè)中開(kāi)始普遍應(yīng)用。地球物理探測(cè)技術(shù)是以地球物理場(chǎng)的理論為基礎(chǔ),利用各類儀器來(lái)探查和了解各種復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象,及時(shí)、快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)建基巖體的物理特征,它可以透過(guò)地層或其他介質(zhì)尋找隱伏構(gòu)造、不均勻體等,是比鉆探技術(shù)更快速、比肉眼鑒別更精確的實(shí)用技術(shù),在大壩建基巖體質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用日趨廣泛。在進(jìn)行施工時(shí),為了解工程壩基巖體卸荷松弛的變化規(guī)律及其對(duì)工程安全穩(wěn)定性的影響,并為高拱壩壩基開(kāi)挖設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù),需要對(duì)壩基從壩肩開(kāi)挖前的超前變形、開(kāi)挖后的卸荷回彈變形、直到大壩混凝土澆筑后的壓縮變形、以及灌漿后的抬動(dòng)變形進(jìn)行全過(guò)程有規(guī)律的監(jiān)測(cè)。為了獲取大壩內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài),了解大壩橫縫以及其他裂縫的張開(kāi)閉合特性,需要埋設(shè)應(yīng)力計(jì)以及測(cè)縫計(jì)。這些探測(cè)手段和測(cè)量工具得出的實(shí)際工程數(shù)據(jù),為進(jìn)一步的數(shù)值反饋分析,確定真實(shí)的巖體力學(xué)參數(shù),進(jìn)而為數(shù)值模擬提供可靠的輸入?yún)?shù),科學(xué)評(píng)價(jià)大壩的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)具有重要意義。本文結(jié)合溪洛渡工程實(shí)例,就施工期涉及巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)、驗(yàn)收方法和大壩真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)分析的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行論述,具體包括:(1)提出各壩段建基面巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)驗(yàn)收新方法,確定真實(shí)的巖體力學(xué)參數(shù);(2)基于實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大壩基礎(chǔ)真實(shí)工作性態(tài)分析;(3)施工期大壩的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)比較分析;(4)運(yùn)行期大壩的應(yīng)力和超載安全度預(yù)測(cè)與討論。通過(guò)以上分析和應(yīng)用,可指導(dǎo)高拱壩建設(shè)過(guò)程中的勘測(cè)驗(yàn)收、穩(wěn)定監(jiān)測(cè)和計(jì)算分析預(yù)測(cè)工作。2大壩建基巖體溪洛渡壩區(qū)位于雷波-永善構(gòu)造盆地中的永盛向斜之西翼,系一總體傾向南東的似層狀玄武巖組成的單斜構(gòu)造,緩傾下游偏左岸,傾角4°~7°。河床基坑以下發(fā)育的C3,C2,C1層間錯(cuò)動(dòng)帶,貫穿整個(gè)河床,是地下水的主要通道。節(jié)理裂隙組數(shù)多、密度大、延伸短,構(gòu)成壩區(qū)地下水的主要儲(chǔ)水構(gòu)造。層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶,受顆粒組成及上下盤巖體內(nèi)裂隙的影響,透水性較強(qiáng),屬中等透水帶,是壩基巖體主要的滲水結(jié)構(gòu)面,其滲透破壞形式為管涌,抗?jié)B透破壞能力較強(qiáng)。兩岸建基面主要位于岸坡水平深度30~60m范圍內(nèi),因此建基巖體以中等透水為主,部分弱透水。