震后碧口大壩安全監(jiān)測資料分析

陳 容，劉 林

（甘肅大唐碧口水力發(fā)電廠，甘肅 碧口 746412）

1 工程概況

碧口水電站位于甘肅省文縣碧口鎮(zhèn)上游3 km的白龍江干流上，控制流域面積26 000 m2，占全流域面積的80%。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、漁業(yè)等效益，裝機容量3×100 MW，總庫容5.21億m3。樞紐工程由土石壩、溢洪道、右岸泄洪洞、左岸泄洪洞、排沙洞、引水洞、調(diào)壓井、鋼管道、廠房和開關(guān)站等組成。壤土心墻土石混合壩最大壩高101.8 m，壩頂有一高5.3 m的混凝土防浪墻，壩頂全長297.36 m，壩基巖石為千枚巖和凝灰?guī)r，河床覆蓋層由兩道混凝土防滲墻截滲。該工程為大（2）型，主要建筑物級別為2級。

碧口大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)包括：大壩與水工建筑物的外部變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、內(nèi)部監(jiān)測。其中，外部變形監(jiān)測主要針對壩體、泄水建筑物以及高邊坡等部位，布設(shè)了水平位移及垂直位移監(jiān)測點；滲流監(jiān)測主要包括大壩浸潤線、左右岸山坡的繞壩滲流和揚壓力監(jiān)測等項目；內(nèi)部監(jiān)測現(xiàn)有排沙洞出口應(yīng)力、應(yīng)變，溢洪道閘墩的應(yīng)力、應(yīng)變。大壩變形及壩體浸潤線測點布置見圖1。

“5·12”汶川特大地震使壩體發(fā)生了較大變形，變形主要發(fā)生在大壩心墻頂、防浪墻頂、壩上0+010、壩下0+007.8等部位，下部變化量較小。本文主要對震后兩年半以來碧口大壩壩體變形及滲流監(jiān)測資料進行初步分析。

2 “5·12”地震對大壩的主要影響

2008年5月12日，汶川發(fā)生8.0級大地震，震中位置N31.0°，E103.4°，烈度為11度[1]。震中距壩址293 km，根據(jù)中國地震局公布的烈度調(diào)查結(jié)果，地震對碧口電站壩址的影響達9度，對大壩變形影響較大。

大壩表部變形以沉降為主，地震前后最大沉降差發(fā)生在河床偏左岸壩頂處，下沉值為24.2 cm。下游壩坡自上而下各測點沉降逐漸減小，壩軸線方向河床中部沉降大于兩岸。防滲心墻沉降較大壩表部小，最大沉降量為16.4 cm，發(fā)生在心墻頂部偏河床左岸，與壩頂最大沉降部位相應(yīng)。

壩頂部位水平位移方向均向上游，最大位移發(fā)生在壩頂偏河床左岸，最大位移增量為15.7 cm；下游壩坡各測點位移方向均向下游，最大變形發(fā)生在下游691 m高程（2/3壩高處），最大位移增量為12.1 cm；下游670 m高程（1/2壩高處）最大位移增量為7.1 cm；下游650 m高程（1/3壩高處）最大位移增量為4.2 cm。

地震后壩體和壩基滲透壓力、測壓管水頭基本沒有變化。

3 監(jiān)測資料分析

3.1 數(shù)據(jù)采集及整理

圖1 大壩測點布置圖Fig.1 Distribution of the monitoring points

地震后，4條引張線遭到不同程度的破壞，無法監(jiān)測數(shù)據(jù)，故震后大壩變形、混凝土建筑物變形、右岸繞壩滲流（4個測點）、左岸上繞壩滲流、左岸下繞壩滲流（8個測點）及內(nèi)部儀器均采用人工觀測，壩體浸潤線及近壩區(qū)左右岸繞壩滲流采用自動化實時采集數(shù)據(jù)。4條引張線自動化系統(tǒng)于2009年8月恢復(fù)，試運行期間，大壩水平位移量采用人工觀測成果。

3.2 大壩沉降

碧口大壩沉陷共布置7個縱斷面，分別為壩前10 m（0-010.0）、防浪墻（0-003.8）、心墻（0+000.0）、下游7.8 m（0+007.8）、691馬道（0+041.8）、670馬道（0+093.0）及650馬道（0+142.7）?！?·12”地震當(dāng)天，數(shù)據(jù)產(chǎn)生突變，大壩各個部位發(fā)生了明顯的下沉，如圖2、圖3所示。以地震之前最后一次正常測值為基準(zhǔn)值，與地震后第一次監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較，心墻最大沉降差在測點DS-4，為164.4 mm；防浪墻最大沉降差在測點F15-1,為62.9 mm；壩前10 m最大沉降差發(fā)生在測點D11-1，為242.18 mm；下游7.8 m最大沉降差發(fā)生在測點D10-2,為240.6 mm；691馬道最大沉降差發(fā)生在測點D10-3，為39.94 mm；670馬道最大沉降差發(fā)生在測點D11-4，為47.89 mm；650馬道最大沉降差發(fā)生在測點D11-5，為45.76 mm。

