紧水滩拱坝水平位移变化规律分析及相应现象解释

紧水滩拱坝水平位移变化规律分析及相应现象解释
陈秀虎;李民
【摘要】阐述了紧水滩拱坝坝顶水平位移的分布及变化规律,根据垂线与交会测点位移坐标特点以及相应拱弧曲线形式,对测点切向位移与横河向位移变化规律不一致的现象进行了分析和解释,指出只有垂线与前方交会测点统一采用大地坐标系统,两者的位移观测成果才能相互印证.
【期刊名称】《广东水利水电》
【年(卷),期】2018(000)009
【总页数】5页(P1-5)
【关键词】紧水滩拱坝;坝顶位移;前方交会法;垂线法
【作者】陈秀虎;李民
【作者单位】紧水滩水力发电厂, 浙江丽水 323000;武汉大学水利水电学院, 湖北武汉 430072
【正文语种】中文
【中图分类】TV642.4+2
1 概述
紧水滩水电枢纽位于浙江省云和县境内瓯江上游龙泉溪上，该枢纽的挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，截断河流后形成的水库总库容为13.92×108 m3，上游来水主要由设在河床中部的6个发电引水坝段通过引水钢管引向水轮机组发电后排向下
游，坝后式发电厂房目前总装机为305 MW。

遭遇大洪水时，对于水库容纳不下
的河水则通过坝体在坝后厂房两侧对称设置的2个中孔和2个浅孔泄放，以确保
大坝的安全。

紧水滩拱坝设有变形监测系统，通过变形监测揭示运行过程中坝体变形的大小、分布状态及发展变化规律，为判断拱坝结构性态正常与否提供依据，其中坝顶设有前方交会测点及垂线测点，可共同反映坝顶的水平位移状况。

紧水滩拱坝变形观测成果表明，由前方交会方法测得的顺河向位移与垂线测得的径向位移变化规律一致，但前方交会测点的横河向位移与垂线的切向位移变化规律相反[1-2]。

此现象曾被
质疑，认为由前方交会方法与垂线系统观测方法来观测拱坝变形，各自得到的实测变形虽量值会有差别，但变化规律应该是一致的，因为确有不少拱坝由上述两法测得的水平位移变化规律是一致的[3]。

本文通过紧水滩拱坝坝顶实测位移分析，结合前方交会测点及垂线测点的空间位置关系，对上述存疑现象给出相应的解释。

2 拱坝水平位移监测布置
紧水滩拱坝在3#、4#、7#、9#、10#、11#、12#、13#和15#坝段顶部设有前
方交会观测点，编号分别为AL3、AL4、AL7、AL9、AL10、AL11、AL12、
AL13和AL15，在接近左坝肩的4#坝段、左1/4拱处的7#坝段、拱冠11#坝段、右1/4拱处的13#坝段和接近右坝肩的17#坝段各设1垂线组，同时观测相应坝
段部位的水平位移。

坝顶前方交会测点每次需分2组观测，观测时间长而受外界因素影响大，计算时
进行联接角平差，因此精度不高。

1997年4月，考虑到在4#、7#、11#、13#
和17#坝段设置有垂线可以观测相应坝顶的水平位移，其观测成果可与交会测点
的观测成果互相印证，所以留用了AL4、AL7、AL9、AL13和AL15等5个前方
交会测点继续观测，其余测点停测。

坝顶前方交会测点以位于坝下游的拱9、B4为工作基点，原采用WildT3经纬仪
按一等三角精度要求观测，每月观测1次；2005年6月开始采用LeicaTCA2003全站仪，观测周期调整为每季度1次。

