經(jīng)歷汶川特大地震的紫坪鋪水利樞紐工程安全監(jiān)測分析

宋 彥 剛， 由 麗 華， 王 昆， 龍 選 明， 補 翔 成

(四川省紫坪鋪開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610059)

0 引 言

汶川特大地震至今已有10年，紫坪鋪水利樞紐工程積累了大量的地震前后監(jiān)測數(shù)據(jù)。以往學者多利用監(jiān)測數(shù)據(jù)和概念化模型來研究施工期大壩變形趨勢及地震對大壩、高邊坡的變形影響[1-4]，而在樞紐工程全局性的監(jiān)測分析研究方面較少。因此，通過對工程建設期以來的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析，探討地震對紫坪鋪水利樞紐工程的影響及當下樞紐工程的運行性態(tài)具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介與規(guī)模

紫坪鋪水利樞紐工程位于岷江上游，是一座以灌溉和供水為主，兼有發(fā)電、防洪、環(huán)境保護、旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程，也是都江堰灌區(qū)和成都市的水源調(diào)節(jié)工程。水庫正常蓄水位高程877.00 m，汛期限制水位高程850.00 m，防洪高水位高程861.60 m，設計洪水位高程871.20 m，校核洪水位高程883.10 m，正常蓄水位庫容9.98億m3，防洪庫容1.664億m3，調(diào)節(jié)庫容7.74億m3，校核洪水位以下的總庫容11.12億m3，為不完全的年調(diào)節(jié)水庫。水庫控制灌溉面積約93.33萬公頃，水電站裝機容量4×190 MW，多年平均發(fā)電量34.17億kWh。根據(jù)樞紐工程的規(guī)模、效益及重要性，紫坪鋪水利樞紐工程屬大(Ⅰ)型工程。

水利樞紐工程由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪排沙隧洞、沖沙放空隧洞、引水發(fā)電隧洞和發(fā)電廠房等永久性建筑物組成。樞紐工程的主要擋水建筑物為Ⅰ級建筑物，按1 000年一遇洪水設計(流量8 300 m3/s)，可能最大洪水校核(流量12 700 m3/s)；發(fā)電廠房為2級建筑物，按100年一遇設計洪水設計，500年一遇洪水校核。擋水建筑物地震設計烈度為Ⅷ度，其余永久性建筑物地震設計烈度為Ⅶ度[5]。

1.2 區(qū)域地質(zhì)及地震

樞紐區(qū)處于龍門山斷裂帶中央斷裂與前山斷裂之間，“5·12”地震前的歷史地震資料表明，工程臨近地區(qū)(40 km范圍)未發(fā)生強震，其最大地震為灌縣地震，距壩址5 km，震級為4.75級?！?·12”地震后，國家地震局將距震中17.7 km、距中央斷裂地表破裂垂直距離約為5.5 km的紫坪鋪水利樞紐工程壩址區(qū)的地震烈度進行了修正，地震基本烈度由原來的Ⅶ度提高到Ⅷ度。

1.3 監(jiān)測項目

紫坪鋪水利樞紐布置了較完善的監(jiān)測系統(tǒng)，主要有四大類：

(1)大壩監(jiān)測，含大壩內(nèi)、外部變形監(jiān)測及混凝土面板應力應變、滲流、強震等監(jiān)測項目；

(2)高邊坡變形監(jiān)測，含引水發(fā)電洞進出口邊坡、泄洪排沙洞進出口邊坡、溢洪道邊坡等邊坡的變形監(jiān)測；

(3)地下洞室的結(jié)構(gòu)力學和水力學原形監(jiān)測、閘門及金屬結(jié)構(gòu)運行監(jiān)測，含泄洪排沙洞、沖沙放空洞、溢洪道、引水發(fā)電洞的塔體、隧洞結(jié)構(gòu)、高速水流等運行狀況監(jiān)測；