建基面高程350m以上地下水不豐富,開(kāi)挖面干燥,規(guī)模較大的層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶潮濕~濕潤(rùn)。建基面高程350m以下地下水豐富,規(guī)模較大的層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶及主要裂隙有滲水現(xiàn)象,且隨著開(kāi)挖高程降低,滲水位置下降。溪洛渡拱壩通過(guò)合理建基面的研究與確定,王仁坤和林鵬提出了“以巖級(jí)為基礎(chǔ),安全為準(zhǔn)則,合理利用弱風(fēng)化巖體作為建基巖體,兼顧拱端推力分高程區(qū)段確定其利用程度”的建基面確定和處理原則。大壩建基巖體受結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、風(fēng)化、邊坡卸荷、爆破震動(dòng)及裂隙中飽水程度的影響,必然引起巖體力學(xué)參數(shù)的差異,從而導(dǎo)致彈性波(主要指地震波和聲波)在巖體中傳播的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征(波速、振幅、頻率)的變化。對(duì)這些彈性波的特征參數(shù)進(jìn)行處理分析,可得到巖體質(zhì)量分類的定量或準(zhǔn)定量依據(jù)。目前用于建基面質(zhì)量檢測(cè)的主要方法有地震法和聲波法,由于巖體彈性波與巖體質(zhì)量有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,它是巖體物理力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、幾何形狀等的綜合體現(xiàn)。因此采用地震波法了解巖體水平方向的變化特征,用聲波測(cè)井了解巖體垂直方向質(zhì)量變化特征,兩者結(jié)合是大壩建基面質(zhì)量檢測(cè)的特點(diǎn)。在溪洛渡工程中,主要通過(guò)聲波的方法探測(cè)各壩段巖體,通過(guò)建立聲波波速與巖級(jí)比例的關(guān)系來(lái)評(píng)價(jià)各壩段的巖體質(zhì)量。2.1巖體聲波波速統(tǒng)計(jì)為了評(píng)估建基面范圍內(nèi)巖體的質(zhì)量,在技施階段隨著建基面開(kāi)挖,在建基面上布設(shè)了大量垂直于建基面的聲波檢測(cè)孔,孔深一般20m;制定了各級(jí)巖體的聲波速度范圍;分別按巖級(jí)統(tǒng)計(jì)了建基巖體不同高程、不同部位、不同分層深度(0~5,0~20m)的聲波。按照規(guī)程中的規(guī)定和相關(guān)公式,可以求得聲波波速與動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、完整性系數(shù)等物理量之間的關(guān)系。根據(jù)彈性波的傳播特性,在巖體中,彈性波的動(dòng)彈性模量Ed的計(jì)算公式為式中:VP為聲波波速(m/s),μ為泊松比,ρ為巖體密度(g/cm3)。根據(jù)建基面0~20m深度內(nèi)聲波波速統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖1),可由式(1)求出相應(yīng)部位的動(dòng)彈性模量值。表1列舉了建基面巖體聲波特征值分布情況。從溪洛渡工程巖體質(zhì)量與聲波波速的統(tǒng)計(jì)資料,可以得出如下結(jié)論:(1)建基面兩岸壩段在20m深度范圍內(nèi)按巖級(jí)統(tǒng)計(jì)的波速值,II級(jí)巖體平均波速>5200m/s,其中>5000m/s占70%以上,<4000m/s的小于15%,左岸的平均波速,>5000m/s所占比例較右岸高,<4000m/s所占比例較右岸低。III1級(jí)巖體平均波速>4900m/s,其中>5000m/s占60%以上,<4000m/s小于20%,緩坡壩段平均波速高于兩岸陡坡壩段。III2級(jí)巖體平均波速>4400m/s,其中,>5000m/s占40%~60%,<4000m/s占16%~34%,左岸波速明顯高于右岸。(2)河床壩段0~10m的平均波速為4285m/s,>5000m/s占32.3%,<4000m/s占37.0%,河床壩段10~20m平均波速為4990m/s,>5000m/s占61.4%,<4000m/s占19.5%,河床壩段0~20m平均波速為4652m/s。