小灣特高拱壩蓄水初期垂線監(jiān)測成果分析評價

韓世棟，趙 斌，廖占勇，夏家鴻

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003）

1 工程概況

小灣水電站位于云南省西部南澗縣與鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段，是瀾滄江中下游河段規(guī)劃8個梯級中的第二級。該工程由混凝土雙曲拱壩（最大壩高294.5 m）、壩后水墊塘及二道壩、左岸泄洪洞及右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成。水庫庫容為149.14×108m3，電站裝機(jī)容量4 200 MW（6×700 MW）。

小灣水電站于2008年12月16日開始首蓄期第一階段蓄水，蓄水前水位為996.28 m，至18日8時水位為1 024.19 m，至2009年5月底壩前水位一直在1 028 m左右，6月份水位緩慢上升約10 m，到達(dá)1 039 m高程。

2009年6月29日開始首蓄期第二階段蓄水，蓄水前水位為1 039.07 m，至7月21日12時，水位為1 124.47 m，水位上升了85.4 m。2009年8月9日開始，水位繼續(xù)上升，從1 125.94 m上升到了1 160.17 m（2009年8月21日），上升了34.23 m。當(dāng)前水位基本穩(wěn)定在1 165 m左右，根據(jù)蓄水計劃，預(yù)計該水位將保持約1年。

垂線系統(tǒng)作為大壩變形監(jiān)測的主要手段，一直是大壩安全監(jiān)測資料分析、評價的關(guān)鍵項(xiàng)目，也是數(shù)學(xué)物理模型正反分析的基礎(chǔ)，尤其對于拱壩而言，垂線監(jiān)測資料的分析是整個監(jiān)測資料分析工作的重點(diǎn)。本文主要依據(jù)小灣特高拱壩垂線系統(tǒng)的監(jiān)測資料，對蓄水初期壩體和壩基的水平位移進(jìn)行了分析評價。

2 垂線系統(tǒng)

小灣拱壩共分43個壩段，分別在4號、9號、15號、19號、22號、25號、29號、35號和41號壩段布置了正倒垂線，其中22號壩段布置1組（3條）倒垂線，用以相互校核和比較不同深度的基巖變形的測值大??；4號、9號、35號和41號壩段的倒垂線深入兩岸壩肩，監(jiān)測兩岸壩肩的變形情況。垂線監(jiān)測布置圖見圖1。垂線于2008年12月14日左右開始起測，方向規(guī)定以向下游和向左岸位移為正。

小灣拱壩采用的是智能電容式雙向垂線坐標(biāo)儀，儀器采用差動電容感應(yīng)原理非接觸的比率測量方式。在垂線上固定了一個中間極板，測點(diǎn)上儀器內(nèi)分別有一組上下游向的極板和左右岸向的極板，每組極板與中間極組成差動電容感應(yīng)部件，當(dāng)線體與測點(diǎn)之間發(fā)生相對變位時，則兩組極板與中間板間的電容比值會相應(yīng)變化，分別測量兩組電容比變化即可測出測點(diǎn)相對于垂線體的水平位移變化量。

3 壩基位移分析

圖1 大壩垂線監(jiān)測布置圖Fig.1 Layout of the plumb lines

垂線的觀測精度較高，能準(zhǔn)確反映壩體壩基變形情況。蓄水期間，壩基位移主要向下游和向兩岸位移，分析可知[1]：

（1）首蓄期第一階段蓄水到1 028 m，受水壓力影響，壩基徑向位移向下游變形，至2008年12月20日，徑向位移變幅在0.3 mm以內(nèi)。切向位移變化較小，最大變幅為0.15 mm。在第一、二階段蓄水期間，隨著水位趨于平穩(wěn)、混凝土蓋重增加以及溫度影響，位移也趨于平穩(wěn)或略向上游變形。

（2）典型壩段壩基蓄水前后徑向位移成果對比見表1，第二階段蓄水前后壩基面位移變化量見圖2。

從壩基面位移變化量分布圖看出，第二階段蓄水至1 160 m水位，與蓄水前相比，徑向位移分布呈雙峰型，在15號和29號壩段處位移較大，一方面可能跟兩個壩段處地質(zhì)條件有關(guān)，另一方面可能跟坐標(biāo)儀所處高程有關(guān)，分別位于1 027 m和1 024 m，距建基面高程約20.2 m和25.1 m（其它壩段為8～13 m），該處倒垂線的位移包含了比其它壩段多的壩體位移。其中向下游最大位移了5.71 mm（29號壩段），15號壩段徑向位移變化量為4.38 mm。

圖2 蓄水前后壩基面位移變化量分布圖Fig.2 Displacement of dam foundation before and after impoundment

切向位移主要向兩岸位移，向左岸最大位移量為3.01 mm（35號壩段），向右岸最大位移量為1.45 mm（15號壩段）。

表1 典型壩段壩基徑向位移監(jiān)測成果統(tǒng)計表（單位：mm）Table 1 :Monitoring result of radial displacement of the foundation on typical dam block

4 壩體位移分析

蓄水初期，壩體位移有以下變化規(guī)律：

（1）首蓄期第一階段蓄水時，受水壓力影響，壩體徑向位移向下游變形，至12月20日，徑向位移變幅在0.7 mm以內(nèi)。典型測點(diǎn)過程線圖見圖3。

在第一、二階段蓄水期間，水位基本維持不變，受壩體自重增加和氣溫升高等因素影響，壩體逐漸向上游變形，至2009年6月29日，向上游位移最大為11.2 mm（25號壩段1 100 m高程）。

