調水調沙期間小浪底水庫穩定性分析

在沙子的處理和沙子的調節之間，小浪底水庫的水位急劇上升，為水庫的使用為研究水庫變形提供了機遇。筆者通過研究壩體順水流方向水平位移和垂直位移,探討土石壩在庫水位急劇升降過程中變形的一般規律。1壩體變形觀測分析從2003年8月下旬開始,受華西秋雨的影響,小浪底水庫水位快速上升,至10月15日上升到最高蓄水位265.48m,其后庫水位持續在高水位運行,直至11月16日下降到259.62m,庫水位持續在260m以上的時間達42d。到該年底,庫水位為257.81m,年內庫水位變幅為47.5m,日最大變幅為1.68m。上游壩坡在庫水位快速上升期,向下游的水平位移明顯加快,且坡體上部變形大于下部變形,說明上部土體經水位分量作用后固結加速且側向膨脹。以小浪底水庫上游壩坡B-B斷面點為例,上游260號、283號視準線8月下旬至年底的變化量分別為93mm和124mm,占全年變化量的78.2%和71.7%。2004年年初庫水位為257.62m,隨后緩慢上升,4月4日上升至最高庫水位261.99m,此后庫水位開始緩慢下降。6月15日開始調水調沙后庫水位急速下降,8月30日下降至全年最低庫水位218.63m。此后受汛期影響,庫水位緩慢上升,到年底上升至251.08m。年內庫水位變幅為43.36m,日最大變幅為1.47m。調水調沙期間庫水位快速下降,上游壩坡各監測點水平位移向上游回彈。以B—B斷面點為例,2004年9月上旬水位降至最低時,水平位移達到年內最大回彈。上游壩坡各點位移變化受庫水位變化影響明顯。回彈是水壓力減小后,土體固結密實的壩體保持慣性的表現。2005年上游壩坡各點水平位移與庫水位變化關系(選取B—B斷面點為例)見圖1。由圖1及觀測成果可知,大壩上部監測點水平位移變化量要大于下部測點,位于主河床區的測點位移量較大。2005年6月下旬至7月中旬調水調沙期間,庫水位快速下降,上游壩坡各測點發生朝向上游的水平位移,年內向上游最大位移量在25mm左右(與2004年相近)。2005年9月下旬庫水位緩慢上升,位移變化逐步朝向下游。大壩上游坡順水流方向水平位移與庫水位有很好的相關性。2壩坡水平位移2003年下游壩坡向下游水平位移,受庫水位升高的影響,下游283號、250號、220號、155號視準線年內水平位移月均變化量與2002年相比有所增大,如B—B斷面2002年這4條視準線水平位移分別為0.4、2.8、7.5、14.9mm,2003年分別為0.4、7.5、15.6、22.6mm,位移變化量主要發生在庫水位快速上升期。4條視準線監測點在2003年8月下旬至10月底(10月15日最高蓄水位達265.48m),水平位移變化量分別為2.4、66.4、129.7、179.1mm,分別占全年變化量的44.4%、73.6%、69.4%、66.0%。庫水位突升,對下游壩坡水平位移影響很大,這說明水位分量對位移變化起主要作用,時效的影響在逐步減弱。2004年下游壩坡4條視準線監測結果顯示,下游壩坡向下游水平位移,受調水調沙影響,壩頂及下游側視準線主河床區有微量向上游位移現象,最大值為12mm。4條視準線年內水平位移月均變化量比2003年有明顯減小,如B—B斷面2003年分別為0.4、7.5、15.6、22.6mm,2004年分別為0.26、2.74、4.84、5.36mm。向上游位移現象是水壓力減小后,土體固結密實的壩體保持慣性的表現,與上游壩坡一致。2005年下游壩坡各點水平位移與庫水位變化關系(選取B—B斷面為例)見圖2。由圖2及資料可知,下游壩坡向下游水平位移,下游220號視準線以下位移變化量已很小,大壩頂部位移變化量較大。所有監測點位移過程線均呈持續性變化,未發生突異變化。受調水調沙影響,壩頂下游側視準線主河床區有微量向上游位移現象,最大值為16mm。下游283號、250號、220號、155號視準線年內水平位移平均月變化量與2004年比略有減小或相近。3大壩垂直位移2003年上游壩坡垂直位移變化特點為持續下沉。從8月下旬開始庫水位快速上升,垂直位移變化速率加大,以B—B斷面為例,上游260號、283號視準線9月下旬至年底沉陷量分別為67、92mm,分別占全年變化量的59.8%、55.4%。2003年1～9月下游壩坡283號、250號、220號、155號視準線垂直位移月均變化量分別為0.2、2.8、5.8、10.4mm,明顯小于2002年的月均變化量(0.3、4.2、8.6、18.9mm);9～12月垂直位移變化量分別為0、61.0、129.0、91.0mm,分別占全年變化量的0%、72.6%、73.7%、52.3%,這說明土體經過水位分量作用固結加速。2004年大壩垂直位移變化特點為持續下沉。2004年6月開始調水調沙后,庫水位快速下降,上游壩坡各點垂直位移變化加快,上游坡260號、壩頂283號視準線垂直位移速度加快。大壩垂直位移變化與時效和庫水位變化關系密切。從變化速度上看,初期變化速度快,后期變化速度逐漸變慢;庫水位變化時,垂直位移速度加快,但明顯小于水平位移。2005年各條視準線B—B斷面觀測點年內多呈遞增變化,在2005年6～7月調水調沙期間上游260號、283號、下游283號視準線均有明顯位移變化。4壩體變形規律調水調沙運用是黃河小浪底水利樞紐獨特的水庫運用方式。通過研究,揭示了其庫水位與土石壩變形的一般規律:①順水流方向水平位移在庫水位急劇下降時,壩體受水壓力作用減小,壩體的慣性作用使上游壩坡各測點向上游位移;庫水位上升時,受水壓力作用,上游壩坡各測點向下游位移。②壩頂、下游壩坡與上游壩坡位移具有相同規律,反映了土石壩土體結構均勻密實。③向上游的位移上游壩坡大于下游壩坡(14～30mm),反映了土石壩土體結構特性。在時效分量的作用下,壩體結構逐步穩定,庫水位在相同或低水位運行時,上、下游壩坡的位移量逐漸接近,且逐漸減小。④一般來說,土石壩的變形受溫度影響很小,不具有周期性。其順水流方向水平位移規律服從于時效分量和水位分量的作用。⑤一般來說,沉降是土石壩土體固結的結果,土體土層固結是時間的函數,時效分量的作用占主導地位,具有非彈性。但庫水位急劇升降時,受水位分量作用,土體固