坝体垂线组原用CG-2A型光学垂坐标仪进行人工日常观测，每月观测2次； 2004年6月实现了垂线自动化观测，数据采
集频率一般为4 h 1次。

以下根据紧水滩坝顶实测水平位移资料分析，阐述其变形分布及变化规律，并对相应现象进行解释。

3 坝顶水平位移沿坝轴线的分布规律
紧水滩大坝为三心双曲混凝土拱坝，其坝顶拱圈由3段圆弧组成，拱坝中心线略
偏离正北方向，其方位角为5.9°(如图1所示)。

前方交会测点X向水平位移以正北向N(上游侧)为正方向，正东向E(左岸向)为Y正方向。

而垂线测点X及Y向则分别为相应拱弧的径向和切向，径向位移以拱弧法线方向为正，切向位移则以面向拱弧圆心指向左侧为正。

通过绘制并分析坝顶实测水平位移沿拱圈分布图，可看出紧水滩混凝土拱坝坝顶水平位移的分布具有以下规律。

图1 紧水滩坝顶前方交会测点及正垂线悬挂点平面布置
1) 拱坝变形主要受温度变化主导，垂线及前方交会测点测得的X向水平位移，皆
表现为在每年3月左右坝体温度处于最低状态时向下游位移达到最大，而在9月
左右坝体温度处于最高状态时则向上游位移达到最大。

2) 坝顶Y向水平位移，每年3月左右，拱冠右侧的前方交会点向左岸方向位移达
到最大，左侧的则向右岸方向位移达到最大；拱冠右侧垂线测点(13#和17#)向右岸方向位移达到最大，左侧测点(4#和7#坝段)则左岸方向位移达到最大。

每年9
月左右，情况与上述相反。

拱冠左、右两侧受温度影响其Y向水平位移方向相反，Y向水平位移存在一个由正转负的结点，约在11#与12#坝段之间，在拱冠附近略偏右处。

3) 低、高温季节坝顶X向水平位移分布与相应年份该方向位移的谷、峰值接近，
表明坝体变形主要受温度影响，同年高、低温季节X方向位移差就反映了该年该
方向位移的年变幅。

X向水平位移变幅分布一般以中部坝段较大、靠近两岸的坝段较小，这与坝高的分布相对应。

Y向水平位移变幅则一般以左、右1/4拱弧处最大，拱冠附近及两坝头最小，这与坝体结构相对拱冠对称以及河谷约束情况相对应。

4) 将位于左岸的4#坝段和位于左1/4拱弧的7#坝段与位于右岸的13#坝段和位
于右1/4拱弧的17#坝段的同期水平位移位移两两对比时，其位移变幅及数值都
存在差异，17#和13#坝段在位移值上比4#和7#坝段明显偏下游，这反映了4#、7#坝段与13#、17#坝段所处位置并非严格对称，以及其他条件也不尽相同。

5) 坝顶各年同期水平位移测值分布线并不重合，他们之间有间距，反映出各年同
期坝体温度场有差异以及受有库水位等其它环境因素的影响。

4 坝顶水平位移随时间变化规律
坝顶水平位移变化过程反映了在运行过程中坝体受各种环境因素影响时相应变形的变化情况，图2～4所示为由前方交会及垂线法观测得到的坝顶水平位移变化过程线图，从图2～4可知紧水滩拱坝坝顶水平位移有以下变化规律。

1) 坝顶水平位移变化具有与坝址气温相同的年周期，说明坝体变形主要受温度变
化影响，温度影响主导了坝体变形的变化过程。

2) 受温度影响，由垂线及前方交会测点测得的坝体X向水平位移变化规律一致，
即随着温度升高坝顶向上游侧水平位移增大，在每年坝体温度处于最高状态的9
月前后达到最大，位移过程线形成峰值；而随着温度降低坝顶向下游侧水平位移增大，在每年坝体温度处于较低状态的3月前后达到最大，位移过程线形成谷值。

3) 同样受温度影响，随着温度升高，拱冠左侧的AL4、AL7、AL9交会测点横河
向位移向左岸增大，4#-194和7#-194垂线测点切向位移则向右岸侧增大；拱冠右侧的AL13、AL15交会测点向右岸位移增大，13#-194和17#-194垂线测点
切向位移则向左岸侧增大；在每年高温的9月前后，上述测点在相应位移方向位
移达到最大。