以“5·12”地震后第一次監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，至2008年12月底為止，心墻最大沉降差為35.4 mm,測點為DS-4；防浪墻最大沉降差為38.1 mm，測點為F10-1；壩前10 m最大沉降差為34.95 mm，測點為D11-1；下游7.8 m最大沉降差為33.34 mm，測點為D10-2；691馬道最大沉降差為7.17 mm，測點為D10-3；670馬道最大沉降差為7.67 mm，測點為D11-4；650馬道最大沉降差為7.14 mm，測點為D10-5。2008年下半年各測點沉降變形較大，說明2008年下半年大壩處于穩(wěn)定過渡期。

圖2 壩頂各縱斷面最大豎向位移測點過程線Fig.2 Graphs of maximum vertical displacements of monitor-ing points on vertical sections of dam crest

圖3 壩下游各縱斷面最大豎向位移測點過程線Fig.3 Graphs of maximum vertical displacements of monitor-ing points on downstream sections

2009年度和2010年度，大壩豎向位移總體變化相對較小，各縱斷面最大豎向位移及其測點如表1所示。碧口大壩豎向位移各測點的累計沉降量隨時效均呈逐漸增大變化，但震后增加量呈逐漸減小趨勢，符合正常沉降變化規(guī)律。

總體來講，壩頂和下游各縱斷面的實測豎向位移在靠近河床中部的測點處沉降最大，向兩岸則相對較小，且除下游壩肩縱斷面外，其余各縱斷面在右岸的豎向位移要大于左岸，究其原因是河床部位壩體較高，相應(yīng)的沉陷變形要大，這符合土石壩變形的一般規(guī)律[2]。壩前10 m、防浪墻、壩頂（心墻）及下游7.8 m測點的豎向位移受庫水位變化的影響相對比較敏感，而下游面691馬道及其以下各測點的豎向位移受水壓影響很??；從建模分析還可知，豎向位移主要受時效變化的影響。碧口大壩運行30余年，壩體累計最大沉降量為732.58 mm（注：此處未采用2008年震后校測過的新基點高程），與壩高之比為0.72%，小于設(shè)計預(yù)留沉降量1%。碧口大壩豎向位移呈收斂趨勢，趨于穩(wěn)定，處于正常運行狀態(tài)。

表1 大壩各縱斷面最大豎向位移（單位：mm）Table 1:Maximum vertical displacements on vertical dam sections

3.2 大壩水平位移

如圖4所示，“5·12”地震瞬間大壩產(chǎn)生了明顯的水平位移，其中壩前10 m、壩頂和壩下游7.8 m均向上游位移，下游691馬道及以下向下游位移。以地震之前最后一次正常測值為基準(zhǔn)值，與地震后第一次監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較，地震前后壩前10 m最大水平位移量發(fā)生在測點D11-1，為-156.8 mm（向上游）；壩下游7.8 m最大水平位移量發(fā)生在D11-2，為-106.9 mm（向上游）；691馬道最大水平位移量發(fā)生在測點D10-3，為121.21 mm（向下游）；670馬道最大水平位移量發(fā)生在測點D13-4，為70.86 mm（向下游）；650馬道最大水平位移量發(fā)生在測點D10-5,為41.55 mm（向下游）。

圖4 大壩各縱斷面最大水平位移測點過程線Fig.4 Graphs of maximum horizontal displacements of moni-toring points on vertical dam sections

以“5·12”地震后第一次監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，至2008年12月最后一次監(jiān)測數(shù)據(jù)為止，壩前10 m最大變幅12.39 mm，測點為D15-1；壩下游7.8 m最大變幅15.81 mm，測點為D10-2；691馬道最大變幅14.01 mm，測點為D10-3；670馬道最大變幅5.1 mm，測點為D8-4；650馬道最大變幅4.96 mm，測點為D10-5。

