某水庫大壩觀測資料及其運行性狀分析

劉東升

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊830000)

水庫位于新疆阿勒泰地區(qū)福海縣境內(nèi)，其大壩位于額爾斯河峽谷出口處，為黏土心墻砂礫石壩。大壩全長為1 900 m，70.6 m為最大壩高，2.82 億m3為水庫總庫容，645.0 m為正常蓄水位。

大壩主一座、副壩兩座，主壩與副壩最大壩高相差較大，主壩兩側(cè)壩肩與兩邊副壩之間的連接部分，主要是主、副壩高差較大，特別是主壩左壩肩的坡度較陡，該部位心墻黏土料隨壓強的增大而體積縮小的變化較大，將導致發(fā)生不均勻沉降，遇水會受熱，從而其中的粒子運動速度就會加快，占據(jù)了額外的空間，同時黏土料在無外力作用下，放置在空氣中，因水分蒸發(fā)所引起的尺寸變化較大;副壩中右壩壩基巖石風化嚴重，且有斷層通過心墻;此處裂隙發(fā)育，壩基的透水性大。

因此，為了大壩安全穩(wěn)定，在壩體內(nèi)部及外觀測量中放置對大壩施工期和蓄水運行期的性狀進行全過程監(jiān)測相對完好的一系列觀測系統(tǒng)，使各建筑物處于良好的工作狀態(tài)，延長工程使用年限，確保水庫工程安全，發(fā)揮好工程效益。

大壩于1999 年建成，于次年5 月順利通過下閘蓄水階段驗收，水庫水位在第二年7 月達到汛限水位和正常蓄水位645.0 m，截至2015 年水庫已正常運行了13 a，發(fā)揮了重要的社會、生態(tài)和經(jīng)濟作用。

1 介紹水庫大壩變形、滲流和位移等儀器埋設(shè)放置

為了全面掌握水庫工作狀態(tài)，監(jiān)視工程安全;服務(wù)工程運行，提高工程效益;檢驗設(shè)計與施工，促進壩工科技發(fā)展，通過水利設(shè)計院提供方案，對下列監(jiān)測儀器作如下安排:

1)大壩外部變形觀測。在主壩上游壩坡、下游壩肩、壩坡和馬道，布設(shè)4 排平行壩軸線的觀測點，測點間距為5 ～50m，合計40 個測點，均同時作為豎向和水平位移的觀測點。右副壩的上游壩坡、下游壩肩和壩坡布設(shè)3 排平行壩軸線的觀測點，測點間距為50m，合計23 個測點，只作為豎向位移的觀測點。主要目的是觀測大壩在施工和運用期間是否穩(wěn)定和安全。

2)大壩各部位與岸坡接觸表面對水工建筑物及其地基內(nèi)由滲流形成的浸潤線、滲透壓力、滲流量和滲水水質(zhì)等的觀測叫滲流觀測。為了更好的觀測壩基帷幕灌漿和心墻固結(jié)灌漿防滲效果，大壩安裝了146 支鋼弦式孔隙水壓力計:水庫大壩主壩4 個部位截面、左副壩2 個部位截面，右副壩3 個部位截面，共劃分為9 個區(qū)域。壩體和主壩心墻與岸坡接觸面對水工建筑物及其地基內(nèi)由滲流形成的浸潤線、滲透壓力、滲流量和滲水水質(zhì)等的觀測共劃分為5 個區(qū)域，左副壩1 個部位截面、右副壩1 個部位截面、主壩1 個部位截面為最大斷面、左壩肩1 個部位截面、右壩肩1 個部位截面。

3)黏土心墻形變:沉降測斜觀測，布置此儀器的目的是為了觀測防滲黏土心墻在施工過程中和蓄水運行工作期間所發(fā)生的變形:沿壩垂直軸線和平行軸線兩個方向的位移。防滲心墻中心線周圍6 個區(qū)域分別布置6 根沉降測斜管，主壩及其左右壩肩4個部位截面，右副壩2 個部位截面。

4)防滲心墻與岸坡混凝土墊層間的水平和剪切位移變化。在主壩左壩壩肩和右副壩斷層部位共埋設(shè)22 支TS 型電測位移計:左壩壩肩上下游埋設(shè)布置了18 支，右副壩斷層處埋設(shè)布置了4 支。

