壩基裂隙水對高壩穩定性的影響研究

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水庫產生并作用于壩基上的力和作用過程盡管比較復雜，還是可以用一個獨立的相關系統來描述。水庫的建造不僅在地殼局部產生了附加壓力，而且還改變了整個水庫區的水文地質條件。這些因素對巖體的性質和應力-應變關系產生了一定的負面影響。然而，這些影響在高壩的設計和分析中常常被低估。

深庫高壩邊坡和壩肩巖體的應力-應變在很大程度上取決于巖體中裂隙發育程度以及裂隙水的存在。在水庫水位迅速上升期間，水體作用于水庫底的荷載基本上為面荷載，導致山坡變形，并對大壩應力-應變狀態有顯著影響。

當水庫蓄水時，高壩地基中開始經歷復雜的變形過程，這一變形在大壩混凝土開始澆筑和水庫開始蓄水時就出現了，混凝土澆筑和水庫蓄水產生的重力導致水庫底板和大壩附近地面發生沉降。隨后，當水滲入到裂隙中使得巖體飽水時，揚壓力便開始作用于裂隙、壩基和壩肩。在大壩下游，這些過程主要受動力和滲流的影響，伴隨著裂隙張開和強度指標降低導致的巖體卸荷。在英古里(Inguri)水庫和薩揚舒申斯克(Sayano-Shushenskaya)水庫蓄水期間，這些現象得到了野外綜合觀測和地球物理勘探的證實。

當存在揚壓力時，壩體的豎向壓應力趨于減少，促使庫水滲透到水平施工縫中，導致揚壓力作用在壩體上，并隨著壩高的增加而增加。

地球動力學研究中心的專家們對包括英古里拱壩、薩揚舒申斯克重力拱壩和卡潘達(Capanda)混凝土重力壩的研究表明，水庫蓄水和季節性水位波動期，會出現以下現象：

(1) 上下游壩肩巖體隆起；

(2) 壩頂形成縱裂縫，上游壩面施工縫張開；

(3) 形成新的滲流通道；

(4) 滲漏量增加。

1 壩基巖體隆起和抬升

英古里拱壩高271 m，壩基為層狀石灰巖和白云巖。水庫初始蓄水時檢測到巖基隆起，蓄水過程中，監測到壩體與壩基相對于地表基準點發生了沉降，這些基準點位于排水廊道和地球物理監測網中(見圖1)。

分析壩基基準沉降曲線可知，在大壩建設過程中，沉降量隨著壩體重量的增加而增加。水庫蓄水后，由于庫水荷載導致沉降進一步發生。伴隨著沉降，壩基巖體的彈性波速增加。然而由于水滲入到巖體裂隙中，揚壓力增加，幾乎所有的監測點都監測到了壩基抬升，甚至位于大壩下游400 m遠處的基準點B也監測到了抬升，同時巖體彈性波速急劇下降。

水庫蓄水過程中，庫水也滲入到壩體施工縫中，導致壩體進一步抬升，壩高發生變化。將壩體中觀測到的沉降量減去壩基沉降量即是壩體垂直位移量，繪制基準點累計垂直位移曲線，與水庫沉降曲線幾乎一致，只不過時間上滯后約1 a。這一滯后時間對應于壩體壩基飽水和抬升所需的時間。

1.壩基廊道基準點A位移；2. 壩下游400 m處基準點B位移；3.壩體重量作用下預期的壩基沉降;4.6號基準點區域預期的壩基沉降;5.水庫蓄水過程曲線;6和7.水庫蓄水造成基準點A和B的垂直位移

同樣的現象在高242 m的薩揚舒申斯克重力拱壩蓄水時也觀測到了，該壩壩基為正、副片巖，大壩建于1972～1989年間。1978年，水頭60 m，以后每年上漲，到1990年蓄水至正常蓄水位(NWL)540 m。監測曲線表明，在大壩施工初期壩基就開始下沉，一直持續到1983年水庫蓄水初期(水位450 m)。1986年以來，上游水位為最低水位，壩基沉降量為29 mm。隨后，隨著庫水位升高，庫水滲入到巖體裂隙中，產生揚壓力，壩基開始抬升。到2000年，壩基共抬升12 mm，同時隨著庫水位季節性上漲，壩基也垂直抬升。

每年同一時間，隨著庫水位上升，河谷兩岸山坡產生水平位移(垂直水流方向)，水平位移曲線為正切曲線。河谷兩岸山坡位移持續增長到1996年(水庫蓄滿水后6 a)，然后趨于穩定。

在安哥拉的卡潘達壩，水庫蓄水時觀測到了類似的壩體抬升現象，這座混凝土重力壩建在水平層狀砂巖夾泥巖上。隨庫水位上升的抬升過程曲線如圖2所示，圖中還表明了埋設在中心壩段壩頂(高程953 m)、廊道中部(高程921 m)和壩基(高程860 m)的基準點觀測到的豎向位移。

不同高程處的壩體垂直位移均隨著庫水位的變化而變化，盡管如上所述有些滯后。此外，水庫蓄滿水后，壩上半部分明顯上升而下半部分則下沉，從而表明壩體產生了拉伸變形。壩頂的第1次顯著抬升發生在2004年4月份，也就是水庫第1次蓄水到正常蓄水位(NWL)1 a后，到2007年中心壩段豎向拉伸值近15 mm。