如表2所示，2009～2010年，大壩各縱斷面最大水平位移量總體變化相對較小。壩前10 m、下游7.8 m各測點水平位移絕大多數(shù)為負值，從表2中還可看出大壩壩頂開始產(chǎn)生向下游位移的趨勢；691馬道及以下的測點水平位移測值大于0，說明691馬道及以下縱斷面主要發(fā)生向下游方向的變形。5個監(jiān)測斷面隨著測點所在位置的不同，壩體水平位移的變化也不同，同一縱斷面上的不同測點，水平位移變化規(guī)律相似[2]。對壩體水平位移30個測點監(jiān)測數(shù)據(jù)進行建模分析，壩前10 m、下游7.8 m主要受時效變化的影響，受水壓變化的影響也較大，下游壩坡測點受水壓影響很小。從圖4看出，水平位移變化比較均勻，壩體上、下游壩坡未見異常，壩坡整體穩(wěn)定，位移變化速率逐漸減小，趨于穩(wěn)定。

表2 大壩各縱斷面最大水平位移量（單位：mm）Table 2:Maximum horizontal displacements of vertical dam sections

3.3 滲流監(jiān)測

地震后，碧口大壩浸潤線及繞壩滲流監(jiān)測成果沒有發(fā)生明顯突變，測值正常，均低于設(shè)計值。

3.3.1 壩體浸潤線

地震時，位于心墻中的J2測壓管5月13日水位上升了1.29 m。其余位于堆石體、心墻中的測壓管水位變化不大，J2測壓管5月19日后水位趨于穩(wěn)定。如圖5所示，同一時間670馬道高程的測壓管F3管水位高于691馬道測壓管4～6 m左右，經(jīng)對比分析2005年新增孔Y2-1、Y3-1、Y7-1、Y8-1和靠近壩體的繞滲測孔Z135測管水位發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于670馬道附近的右岸繞滲作用較強，對壩體滲流影響相對較大，使相應(yīng)部位的壩體浸潤線升高。其它部位壩體則是偏左岸的測壓管水位略高于右岸，主要是碧口大壩左岸的繞壩滲流總體要比右岸顯著所致[3]?？傮w來講，壩體各測壓管水位均低于設(shè)計值。壩下游各測壓管的水位測值一般呈滯后于庫水位的升降變化，且部分測壓管水位變化有不太明顯的年周期性。從壩頂往下游方向隨著高程的降低，測壓管水位受庫水位變化的影響明顯減弱，滯后效應(yīng)卻逐漸加強，一般受降雨量影響較大。

圖5 壩體浸潤線過程線Fig.5 Graphs of the saturation lines

3.3.2 繞壩滲流

繞壩滲流測孔所在位置不同，所以各測管水位的變化規(guī)律也不盡相同，靠壩頭上游側(cè)的Z110、Z97兩個測孔的水位變化規(guī)律相近，其測壓管水位主要受庫水位變化的影響，與庫水位同步形成年周期性變化?？拷鼔晤^及下游的測孔，測壓管水位整體上呈不明顯的周期性變化。Z100水位變化大致與庫水位同步呈周期性變化。位于山坡脊梁處的測孔，各測孔水位變化規(guī)律性不強，測孔Z109、Z154、Z153和Z81等的測壓管水位高于庫水位，水位變化呈不明顯周期性變化，這是由于受降雨量變化的影響，同時也受后山梁地下水滲流的影響。右岸的Z95、Z135、Z137和Z133，它們的位置比其它右岸繞壩滲流測孔相對靠上游，各測管水位相對較高，主要受上游水位和降雨的影響；通過分析，各測管水位受上游水位變化的影響，同時降雨對各測管水位也有一定作用。

3.3.3 揚壓力

如圖6所示，右岸灌漿廊道內(nèi)測孔FW-1測管水位變化與庫水位變化呈同步周期性變化，說明該測孔揚壓水位受庫水位的影響較大；而FW－2在帷幕后，揚壓水位測值變化小，與庫水位的相關(guān)性不顯著。

圖6 大壩廊道揚壓力過程線（單位：m）Fig.6 Graphs of uplift pressure at dam gallery

4 結(jié) 語

“5·12”地震使碧口大壩發(fā)生了明顯變形，但壩坡穩(wěn)定，壩體與壩基滲流正常。通過震后兩年半的監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)無異常，大壩水平位移變化均勻且有一定周期性，變化趨于穩(wěn)定；壩體最大沉降量小于設(shè)計預(yù)留沉降量，大壩豎向位移增加量逐漸減小，呈收斂趨勢；大壩浸潤線及左右岸繞壩滲流均無超過歷史最大值，在設(shè)計范圍內(nèi)，說明大壩防滲效果良好。綜上所述，碧口大壩處于正常運行狀態(tài)。

[1]碧口水電站壩址工程場地安全性評價報告[R].蘭州地震工程研究院.2008.

[2]金燦鎬.水工觀測[M].遼寧：工人出版社.1987.

[3]大唐碧口水力發(fā)電廠第三次安全定檢報告[R].西安理工大學(xué)水電學(xué)院，碧口水力發(fā)電廠.2007.