>5000m/s占47.1%,<4000m/s占27.9%。表明隨著埋深的增加,波速逐漸提高。(3)從上述不同統(tǒng)計(jì)方式的聲波資料說(shuō)明,建基面20m深度按巖級(jí)統(tǒng)計(jì)的聲波均值均化了不同壩段聲波的差異現(xiàn)象;表層低速帶的波速較低且普遍存在;河床部位的聲波值普遍低于兩岸壩基;III1和III2級(jí)巖體聲波的均一性較II級(jí)巖體差,小于4000m/s的低波速所占比例較高。上述的分析說(shuō)明,利用聲波進(jìn)行大壩基巖質(zhì)量的探測(cè),是一項(xiàng)有意義、有依據(jù)、能定量說(shuō)明問(wèn)題的方法。通過(guò)建立聲波波速與巖級(jí)分類之間的關(guān)系,能夠?qū)?shí)際工程巖體的質(zhì)量評(píng)價(jià)做出重要參考。2.2高拱壩壩段巖體結(jié)構(gòu)-不利因素及分級(jí)溪洛渡工程從施工期地質(zhì)勘查以及利用聲波等物理探測(cè)手段,可以發(fā)現(xiàn),在大壩基礎(chǔ)的不同區(qū)域(上下游、壩踵、壩趾等區(qū)域),不同壩段(河床壩段、岸坡壩段),不同巖體埋深層(表層、0~5和5~20m),巖石的質(zhì)量有所不同。針對(duì)這種情況,在進(jìn)行體型設(shè)計(jì)、仿真分析、工程加固處理時(shí),應(yīng)對(duì)不同的巖體予以區(qū)別對(duì)待,給予不同的巖體分級(jí),從而合理確定該區(qū)域的巖石力學(xué)參數(shù)、采用不同標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格評(píng)價(jià)驗(yàn)收壩基巖石質(zhì)量,為采取不同的工程加固措施提供科學(xué)依據(jù)。本文基于溪洛渡巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn),總結(jié)為分區(qū)分段分層分級(jí)對(duì)標(biāo)新思想,即從空間幾何上將巖體分區(qū)分段分層,從物理力學(xué)特性上將巖體分級(jí),從工程措施上采用不同標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格對(duì)照驗(yàn)收,確保建基面巖體滿足大壩運(yùn)行安全。具體論述如下:(1)分區(qū),即首先確定建基面基巖分布區(qū)域。拱壩在蓄水前施工期和蓄水后至最終運(yùn)行期,大壩上下游區(qū)域巖體受力特征不一樣。在岸坡和河床基巖以壩軸線為分界線分為上下游區(qū)域(見(jiàn)圖2)。蓄水前由于壩體倒懸上游區(qū)域巖體受壓,下游壩趾區(qū)巖體受拉;蓄水后上游壩踵巖體受拉,在水推力作用下,壩踵位置的巖體可能產(chǎn)生拉破壞,在防滲未到位的情況下甚至產(chǎn)生水力劈裂現(xiàn)象。下游區(qū)域以受壓為主,對(duì)于300m級(jí)高拱壩,特別是壩肩中下部高程巖體,壓力通常能達(dá)到15~20MPa,在河床基巖區(qū)域,壩趾部位巖體承受較大的壓應(yīng)力,可能產(chǎn)生壓破壞,在運(yùn)行期洪水泄流之后下落,可能對(duì)下游壩趾部分的基巖造成沖擊和沖刷破壞。因此,在分析建基面巖體的不利因素時(shí),應(yīng)該根據(jù)不同時(shí)期,上下游區(qū)域巖體受力特點(diǎn)不同予以區(qū)別對(duì)待。(2)分段,即按大壩幾何和受力特點(diǎn)按岸坡壩段和河床壩段對(duì)建基面分段。拱壩在受力時(shí),有拱的分載作用,所以岸坡壩段的基巖質(zhì)量對(duì)該部分壩體的整體穩(wěn)定性有至關(guān)重要的影響,甚至還可能影響到整個(gè)工程的安全。對(duì)于岸坡壩段根據(jù)不同高程拱推力受力不同劃分不同區(qū)段,由圖3可知,在高拱壩中下部高程一般拱推力較大,因此這些壩段巖體一般要求質(zhì)量較高,在實(shí)際工程中通常要求新鮮II級(jí)巖體,而在岸坡壩段的上部高程由于拱推力較小,可考慮利用III2級(jí)巖體進(jìn)行建基面優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此,在分析岸坡壩段和河床壩段的不利因素時(shí),應(yīng)該予以區(qū)別對(duì)待:岸坡壩段基巖重點(diǎn)是分析局部抗滑穩(wěn)定性和巖體的剪切破壞;河床壩段基巖應(yīng)重點(diǎn)分析壩踵部位的拉破壞和壩址部位的壓破壞。