對薩揚舒申斯克壩水庫蓄水期間的變形特征研究表明，中心壩段(33號壩段，高程308 m)最大抬升出現在上游水位漲幅最大后的第18 d。在高程344 m，這一抬升出現在上游水位漲幅最大后的第26 d，壩頂(高程359 m)則是第33 d。

圖2 安哥拉卡潘達壩蓄水期間中心壩段不同高程垂直位移

隨著上游水位的升高，從低海拔處至壩頂，大壩呈臺階式抬升，這是由于壩體上游側施工縫和水平接觸縫的張開導致壩體連續拉伸造成的。應當指出的是，不僅壩址觀測到了抬升，壩址附近的巖體也發生了隆起。

為了監測卡潘達壩上游斷層活動情況，在斷層兩側埋設了基準點，從2002年10月到2007年4月，進行了8個周期的水準觀測和分析工作，結果表明沿此斷層沒有發生錯動。然而，水庫蓄水后各基準點迅速監測到了隆起，離河流最遠處的監測點隆起最大，而靠近水庫的監測點隆起較小，這是由于受庫盆沉降影響所致。記錄的最大隆起為12.2 mm，距水庫4.5 km。當水庫蓄滿水，庫盆沉降已趨于穩定，河岸隆起已經停止并隨后開始沉降，這時巖體中的地下水位上升，造成了監測點的抬升。這表明，大壩和壩肩穩定性的最危險期是蓄滿水初期(和蓄滿水后第1年)，當庫水滲入到巖體裂隙中使巖體飽和時。壩越高，蓄水水頭越高，水越容易滲入到巖體裂隙中，當滲透水壓力等于巖體裂隙的強度時，裂隙便開始擴張，導致揚壓力越來越大。

2 巖體破壞過程

庫水位的變化導致巖體的應力-應變狀態和滲透性發生變化，壓力周期性的變化加速了滲流通道的連通和強度降低區的形成。隨著水位快速下降，進入巖體裂隙內的水來不及排出，在巖體裂隙中形成過大的裂隙水壓力，導致巖體破壞。圖3顯示的是英古里壩運行期間壩基巖體彈性波速變化情況，在1996年，庫水位快速下降，每天下降2 m多，壩基巖體彈性波速出現了明顯的下降(下降30%到40%)，壩基巖體彈性波速下降顯然取決于庫水下降速率和下降幅度。

圖3 英古里壩基巖體彈性波速變化曲線

壩基滲流的突然變化，導致水頭的急劇波動，擊穿封堵的鉆孔，形成新的滲流通道，滲流量增加。

由于庫水位下降速率高，墨西哥拉阿米斯塔德(La Amistad)壩在1996年發生了嚴重的問題。這座100 m高的大壩于1969年建成，并已成功運行了27 a。然而，墨西哥北部一次長達4 a的嚴重干旱后，庫水位顯著降低，1996年庫水位下降特別快，持續時間特別長。庫盆由水平層狀石灰巖組成，巖溶發育并富含巖溶水。隨著庫水位驟降，溶洞中的水壓力不能同步降低，在淺水中形成大的瘺管。在這些區域，水從石灰巖層中擠出，在水庫中形成噴泉。然后庫水迅速流入溶洞，直到壓力逐漸平衡，在水庫邊緣形成直徑數米的孔洞。這些新形成的集中滲漏通道后被混凝土或巖石封堵。

水滲透到壩基巖體裂隙中，并使壩肩巖體隆起，對巖體應力-應變狀態和巖體性質有顯著的不利影響，在分析確定高壩安全可靠的運行時，應考慮這些影響。

1959年12月2日，法國66.5 m高的瑪爾巴塞(Malpasset)拱壩失事，這是在水庫蓄水或排空過程中壩肩位移導致的典型例子。該壩1954年建成，水庫開始蓄水時，沒有考慮大壩監測到的位移。1959年12月1日，水庫水位上升2 m，水滲入左壩肩被黏土填充的裂隙中，造成左壩肩隆起并產生剪應力，導致左壩肩壩塊位移并發生破壞。在這次事件中400人遇難，只有大壩右側部分殘留下來，而左岸大壩連同壩基全部被水沖走。

3 結 語

高壩水庫下和壩肩巖體的應力-應變狀態在很大程度上受水滲透到裂隙的影響，深庫的形成不僅對地殼產生了附加壓力，同時也改變其影響范圍內的水文地質條件。這些因素改變了巖體性質和條件，往往在設計和分析高壩穩定性時被低估。

高壩建設中，特別重要的是水滲透到巖體裂隙和孔隙內對巖體強度和穩定性的影響。當高壩水庫蓄水時，應該考慮幾個因素：水滲入到巖體裂隙中產生揚壓力而導致壩肩巖體重量的減輕；巖體裂隙張開和巖體卸荷導致抗剪強度降低；巖體裂隙中充填的黏土飽水后強度喪失，對壩肩和壩基巖體強度和穩定性也可能產生不利影響。

上述結論表明，在評估高壩可靠性和安全性時，要綜合考慮水庫與壩基間的相互作用，這種相互作用所產生的影響因素是密切相關的。