(4)水庫庫岸變形和左岸壩前堆積體監(jiān)測。

2 大壩監(jiān)測

紫坪鋪壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程884.00 m，壩頂寬12 m、長663.77 m，防浪墻高程885.40 m，最大壩高156 m。大壩分三期填筑，其上游壩坡為1∶1.4，下游壩坡在840.00 m高程上、下分別為1∶1.5與1∶1.4(見圖1)。大壩面板分三期施工，Ⅰ、Ⅱ期面板澆筑頂高程分別為高程796.00 m和845.00 m。面板頂部厚30 cm，底部厚83 cm，混凝土強度等級為C25。面板共有48條12.5 mm寬的垂直縫，其中中部壓縫29條，兩岸拉縫19條。面板與趾板間的周邊縫設有2道止水，寬12.5 mm。壩基趾板下設置有兩排防滲帷幕，下游排主帷幕最大深度102 m，深入基巖相對隔水層5 m以上；上游排副帷幕最大深度62 m，約為下游排副帷幕的0.6倍。

圖1 大壩分期填筑圖

大壩布置有較多的監(jiān)測儀器監(jiān)測壩體施工與后期運行性態(tài)。大壩的DAM0+251 m與DAM0+371 m斷面為壩體變形監(jiān)測斷面，埋設水平位移計與水管式沉降儀等儀器；在混凝土面板內(nèi)部埋設鋼筋計監(jiān)測面板鋼筋應力，埋設應變計監(jiān)測混凝土應力應變；在面板垂直縫埋設單向測縫計，面板周邊縫埋設三向測縫計，面板與墊層間埋設兩向脫空測縫計等監(jiān)測儀器；防浪墻頂部及壩后坡布置外觀監(jiān)測點監(jiān)測大壩外觀變形。除部分監(jiān)測儀器在“5·12”地震中受損外，其他儀器均正常運行，監(jiān)測儀器完好率84%?；炷撩姘寮鞍彘g縫、周邊縫的監(jiān)測儀器布置情況見圖2。

圖2 大壩面板監(jiān)測儀器布置圖

2.1 大壩變形特征

2.1.1 外觀變形

紫坪鋪大壩布置有外觀監(jiān)測點32個，其中壩頂防浪墻16個，壩后坡16個(見圖3)。監(jiān)測值正負號規(guī)定：X向與壩軸線平行，向左岸變形為正；Y向垂直于壩軸線，以向下游變形為正；Z向沉降變形，以鉛垂向下為正。目前，外觀監(jiān)測點均能正常運行。

2008年4月以前，大壩外觀監(jiān)測點受初期蓄水影響的變形特征為：靠近左岸的監(jiān)測點向右岸變形，Y4為最大變形量測點，其值為-34.4 mm；靠近右岸的監(jiān)測點向左岸變形，Y11為最大變形量測點，其值為33.0 mm；大壩中部的監(jiān)測點主要以向下游方向變形為主，在向下游向變形上，壩后坡較高高程監(jiān)測點的變形量大于較低高程監(jiān)測點，Y19為向下游向最大變形量測點，監(jiān)測值為99.9 mm；原河床段填筑的壩體沉降變形大于岸坡段填筑的壩體，最大沉降變形監(jiān)測點Y19的值為188.3 mm。地震前壩體的變形符合大壩變形一般的規(guī)律。

“5·12”汶川特大地震導致大壩變形明顯，統(tǒng)計分析地震前后的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其變形特征如下：靠近左岸的外觀點向右岸變形了150～270 mm，靠近右岸的外觀點向左岸變形量在50 mm內(nèi)；靠近左壩間的觀測點向上游變形了0～200 mm，靠近右岸的外觀點向下游變形了250～350 mm；壩體沉降變形量在7.7～790.6 mm之間，較大沉降值集中在原河床段，最大值出現(xiàn)在Y7測點。

圖4與圖5分別為原河床斷面Y7、Y26觀測點的時間—位移曲線圖。分析圖4、圖5可知，2008年5月至2011年底，大壩的變形速率逐漸減小，累計位移的時間曲線趨于收斂；2012年后，壩體外觀監(jiān)測值趨于穩(wěn)定，并呈現(xiàn)周期性變化。2016年大壩外觀監(jiān)測點變化情況為：X向變形量在-7.1～6.7 mm之間，Y向變形量為-9.3～3.9 mm之間，沉降變形量為-5.6～4.0 mm之間。截至2016年12月，各監(jiān)測點累計位移變形情況見圖3。