(3)分層,即根據(jù)建基面巖體特征確定建基面向巖體埋深的層級(jí)。如在小灣拱壩出現(xiàn)建基面淺層卸荷,對(duì)大壩建基面分別進(jìn)行了0~2,2~6,6~20m的分層計(jì)算處理;在溪洛渡工程的勘測(cè)和計(jì)算分析中,分別采取了距建基面表面0~5和5~20m等2個(gè)區(qū)域作為基巖的2層(見(jiàn)圖4)。在設(shè)計(jì)的初步計(jì)算和數(shù)值分析的計(jì)算過(guò)程中,可將0~5m的材料視為平均材料,賦予同一平均的力學(xué)參數(shù);將5~20m的基巖視為平均材料,賦予平均的力學(xué)參數(shù)。這樣就在垂直方向上,將控制大壩安全和穩(wěn)定的巖體分為2層。這一做法相對(duì)于材料的精細(xì)分區(qū)而言,大大簡(jiǎn)化了計(jì)算量;相對(duì)于材料的統(tǒng)一均化處理,突出了與壩體相鄰基巖質(zhì)量的重要性,更具準(zhǔn)確性。(4)分級(jí),即壩基巖體分類,以巖石質(zhì)量、巖體完整性、巖石風(fēng)化及含水性作為分級(jí)因子,通過(guò)各因子組合進(jìn)行巖體分級(jí);也有依據(jù)巖石強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)特性、巖體受力條件等因素進(jìn)行巖體分級(jí),目前現(xiàn)場(chǎng)一般結(jié)合具體工程實(shí)際,參照Q系統(tǒng)、RMR系統(tǒng)、水電工程圍巖分類等巖體分級(jí)方法對(duì)壩基巖體進(jìn)行分級(jí),提出符合具體工程實(shí)際各級(jí)巖體力學(xué)參數(shù)指標(biāo),為大壩設(shè)計(jì)提供了有益的參考。(5)對(duì)標(biāo),即對(duì)以上分區(qū)、分段和分級(jí)巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化分析,如果發(fā)現(xiàn)某一區(qū)域某一壩段某一層的巖石質(zhì)量不滿足相應(yīng)部位的標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)進(jìn)行個(gè)性化處理。在實(shí)際工程分析中,如將巖體分級(jí)對(duì)標(biāo)指標(biāo)與其對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行緊密結(jié)合,就能為大壩優(yōu)化設(shè)計(jì)提供合理的科學(xué)建議。本文就是通過(guò)這一思想并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),開(kāi)展大壩整體應(yīng)力分析評(píng)價(jià)。2010年5月溪洛渡河床13~19壩段固結(jié)灌漿物探和水文地質(zhì)資料分析得到壩河床壩段灌后分壩段彈性模量見(jiàn)表2。由表2和分析結(jié)果可知:在大壩部位進(jìn)行了固結(jié)灌漿處理,河床13~19壩段綜合彈性模量平均提高約34.5%,最高提高約61.1%,為14.5MPa(13壩段);最低提高約8.0%,為9.72MPa(16壩段)。河床壩段建基面0~5,5~20m平均彈性模量分別為12.3,13.3GPa。結(jié)合當(dāng)前巖體現(xiàn)狀以及施工期各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),溪洛渡提出的分層、分段、分區(qū)、分級(jí)、對(duì)標(biāo)的巖體驗(yàn)收評(píng)價(jià)方法通過(guò)計(jì)算分析是合適的。這一思想在制定更細(xì)致的工作手冊(cè)后具有較強(qiáng)推廣價(jià)值。3高混凝土變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)開(kāi)展大壩施工期變形和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行跟蹤有規(guī)律的監(jiān)測(cè),對(duì)了解大壩施工期工作狀態(tài)具有十分重要的科學(xué)和工程意義。