主壩壩體儀器布置縱剖面圖(見圖1);大壩外部變形測點示意圖(見圖2);典型橫斷面(0+870)觀測儀器布置(見圖3)。

圖1 主壩儀器布置縱剖面圖

圖2 大壩外部變形測點示意圖

圖3 樁號(0+870)觀測儀器埋設(shè)布置

2 大壩觀測資料分析的意義和目的

大壩安全監(jiān)測的目的是為了在確保工程安全的前提下，更好地發(fā)揮工程效益。

2.1 大壩安全監(jiān)測分析

1)水庫大壩表面的變形觀測點在水庫蓄水后才進行安裝的，第一次觀測時間為2000 年6 月。自大壩蓄水截止到2012 年壩體表面豎向位移累計沉降量最大為481 mm(發(fā)生在上游坡測點0+960 斷面處)，是壩高的0.71%，在同類土石壩中沉降量屬于中等。蓄水后的2 年的沉降量約占累計沉降量的60%，此后逐年減少，表明壩體沉降逐步趨于穩(wěn)定。

2)對主壩兩壩肩的沉降進行觀測，在左右兩壩肩的壩頂下游處每相隔5 m的位置就埋設(shè)一個表面變形測點儀器，從2000 年蓄水至今:左右兩壩肩的沉降變化基本一致，變化不明顯，左壩肩兩側(cè)點間最大沉降差為31mm，計算左壩肩測點間最大傾度為0.62%，壩料的臨界傾度γC=0.60%～1.40%［1］，超過壩料極限傾度下限，應(yīng)加強對主壩左壩肩部位的監(jiān)測。傾度計算公式為:

式中:ΔS 為兩測點間表面沉降差值;ΔL 為兩測點間水平距離，表面沉降點2－26 和2－27 兩測點間表面沉降差最大為31 mm，水平距離5 m。

3)壩面沉降表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性:壩軸線上游側(cè)的沉降值明顯遠遠大于下游側(cè)，水庫主壩最大壩高處的沉降值也明顯高于其他壩段。沉降量與覆蓋層厚度有相關(guān)性，覆蓋層越厚，沉降量也越大。最大沉降量發(fā)生在迎水坡0+960 斷面(最大斷面)，向兩岸逐漸變小。壩頂下游測點的沉降為主壩兩壩肩處沉降量最大，其中壩頂和下游坡測點的左壩肩沉降量大于右壩肩的，壩中間沉降量反而較小，呈馬鞍型。分析為左、右壩肩為壩體接坡處，且受兩壩肩滲水影響，故兩壩肩沉降速度較快，沉降量較大，中間部位沉降固結(jié)時間較長，填筑壓實較好，沉降量相對較小。

4)大壩壩軸線附近的6 個沉降測斜管觀測的結(jié)果得出其變形規(guī)律，從施工到運行期大壩防滲心墻各部位斷面最大沉降值。

表1 大壩防滲心墻各斷面最大沉降值

由表1 可知，大壩最大斷面0+960，其對應(yīng)值為731 mm，是大壩壩高的1.05%，說明大壩防滲心墻沉降量變化最大是在施工期;水庫下閘蓄水后，大壩心墻最大沉降量為997 mm，是壩高的1.43%，位于大壩610.0m 高程是最大沉降量位置，約在心墻的1/3 高度處。最大沉降4 個斷面防滲心墻的過程線見圖4。在0+960 斷面，水庫下閘蓄水初期產(chǎn)生了266 mm的沉降量，在防滲心墻施工時用的膨脹性防滲土料，在蓄水期發(fā)生土料飽和后壓縮性比天然狀態(tài)明顯增大的變化。另外，在0+960 斷面，蓄水時引起大壩砂礫石壩殼的最大沉降量上游為481 mm，下游為169 mm，由砂礫石料的濕陷所導致。

圖4 主壩典型斷面最大沉降過程線

5)表面橫向水平位移:上游坡兩壩肩測點向上游位移，位移量為42 mm，中間測點向下游位移，最大位移量為32 mm;下游壩坡各測點均向下游位移，從兩側(cè)向中間逐漸增大，最大位移量發(fā)生在1+060 斷面，最大位移量為113 mm。壩頂以下1/3 壩高處附近橫向水平位移最大，符合土石壩表面橫向水平位移的一般變化規(guī)律。

6)表面變形測點觀測的壩軸線方向水平位移較小，累計最大值為91mm。壩頂下游側(cè)和下游壩坡的測點位移主要發(fā)生在兩壩肩壩段，位移方向指向河床，位移量自壩肩壩段向河心逐漸減少，符合土石壩的變化規(guī)律。

7)壩體內(nèi)部水平位移特點:主壩各斷面測斜管觀測表明:橫向水平位移指向上游，位移量是從底部和頂部逐漸向中間增大，最大水平位移為48.16 mm;縱向水平位移量隨高程逐漸增大，管口水平位移最大，累計最大位移值146.3 mm，指向右岸。右副壩兩個觀測斷面的內(nèi)部變形量不大。測斜管觀測結(jié)果表明，大壩沿高程方向的水平位移，受上游壩殼濕陷變形影響較大;測斜管的變形量與同等規(guī)模的大壩變形量相比較，在正常范圍內(nèi)。