圖3 大壩外觀測點布置圖

圖4 震后Y7的位移—時間曲線

圖5 震后Y26的位移—時間曲線

2.1.2 內(nèi)部變形

紫坪鋪大壩在0+251 m斷面的高程760.00 mm、高程790.00 mm、高程830.00 mm、高程850.00 mm高程與0+371 m斷面的高程790.00 mm、高程830.00 mm、高程850.00 mm高程布置有沉降儀和水平位移計監(jiān)測大壩內(nèi)部變形，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)得到如下成果。

2005年10月至2008年4月，壩體變形由前期2 mm/月的緩慢勻速變形變?yōu)槭苁状涡钏绊懙?1.5 mm/天的快速變形，首次蓄水后，壩體變形又趨于緩慢(見圖6、圖7)。“5·12”汶川地震造成大壩水平與沉降變形明顯，大壩下游壩體變形大于上游壩體，較高高程壩體變形大于較低高程壩體(見圖8、圖9)。監(jiān)測資料顯示地震沉降變形最大的V25監(jiān)測點變形量為835.1 mm，水平位移變形最大的H26監(jiān)測點變形量為477.8 mm。2008年6月至2011年，壩內(nèi)監(jiān)測儀器受余震及災后重建施工影響有一定的變形。2012～2016年，壩內(nèi)沉降與水平變形趨于穩(wěn)定，其中沉降與水平變形監(jiān)測點受庫水位升降影響的年均變幅為15 mm與5 mm。2016年12月，沉降監(jiān)測最大值測點為V25，其監(jiān)測值為1 160.23 mm；水平監(jiān)測最大為H37測點，其監(jiān)測值為622.79 mm。

圖6 0+251 m斷面高程850 m高程監(jiān)測點沉降變形過程曲線圖

圖7 0+371 m斷面高程820 m高程監(jiān)測點水平位移過程曲線圖

圖8 0+251 m斷面沉降變形布置圖

圖9 0+251 m斷面水平位移分布圖

2.2 面板應力應變

大壩面板安裝有鋼筋計、應變計、溫度計和無應力計各15支(套)，分別布置于面板的4個監(jiān)測斷面(0+68 m、0+251 m、0+371 m、0+586 m)；安裝有單向測縫計、三向測縫計各15支，除1支單向測縫計受地震影響損壞外，其余儀器均正常運行。

2.2.1 面板應力應變

地震前，面板鋼筋計應力監(jiān)測值為-106.13～5.11 MPa，鋼筋以受壓為主；地震后，鋼筋計測值變化了-14.56～9.12 MPa不等，變化應力遠小于鋼筋的可承受應力；2012～2016年，面板鋼筋應力已經(jīng)趨于穩(wěn)定并受庫水升降與溫度影響呈周期性變化(見圖10)。2016年12月，鋼筋計測值為-98.65～-4.13 MPa，經(jīng)換算測得面板混凝土應力小于10 MPa，此混凝土應力遠小于設計抗壓值，表明監(jiān)測點附近的面板混凝土不存在受壓破壞。面板混凝土應變受地震影響較小，目前監(jiān)測值已趨于穩(wěn)定并隨溫度呈周期性變化。

2.2.2 面板接縫變形

面板垂直縫主要為壓縫，而拉縫僅分布于左右壩肩近壩頂高程的面板條塊間。垂直縫變形受水荷載、壩體變形及溫度影響。初蓄期，垂直縫變形較大；運行期，垂直縫變形受氣溫與庫水位升降呈周期性變化。面板三向測縫計的X向變形代表面板與趾板的開合度，Y向為面板與趾板剪切錯動變形，Z向反應面板相對趾板的沉降。根據(jù)周邊縫所處部位的不同，周邊縫可分為河床段周邊縫與壩肩周邊縫。監(jiān)測成果顯示，施工期與初蓄期的河床段周邊縫以張拉沉降變形為主，X向變形的開合度增大明顯，Y向變形不明顯，Z向沉降變形較大，即施工期壩體沉降變形和初蓄期沉降變形及水荷載引起的變形；運行期變形趨于穩(wěn)定。紫坪鋪大壩周邊縫受地震影響較小，監(jiān)測顯示地震造成測值出現(xiàn)了小于5 mm的跳躍(見圖11)。