在施工期,由于大壩每天都有升高,大壩體型沒(méi)有完全成型,較難采用GPS法、距離交會(huì)法等大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù);而目前國(guó)內(nèi)對(duì)高混凝土的變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)大多仍采用內(nèi)部監(jiān)測(cè)技術(shù)。主要的監(jiān)測(cè)手段和目的包括:(1)滑動(dòng)測(cè)微計(jì)和多點(diǎn)位移計(jì),在大壩澆筑時(shí)安裝在混凝土內(nèi)部,用于監(jiān)測(cè)大壩內(nèi)部的基礎(chǔ)變形特征;(2)精密水準(zhǔn)儀,可以在外部空間進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè),用于從外部監(jiān)測(cè)大壩的沉降特性;(3)測(cè)縫計(jì),主要安裝在基巖和壩體底部之間或裂縫之間,作用是進(jìn)行壩體和基巖之間或裂縫的開(kāi)合度的測(cè)量;(4)壓應(yīng)力計(jì),埋設(shè)在大壩混凝土或者基巖內(nèi)部,以埋設(shè)的時(shí)間點(diǎn)的測(cè)值為基準(zhǔn)值進(jìn)行巖石或混凝土壓應(yīng)力的測(cè)量;(5)滲壓計(jì)和測(cè)壓管,用以測(cè)量滲水壓力或水位。在溪洛渡大壩施工期的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,上述5種監(jiān)測(cè)裝置都得到了應(yīng)用,獲取了十分有意義的數(shù)據(jù)。3.1水庫(kù)基本變形狀態(tài)大壩的基礎(chǔ)變形主要通過(guò)多點(diǎn)位移計(jì)和基巖測(cè)縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。下文基于變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)大壩基礎(chǔ)變形進(jìn)行分析討論。(1)多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)溪洛渡基巖垂直變形監(jiān)測(cè)主要采用多點(diǎn)(5點(diǎn))正弦式位移計(jì),布置在中間壩段,位移計(jì)下部與基巖固定,上部與基巖表面固定。測(cè)量的時(shí)候以最深的一根為基準(zhǔn)點(diǎn),其他4根相對(duì)于此根的讀數(shù)變化為兩根位移計(jì)底部之間的巖體變形情況,整個(gè)測(cè)量區(qū)域的基巖變形情況即為埋深最深的位移計(jì)的讀數(shù),將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得基巖的變化情況。目前大壩安裝有振弦式多點(diǎn)位移計(jì)共3支,分別布置在中間的3個(gè)壩段(14,16,18壩段)。圖5為16壩段多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。從圖5可以看出,1#點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn),其位移一直為0。其中2#~5#點(diǎn)的位移隨時(shí)間而不斷變化,開(kāi)始時(shí)是正值,表示固結(jié)灌漿導(dǎo)致的基巖上抬變形,之后是負(fù)值,表示壓縮。隨著大壩的不斷上升,倒懸增加,位移監(jiān)測(cè)數(shù)值顯示為持續(xù)壓縮狀態(tài),而且壓縮量不斷增大。通過(guò)對(duì)多組溪洛渡施工期多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知,影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的因素主要有:(1)儀器安裝和固結(jié)灌漿的順序。若在固結(jié)灌漿之前進(jìn)行儀器安裝,則會(huì)把由于灌漿而產(chǎn)生的上抬變形一起考慮;若在灌漿之后進(jìn)行安裝,則就不能監(jiān)測(cè)到上抬變形的過(guò)程,而只有基巖的壓縮變形。(2)壩體自重與倒懸的影響。