圖3 A22-PL-03測點(diǎn)過程線圖（22號壩段1 100 m高程）Fig.3 Graph of monitoring data by A22-PL-03(1 100 m elevation on dam block 22)

切向位移變化較小，第一階段蓄水后，位移最大變幅為0.15 mm；第一階段蓄水后至2009年6月29日，壩體切向位移向河床位移，最大切向位移為1.49 mm（22號壩段1 100 m高程）。

（2）隨著第二階段蓄水位上升，大壩徑向位移迅速向下游位移，至2009年7月21日（1 124.5 m水位），拱冠梁壩段徑向位移增幅明顯，向下游位移了14.99 mm（1 100 m高程）。15號壩段和29號壩段分別向下游位移5.54 mm和6.35 mm（1 100 m高程）。

與同類型高拱壩位移相比較，小灣拱壩在庫水位自1 030 m增至1 124.5 m高程（總水頭達(dá)174 m）的情況下，壩體最大徑向位移增加了約15 mm。以青海拉西瓦拱壩為例，最大壩高248 m，底厚50 m，2009年3月底蓄水時離壩頂還有70 m未澆。該壩庫水位曾在6 d內(nèi)上升了109.5 m，期間實(shí)測基礎(chǔ)最大徑向位移為3.36 mm，切向?yàn)?.03 mm，壩體最大徑向位移為14.32 mm，與小灣基本上處于同一數(shù)量級。

蓄水至1 160 m水位時，整個第二階段蓄水期間，向下游位移變化量最大為31.01 mm，出現(xiàn)在22號壩段1 174 m高程。

（3）圖4為1 100 m高程各壩段典型時段徑向位移分布圖。從圖4來看，蓄水后河床壩段向下游位移較大，岸坡壩段向下游位移較小，這與一般拱壩蓄水期間變化規(guī)律一致。蓄水前，壩體向上游變形，蓄水至1 160 m水位后，壩體變形迅速轉(zhuǎn)向下游，目前1 100 m高程壩體變形均指向下游。

圖4 1 100 m高程各壩段徑向位移分布圖Fig.4 Radial displacements of dam blocks on the 1 100 m elevation

（4）圖5為典型壩段蓄水前后撓曲線變化圖。從高程上看，壩體位移自下而上逐漸增大，蓄水以后，同一壩段高程越高，一般位移變幅越大。1/4拱處兩個壩段位移變幅較一致，拱冠梁壩段位移變幅最大。

（5）隨著蓄水位上升，切向向兩岸位移，蓄水至1 160 m水位時，22號壩段處切向位移變化量為-0.74 mm（1 100 m高程），15號和29號壩段切向位移變化量分別為-3.12 mm和2.69 mm（1 100 m高程）。切向位移最大變化了4.23 mm，出現(xiàn)在35號壩段1 150 m高程。

（6）22號壩段1 010 m高程和1 100 m高程橫向廊道布置了靜力水準(zhǔn)進(jìn)行傾斜觀測。第一階段蓄水后，壩體向下游傾斜，隨后壩體向上游轉(zhuǎn)動，至2009年6月29日，壩體轉(zhuǎn)動了約50弧秒；隨著第二階段蓄水位上升，壩體開始向下游轉(zhuǎn)動，至8月31日，轉(zhuǎn)角約118弧秒。1 100 m高程壩體也向下游轉(zhuǎn)動，第二階段蓄水期間轉(zhuǎn)角約117弧秒。由此可以看出，壩體傾斜變化和垂線測值規(guī)律性一致。

（7）對1 100 m高程A22-PL-03測點(diǎn)建立了統(tǒng)計模型[2]，選取庫水位和壩體不同高程的拱圈平均溫度作為影響因子。從模型結(jié)果來看，庫水位變化對徑向位移有較大的影響，水位變量變幅約占總變幅的70%。

圖5 典型壩段蓄水前后撓曲線變化圖Fig.5 Deflection curves of typical dam blocks before and after impoundment

5 結(jié) 語

通過以上小灣垂線監(jiān)測資料的分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）蓄水前，壩體位移主要受自重和溫度影響。隨著水位上升，壩體一般向下游和兩岸位移，本階段蓄水期間壩體位移變幅最大約31 mm，變形規(guī)律正常。

（2）總體來看，小灣垂線監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，精度較高，為準(zhǔn)確了解小灣特高拱壩蓄水期變形規(guī)律提供了依據(jù)，對其它高拱壩變形監(jiān)測也有重要的參考價值。

[1]國網(wǎng)電力科學(xué)研究院.云南小灣水電站蓄水初期拱壩及壩基壩肩安全監(jiān)測分析評價報告(第三階段)[R].2009.

[2]吳中如,沈長松,阮煥祥.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M].南京:河海大學(xué)出版社,1990.

[3]李瓚,陳飛,鄭建波,等.特高拱壩樞紐分析與重點(diǎn)問題研究[M].北京:中國電力出版社,2004.

[4]趙志勇,鄒青,胡靈芝.小灣拱壩安全監(jiān)測設(shè)計與研究[C].水電2006國際研討會:516～522.