8)右副壩斷層自大壩開始填筑至今，觀測未產(chǎn)生明顯位移，表明斷層處于穩(wěn)定狀態(tài)。

9)主壩左壩肩運行期剪切向和水平向位移過程見圖5:

圖5 a 左壩肩岸坡剪切向位移過程線

圖5 b 左壩肩岸坡水平向位移過程線

從圖5 成果可看出剪切向和水平向位移，蓄水后各支儀器的位移量，隨著庫水位的升高也相應(yīng)增加，當水庫蓄至正常高水位后，接觸變形逐漸趨于穩(wěn)定。心墻軸線上游的水平和剪切位移值大于下游，且剪切位移大于水平位移。在施工階段，水庫水位608.0m 和613.0m 高程處心墻黏土料的極限抗拉抗剪應(yīng)變小于位移變化量(εc =0.37%～0.42%)。水庫蓄水一段時間后，在水庫水位627.9m 高程以下測點極限抗拉抗剪應(yīng)變測值也都遠遠小于位移變化量，截止到2012 年冬天，所對應(yīng)的最大剪切應(yīng)力測值和水平位移測值分別達到了183 mm 和131 mm，應(yīng)變分別為15.2%和10.9%，這一結(jié)果表明大壩防滲體局部產(chǎn)生裂縫的可能性高。應(yīng)變量公式為:

式中:S 為變形量，WY7 表示最大剪切向數(shù)值183 mm，WY6 表示最大水平向數(shù)值131 mm;L 表示有效范圍為1.2m。

各位移計測點間允許最大傾度為1.4%，從圖5可知此大壩最大傾度為0.83%(大于最小臨界值0.6%)在范圍內(nèi)，位移計測點間變形的差異比較小，由此可分析得到:在水庫水位同一高程處的變形值，一定是下游小于上游;而水庫最大剪切向變形在水位608.0m 高程，水庫最大水平向變形在水位607.2m 高程。

2.2 水庫大壩滲流狀態(tài)分析

1)大壩壩基滲流狀態(tài)分析

通過帷幕灌漿后各觀測斷面的滲流測值和下游各測點的位勢計算成果，來評價壩基防滲體的效果見表2。

表2 壩基內(nèi)軸線下游測點位勢計算表(庫水位645.0m 時)

位勢計算公式:式中:Φi為第i 個滲壓計的位勢值，%;hi為第i 個滲壓計的滲壓水位，m;H1、H2為上下游水位，m。

綜上所述，0+960、1+060 兩個斷面經(jīng)過灌漿帷幕后基巖內(nèi)滲流，水頭降低了60%以上，足以說明帷幕灌漿起到了良好的防滲作用。而0+870、1+105、1+785 三個斷面的水頭只降低了40%，充分說明壩基的帷幕灌漿起到的防滲效果不太理想。從0+385、0+720、1+680 三個斷面的水頭降低了20%～30%，只能說明壩基帷幕灌漿根本沒有起到防滲效果。

2)大壩防滲體與混凝土墊層接觸面的滲流狀態(tài)

大壩0+870 處在混凝土墊層與心墻接觸面上埋設(shè)的相關(guān)測點，2001 年3 月滲壓水位與庫水位相關(guān)性非常好，并于壩軸線及上游10m 的水位達到相同。通過分析資料顯示:除了該斷面防滲體與混凝土墊層接觸變形沒有達到預(yù)期效果外，該斷面滲壓水位變化幅度小，充分說明壩軸線下游部分的防滲體目前仍有較強的防滲能力。

在水庫同一庫區(qū)水位中S22、S28、S33 三支儀器的滲壓水位監(jiān)測結(jié)果見表3，測值表明該部位的防滲體和混凝土墊層接觸部位的滲流條件在逐漸改善的同時此斷面的滲壓水位在逐年下降。

表3 S22、S28、S33 滲壓計滲壓水位統(tǒng)計表(庫水位645.0m 時)

3)防滲體內(nèi)測點的滲流狀態(tài)

從防滲體壩軸線上游的測點0+720 斷面638.3m 高程來看，測點水位與庫水位相關(guān)性很好，說明此部位的壩體材料顆粒已在一定溫度和壓力下，溶液所含溶質(zhì)的量達到最大限度，不能再溶解。反之壩體下游的測點水位與庫水位相關(guān)性不明顯，則說明防滲體的防滲效果好。