施工期隨著大壩澆筑,基巖承受大壩的自重增加,大壩自重產(chǎn)生的壓縮變形導(dǎo)致基巖從固結(jié)灌漿的上抬變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s狀態(tài),分析監(jiān)測(cè)結(jié)果可知河床中部轉(zhuǎn)化快于右岸,右岸快于左岸。單從一個(gè)壩段看,沉降變形規(guī)律是上游壓縮,下游壩趾微張開(kāi)。(2)影響復(fù)合基巖復(fù)合結(jié)構(gòu)閉合度的因素大壩施工期監(jiān)測(cè)安裝了2種測(cè)縫計(jì),分別是振弦式測(cè)縫計(jì)和差阻式測(cè)縫計(jì),主要布置在5~25壩段大壩與基礎(chǔ)銜接處。基巖測(cè)縫計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)表示了基巖面與壩體底面之間的開(kāi)合度的值,正值表示“開(kāi)”,負(fù)值表示“合”。從圖6可以看出,14壩段在一、二灌尤其是二灌的時(shí)候,基巖和壩體間的開(kāi)合度會(huì)出現(xiàn)較大的升高,最大值達(dá)到了1mm左右。三灌影響較小。2010年9月份開(kāi)始,基巖和大壩的接觸處現(xiàn)階段已經(jīng)閉合,并有繼續(xù)壓縮的趨勢(shì)。從施工期多組基巖測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,影響開(kāi)合度變化過(guò)程的因素主要有3個(gè)方面,即壩體自重倒懸、灌漿、溫度影響:(1)壩體澆注高度越高,接觸面上壓應(yīng)力越大,開(kāi)合度也就越大。每倉(cāng)的澆筑量產(chǎn)生的壓應(yīng)力大約為0.08MPa。壩體自重在接觸面上產(chǎn)生壓應(yīng)力,使得開(kāi)合度下降,這對(duì)接觸面的穩(wěn)定是有利的。隨著大壩的繼續(xù)澆筑,開(kāi)合度會(huì)進(jìn)一步下降,接觸面上的接觸穩(wěn)定性會(huì)得到進(jìn)一步加強(qiáng)。(2)在灌漿期間的開(kāi)合度增大,變化較為明顯,基本上為突變性質(zhì)。由于灌漿過(guò)程中漿液的灌入,擁有一定壓力的漿液在接觸面上產(chǎn)生了近似于拉應(yīng)力的作用,使得接觸面上的開(kāi)合度隨之增大。并且由于灌漿壓力比壩體自重應(yīng)力大,故而其產(chǎn)生的開(kāi)合度上升值一般比自重應(yīng)力產(chǎn)生的開(kāi)合度下降值更大。但是這種開(kāi)合度的增大和拉應(yīng)力產(chǎn)生的效果又不相同,拉應(yīng)力產(chǎn)生的開(kāi)合度增大會(huì)使得接觸面上出現(xiàn)裂隙,但是灌漿會(huì)有漿液的填充,所以接觸面上還是密實(shí)的,灌漿對(duì)壩體穩(wěn)定性影響相應(yīng)也較小。(3)溫度變化會(huì)導(dǎo)致基巖和壩體的變形。一般來(lái)說(shuō),溫度升高的時(shí)候,基巖和壩體都會(huì)發(fā)生熱正值,所以在基巖和壩體的接觸面上會(huì)出現(xiàn)一定的正向的擠壓應(yīng)力,使得正向壓應(yīng)力增大,使基巖和壩體直接的接觸更加緊密。而溫度升高的時(shí)候則是另外的情況,基巖和壩體都會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的收縮,那么產(chǎn)生的正向應(yīng)力就是負(fù)的,相當(dāng)于拉應(yīng)力,于是壩體和基巖之間的正應(yīng)力減小,于是開(kāi)合度也就變大。總體來(lái)說(shuō),溫度的影響還是由于熱脹冷縮導(dǎo)致產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力,從而影響到開(kāi)合度的變化。(3)多點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)結(jié)果廊道水準(zhǔn)儀布置在廊道里,監(jiān)測(cè)廊道的上抬或者沉降變形。廊道實(shí)測(cè)變形的觀測(cè)時(shí)間為從2010年12月份開(kāi)始安裝水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)。廊道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示(圖中,正值為上抬變形,負(fù)值為沉降變形)。