随着温度降低，拱冠左侧的AL4、AL7、AL9交会测点横河向位移向右岸增大，4#-194和7#-194垂线测点切向位移则向左岸侧增大；拱冠右侧的
AL13、AL15交会测点向左岸位移增大，13#-194和17#-194垂线测点切向位移则向右岸侧增大；在每年坝体温度处于最低状态的3月前后，上述测点在相应位
移方向位移也达到最大。

拱冠左、右两侧测点向水平位移变化过程线表现为“峰”与“谷”相对。

4) 因拱冠附近为拱坝结构的对称部位，其Y向水平位移则很小，观测误差所占比
例相对较大，变化规律不明显，表现为无规则的波动。

图2 坝顶前方交汇测点及其附近垂线测点X向水平位移变化过程线
图3 坝顶拱冠左侧前方交汇测点及其附近垂线测点Y向水平位移变化过程线
图4 坝顶拱冠右侧前方交汇测点及其附近垂线测点Y向水平位移变化过程线
5 变形现象解释
从实测坝顶水平位移变化过程可以看出，紧水滩拱坝变形的变化规律性很好，其中垂线测点的径向位移与前方交会测点的顺河向位移受温度影响的变化趋势一致，符合一般规律：即随着温度升高，坝体混凝土膨胀使拱坝轴线伸长，坝体径向及顺河向位移皆向上游侧增大；温度降低，坝体混凝土收缩又使拱坝轴线缩短，坝体径向及顺河向位移皆向下游侧变化。

但拱冠左、右两侧垂线测点的切向位移与其邻近交会测点的横河向位移受温度影响时其变化趋势刚好相反：即随着温度升高，拱冠左、右侧交会测点横河向位移因坝轴线伸长分别向左、右岸方向增大，其邻近垂线测点切向位移则分别向右、左岸方向变化；温度降低，拱冠左、右侧交会测点横河向位移又因坝轴线缩短分别向右、左岸方向增大，其邻近垂线测点切向位移则分别向左、右岸变化。

从以上现象看到，紧水滩拱坝由前方交会方法测得的坝顶顺、横河向水平位移以及由垂线法测得的坝顶径向位移变化都可用坝体热胀冷缩规律进行物理解释，但由垂线法测得的切向位移变化则不能直接照此解释。

为此考察具有类似监测条件的混凝土拱坝发现，确有不少拱坝其拱冠左、右侧的垂线测点切向位移与相应交会点横河向位移变化规律一致，如湖南东江拱坝[3]拱冠右侧1#垂线和拱冠左侧9#垂线的
切向位移与其相应交会测点的横河向水平位移变化规律就一致，即温度降低，拱冠右侧1#垂线测点切向位移与相应交会测点横河向位移同向左岸侧增大以及拱冠左
侧9#垂线测点切向位移与相应交会测点横河向位移皆向右岸侧增大；温度升高，
拱冠右侧1#垂线测点切向位移与相应交会测点横河向位移则向右岸侧变化以及拱
冠左侧9#垂线测点切向位移与相应交会测点横河向位移指向左岸侧变化。

同样也
有不少拱坝其拱冠左、右侧的垂线测点切向位移与相应交会点横河向位移的变化规律就像紧水滩拱坝一样是相反的，仍然是东江拱坝[3]，其拱冠左侧的7#垂线和右侧的3#垂线切向位移与相应位置交会测点横河向水平位移的变化规律就与紧水滩
情况类似。

以下根据紧水滩拱坝情况对此现象进行分析，并给出相应解释。

上述现象与拱坝垂线测点位移所采用的坐标系统以及拱圈的曲线形式有关。

若垂线测点位移坐标采用前方交会测点位移一致的坐标系，则垂线与相应部位的交会测点所测得的两个方向的位移变化规律肯定是一致的，这时则要求垂线位移观测墩平行左右岸方向或上下游方向布置。