從防滲體壩軸線上游的測點0+870 斷面來看，各測點的水位與庫水位相關(guān)性很好，說明此部位的壩體材料顆粒已在一定溫度和壓力下，溶液所含溶質(zhì)的量達到最大限度，不能再溶解。從2003 年3 月起壩軸線620.m 高程處，滲壓水位逐漸呈上升趨勢，足以說明此處已受滲流的影響，而該測點下游部位的測點測值相對穩(wěn)定，無明顯變化，說明下游部位還未受到水庫水位的影響。

在防滲體壩軸線上游主壩0+961 斷面，儀器監(jiān)測滲壓水位與庫水位相關(guān)性好，該部位的測點處的壩體材料顆粒已在一定溫度和壓力下，溶液所含溶質(zhì)的量達到最大限度，不能再溶解。而下游壩軸線的位置的測點測值相對穩(wěn)定，無明顯變化，說明下游部位還未受到水庫水位的影響，同時也說明截止目前此壩段防滲體的防滲正常，見圖6。

圖6 a 0+960 斷面582.5 高程心墻內(nèi)測點孔隙水頭過程線

圖6 b 0+105 斷面620 高程心墻內(nèi)測點孔隙水頭過程線

右副壩樁號1+785 部位截面防滲體內(nèi)的測點中，除上游的S093、S092 和下游的S101 三支儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)以外，其它儀器監(jiān)測的數(shù)據(jù)與庫水位的相關(guān)性都很好，在壩軸線上安置的監(jiān)測儀器未見滲水壓力。綜上所述，壩體心墻部位的防滲效果正常。

2.3 大壩應(yīng)力分析

0+960 斷面582.5 m高程上游側(cè)和下游側(cè)測點x、y、z 三個方向的總應(yīng)力隨著庫水位的上升而增大，尤其上游側(cè)測點受庫水位影響更為明顯。壩軸線部位測點蓄水初期x、y、z 三個方向的總應(yīng)力隨著庫水位的上升而增大，但水庫水位蓄至正常高水位645.0m 后，x 方向(上下游方向)的總應(yīng)力隨著庫水位的變化而變化，而y、z 兩個方向的總應(yīng)力開始減小。主要是由于心墻在正常高水位作用下，有向下游變形的趨勢，心墻頂部變形大，而心墻底部幾乎不動，這樣該部位心墻在z 方向出現(xiàn)受拉狀態(tài)，導致y、z 兩個方向的總應(yīng)力開始減小。

通過觀測資料分析，土壓力計受庫水位的影響是有規(guī)律性的，也就是說壩軸線上游的各測點受庫水位的影響較大，而壩軸線及壩軸線下游的測點受庫水位的影響較小，土壓力變化主要受庫水位的影響，未出現(xiàn)明顯異常。

3 結(jié) 論

基于對上述安全監(jiān)測資料和運行性狀的分析，得出以下結(jié)論:

1)大壩竣工后觀測到的表面沉降與內(nèi)部沉降觀測值較吻合，壩體內(nèi)、外部水平位移和沉降分布有規(guī)律，符合心墻土石壩的變形及分布規(guī)律，表明大壩變形觀測結(jié)果可靠?？⒐ず笥^測到的變形量在工程經(jīng)驗和規(guī)范允許范圍內(nèi)。

2)通過對壩體沉降速率分析可知，右副壩變形速率基本＜1 mm/100d，變形基本趨于穩(wěn)定;而主壩及其兩壩肩的變形速率＞1 mm/100d，說明變形尚未穩(wěn)定。

3)右副壩斷層部位蓄水后無明顯位移，說明目前斷層處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4)埋設(shè)左壩肩附近的外部測點和心墻內(nèi)的觀測儀器均測得沉降差異較為明顯，經(jīng)傾度法計算最大的傾度值較為相近，且均超過壩料極限傾度下限(0.60%)。滲流分析表明，0+870m 斷面壩軸線至心墻上游面心墻與岸坡混凝土墊層間可能存在剪切破壞帶，但該部位上游側(cè)自愈性反濾材料已對脫開處發(fā)揮了一定的封堵作用，近年來滲流狀態(tài)有明顯改善趨勢，壩軸線下游部分心墻仍有較好的防滲作用。

5)大壩變形及滲流觀測結(jié)果表明，防滲心墻變形小，工作正常，滲漏以壩基滲漏為主，壩體本身的滲漏很小，壩體已基本形成穩(wěn)定滲流。

6)心墻與上下游壩殼之間存在變形差異，但因差異變形引起的拱效應(yīng)不至于導致心墻產(chǎn)生水平裂縫。

［1］陳生水，霍家平，方緒順.黏土心墻砂礫石壩工程性狀分析［C］.土石壩與巖土力學:技術(shù)研討會論文集.北京:地震出版社，2001:126－132.