為了便于與多點(diǎn)位移計(jì)的觀測(cè)數(shù)值比較,將多點(diǎn)位移計(jì)從2010年12月份開(kāi)始至2011年8月16日的觀測(cè)值進(jìn)行比較分析(見(jiàn)圖8)。從圖7可以看出,中間壩段大部分時(shí)間處于壓縮變形狀態(tài),且觀測(cè)時(shí)間越長(zhǎng),累計(jì)位移值越大。兩岸的壩段隨時(shí)間延長(zhǎng)有上抬趨勢(shì)。由圖8可知,大壩廊道觀測(cè)點(diǎn)的位移變化幅度略大于基巖的變化幅度,但兩者都符合拱壩垂直變形規(guī)律。3.2大壩工作性態(tài)的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析為了解施工期大壩各典型壩段的應(yīng)力變化狀態(tài),在大壩混凝土與巖石接觸部分共埋設(shè)了15個(gè)巖石壓應(yīng)力計(jì),分別以埋設(shè)的時(shí)間點(diǎn)的測(cè)值為基準(zhǔn)值進(jìn)行巖石壓應(yīng)力的測(cè)量。圖9為河床15壩段的巖石壓應(yīng)力–時(shí)間變化曲線。從圖9可以看出,壓應(yīng)力一直較為穩(wěn)定,2009年3月底出現(xiàn)一個(gè)極值,之后迅速下降。在這之后壓應(yīng)力一直處于緩慢的波動(dòng)狀態(tài),2009年7月之后壓應(yīng)力值小于0。2010年12月變?yōu)檎?之后逐漸增加至大約1MPa。壓應(yīng)力計(jì)逐漸轉(zhuǎn)為壓縮,隨著大壩的進(jìn)一步澆注,壓應(yīng)力計(jì)顯示壓力不斷增大,基巖不斷被壓縮的規(guī)律。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,儀器的安裝時(shí)機(jī)和性態(tài)、灌漿后基巖的工作狀態(tài)、壩體澆筑狀態(tài)都是影響大壩巖石壓應(yīng)力測(cè)量的因素。利用上述監(jiān)測(cè)手段不但可監(jiān)測(cè)施工期大壩和基礎(chǔ)的運(yùn)行狀態(tài),而且為安全有效施工,反饋檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果提供了科學(xué)支撐。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)分析結(jié)果中的量值關(guān)系,分析重要突變點(diǎn)和臨界點(diǎn)的數(shù)值,并理順這些變化的原因,可以準(zhǔn)確評(píng)估大壩實(shí)時(shí)工作性態(tài)。從上面監(jiān)測(cè)結(jié)果變化的分析可以看出,影響大壩真實(shí)工作性態(tài)的原因大致如下:(1)大壩體型:拱壩在蓄水以前,設(shè)計(jì)的體型一般向上游倒懸,大壩順河向上游變形,上游壩踵受壓,下游壩趾受拉,一旦蓄水,隨著水位增高,變形逐漸轉(zhuǎn)為向下游,壩踵壩趾受力狀態(tài)正好相反。(2)大壩壩體彈性模量的均一性與大壩基巖彈性模量的不均勻性以及大壩自重倒懸,使得大壩廊道的位移監(jiān)測(cè)值與基巖多點(diǎn)位移計(jì)的存在一定差異。(3)在施工過(guò)程中采取的工程措施可能導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)變形。例如固結(jié)灌漿,可能引起相應(yīng)部位發(fā)生上抬的反應(yīng)。大壩監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)不僅可以用來(lái)直接評(píng)估大壩的實(shí)時(shí)性態(tài),而且可以利用這些成果指導(dǎo)和反饋三維數(shù)值計(jì)算的結(jié)果,為正確評(píng)價(jià)運(yùn)行期的大壩基礎(chǔ)的工作提供科學(xué)依據(jù)。4計(jì)算結(jié)果及分析本小節(jié)通過(guò)對(duì)溪洛渡進(jìn)行三維數(shù)值建模分析,采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則(D-P準(zhǔn)則)和ABAQUS計(jì)算軟件,計(jì)算分析大壩的應(yīng)力狀態(tài),并與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行反饋分析比較。