当拱坝垂线测点位移以相应拱弧径向及切向为坐标系，所测得的是径向和切向位移，他与前方交会法测得的顺河向及横河向水平位移一般是有区别的。

如图5所示，
紧水滩拱坝左半拱原在ABC位置，膨胀伸长后变到AB′C′位置，测点由B移到B′。

图5所示XY为前方交会用的大地坐标系，X′Y′为垂线所用沿径切向的坐标。

图5
中当坝温升高拱轴线因膨胀伸长时，B′点相对于两个坐标系的X和X′都是数值增大，即向上游变形，即垂线径向位移与前方交会的X向位移变化趋势一致；而B′
相对于B在前方交会的XY坐标系中是向左岸变形(Y值增大)，但在垂线坐标系X′Y′中是向右侧变形(Y′值减小)，这就是两种观测方法所测得位移表面看起来变化规律不一致的原因。

若拱弧的曲线形式以及测点在拱弧上的位置不同，也可能出现实测切向位移的变化规律与相应交会测点Y向位移相同的情况。

实际上可以把由垂线测得的位移通过坐标转换换算为大地坐标系统XY下的位移，由图1所示，坝顶垂线测点i平面布置确定其与相应拱弧圆心连线(径向)的方位角βi，即与X向坐标轴的夹角，再根据几何关系可算出其与Y向坐标轴的交角αi，若由垂线测点i测得的径、切向位移分别是xi和yi，则可分别由(1)和(2)式将其转化为大地坐标系下的X及Y向水平位移，分别为和：
αi-yicos αi
(1)
αi+yisin αi
(2)
图5 坝体水平位移变化示意
紧水滩拱坝坝顶拱弧由3段圆弧组成(见图1),由图1所示坝顶垂线4#-194、7#-194、13#-194、17#-194测点和相应圆心连线与X轴的交角，可得到其与Y向坐标轴交角αi分别为52.318 07°、61.909 79°、98.577 61°和115.744 68°，由式(1)、(2)即可将垂线的径、切向位移转化为大地坐标下的X及Y向水平位移。

图6～7为由垂线4#-194、7#-194、13#-194和17#-194实测位移转换成大地坐标系下的Y向水平位移后的变化过程线，由图可见，经坐标转换后，其Y向水平位移变化规律与相应部位附近的前方交会测点Y向水平位移变化规律一致。

至此可知，紧水滩垂线实测切向水平位移变化规律没有问题，真实反映了坝体切向位移受环境因素以影响变化的情况。

图6 在统一大地坐标系下拱冠左侧坝顶前方交会及垂线测点Y向水平位移变化过
程
图7 在统一大地坐标系下拱冠右侧坝顶前方交会及垂线测点Y向水平位移变化过
程
6 结语
变形是反映混凝土拱坝结构性态的主要效应量，因此是重点监测对象，一般都会在拱冠以及1/4拱弧部位布置垂线系统，并在坝顶以及坝后工作桥处布置表面变形
监测点，监测坝体的变形状况。

但在许多工程中，坝体表面变形测点一般反映顺河向及横河向的水平位移[4-6]，而垂线测点一般反映相应拱弧部位的径、切向水平
位移[7]，两者所采用坐标系统往往不一致，因此在描述实测位移变化过程时，垂
线测点的切向水平位移变化就有可能出现像紧水滩拱坝那样与相应交会测点横河向水平位移不一致的情况，两者不便相互印证，但他确是坝体切向位移变化规律的真实反映。

若要两者位移观测成果便于互相印证，则垂线测点位移应采用与交会法相同的坐标系统，观测其顺河向及横河向水平位移，这还便于对此进行相应的物理解释。

【相关文献】
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