基礎(chǔ)巖體的真實(shí)力學(xué)參數(shù)按表2和圖4所列參數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算分析,本文計(jì)算結(jié)果截止到2011年8月底。4.1壩段基礎(chǔ)圍巖質(zhì)量本次計(jì)算方案采用整體網(wǎng)格模擬,大壩三維計(jì)算網(wǎng)格如圖10所示。計(jì)算模擬了各級(jí)巖體分類、各個(gè)斷層及軟弱夾層,基礎(chǔ)混凝土置換及壩踵貼角處理。本次計(jì)算還特別模擬了河床壩段不同壩段基礎(chǔ)的巖體質(zhì)量,在數(shù)值模擬計(jì)算中,對(duì)基礎(chǔ)巖石進(jìn)行了細(xì)分,分別賦值,這樣更能準(zhǔn)確模擬實(shí)際情況。層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶分布如圖11所示。4.2壩體圍巖應(yīng)力分析圖12給出了15壩段施工期垂直位移云圖。圖13給出了施工期第三主應(yīng)力圖。大壩整體詳細(xì)特征應(yīng)力值見(jiàn)表3。通過(guò)施工期(截止到2011年8月)計(jì)算分析表明:(1)下游面順河向位移均為負(fù)值,即壩體向上游傾斜,最大位移為22.5mm,發(fā)生在16壩段頂部;由于倒懸的影響,豎直向下的位移在大壩上游面取得最大值,值為3cm左右。(2)在目前施工期基礎(chǔ)彈性模量的提高可改善大壩基礎(chǔ)受壓狀態(tài),減少壓應(yīng)力集中,使應(yīng)力分布均勻,但改善程度有限。上、下游面拉應(yīng)力水平不超過(guò)2MPa,拉應(yīng)力主要集中在左右岸陡坡壩段上部高程。下游面孔口部位較其他部位拉應(yīng)力大;左右岸拱端壓應(yīng)力水平相當(dāng),小于5MPa,左岸略大于右岸。建基面主要是壓應(yīng)力,均值為3~4MPa,特別是上游側(cè)。4.3壩段變形與實(shí)測(cè)的比較大壩在目前施工期情況下,通過(guò)數(shù)值分析解,比較特征河床壩段314m高程垂直位移與監(jiān)測(cè)值,并反饋材料參數(shù)。通過(guò)反饋材料參數(shù)求得在運(yùn)行期的該高程的垂直位移數(shù)值解。從表4可以看出,16壩段實(shí)測(cè)值與計(jì)算值是非常一致的。其余2個(gè)壩段雖然與實(shí)測(cè)值有較大地差別,說(shuō)明數(shù)值計(jì)算中對(duì)基巖各區(qū)域的材料屬性區(qū)分還不是很精細(xì)。16壩段是中間壩段,其拱分載的能力比較弱,主要是梁作用,所以垂直向的位移較大;越靠近兩岸,拱分載的能力越強(qiáng),垂直向位移越小。圖14列出了特征河床壩段垂直位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較。從圖14可以看出,各種方法得到的施工期的垂直位移值隨壩段的變化規(guī)律是一致的,在16壩段差別很小。運(yùn)行期的垂直位移值雖大于施工期,但規(guī)律一致。總之,盡管數(shù)值分析可以開(kāi)展線彈性和非線性計(jì)算,但由于很難精確模擬真實(shí)巖體結(jié)構(gòu)面、節(jié)理等,監(jiān)測(cè)儀器安裝時(shí)機(jī)和性態(tài),以及實(shí)際輸入巖體力學(xué)參數(shù)與真實(shí)工作狀態(tài)下巖體力學(xué)參數(shù)的仍存在一定差異,導(dǎo)致目前大壩實(shí)際監(jiān)測(cè)變形值與有限元計(jì)算結(jié)果存在一定偏差。從變形基本規(guī)律上兩者是吻合的。4.4壩內(nèi)壩段基礎(chǔ)應(yīng)力分析通過(guò)埋設(shè)在10,12,15,16,20和22壩段壩基的15個(gè)巖石壓應(yīng)力計(jì)觀測(cè)拱壩建基面上的壓應(yīng)力。截至2011年8月,巖石壓應(yīng)力計(jì)所測(cè)壓力為0~3.46MPa,最大壓應(yīng)力部位為12壩段壩基中部。由表5可知:(1)實(shí)測(cè)值和圖11,12顯示的計(jì)算值均顯示,河床壩段基礎(chǔ)上游側(cè)壓應(yīng)力較大;靠近岸坡的壩段,下游側(cè)基礎(chǔ)呈現(xiàn)受拉狀態(tài)。(2)在最大壓應(yīng)力的量值上兩者基本一致的,應(yīng)力分布上呈現(xiàn)河床壩段壓應(yīng)力大,兩側(cè)小