圖10 鋼筋計T8時間——應力曲線(2012-2015)

圖11 周邊縫Z3時間——位移曲線

2.3 壩基滲壓與繞壩滲流

大壩左右岸布置有9個繞滲孔監(jiān)測大壩的繞壩滲流，河床段壩基安裝有滲壓計監(jiān)測壩內(nèi)地下水位。繞滲孔地下水年變幅為1.52～7.59 m，庫區(qū)水位年變幅約為50 m，對兩者進行相關性分析，發(fā)現(xiàn)各繞滲孔與庫水位之間的相關性系數(shù)在0.345～0.509之間，呈中低度相關，說明左右壩肩的帷幕灌漿防滲體系運行良好。在相似庫水位下，地震后壩內(nèi)滲壓計的測值比地震前測得的水頭值增大約1.5 m，并與庫水位呈現(xiàn)正相關關系。

2006年10月30日，壩后量水堰監(jiān)測值為51.78 L/s，是地震以前時段的最大值，對應的水位高程為高程874.7 m。地震發(fā)生前，壩后量水堰滲流量為10.78 L/s，對應庫水位高程為高程828.7 m。地震后的第五日，壩后滲流量為15.98 L/s，對應的庫水位高程為高程831.4 m，分析認為地震對大壩滲流量的影響不大。災后重建修復后至2015年，壩后量水堰滲流量隨庫水位升降呈周期性變化，其監(jiān)測值小于50 L/s并滯后于庫水位2～3天。

3 泄洪及引水發(fā)電建筑物應力應變分析

紫坪鋪泄洪及引水發(fā)電建筑物內(nèi)安裝有鋼筋計、土壓力計、滲壓計、測縫計、應變計等儀器，除個別監(jiān)測儀器受地震影響損壞或監(jiān)測值不穩(wěn)定外，其余監(jiān)測儀器運行正常。

3.1 泄洪建筑物

3.1.1 泄洪洞

地震前后鋼筋計應力監(jiān)測值變化量較小，均在10 MPa范圍內(nèi)，后期鋼筋應力變化在一定程度上受氣溫影響較為明顯。目前鋼筋應力監(jiān)測值以受壓為主，壓應力最大達110 MPa，局部鋼筋受拉，拉應力小于15 MPa，鋼筋的拉(壓)應力監(jiān)測值均遠小于鋼筋的抗拉(抗壓)強度。土壓力監(jiān)測值顯示地震對其影響不明顯，目前，實際監(jiān)測值相對穩(wěn)定且較小。地震對泄洪洞內(nèi)安裝的滲壓計影響明顯，在靠近上游庫區(qū)側(cè)的滲壓計監(jiān)測值最大變化在100～300 kPa之間，靠近下游側(cè)的監(jiān)測值變化多小于20 kPa；地震后滲壓計水頭值逐漸消散，現(xiàn)在變化較穩(wěn)定，有一定的規(guī)律性。

3.1.2 沖砂洞

地震前后沖砂洞進水口的三向應變計、鋼筋計均有較為明顯的變化，但變化量級較小。地震對沖砂洞不同斷面的影響不盡相同，最為明顯的是對進出口段的影響稍偏大。震后至今，監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)且呈現(xiàn)出一定的周期性，說明目前沖砂洞圍穩(wěn)定，混凝土結(jié)構(gòu)受力較小。

3.1.3 溢洪道

鋼筋應力監(jiān)測值受地震影響較小，應力值突變量均小于±16 MPa，如今鋼筋計監(jiān)測值在-81.49～167.82 MPa之間。土壓力監(jiān)測值顯示，地震前后監(jiān)測值變化量在9.61～268.89 kPa之間，截止2016年12月，土壓力監(jiān)測值均小于500 kPa。側(cè)縫計在地震前后有一定變化，其中C5的變化量最大達10.05 mm，其他側(cè)縫計的變化量在3 mm以內(nèi)。滲壓計在地震期間變化量不大。

3.2 引水發(fā)電建筑物

3.2.1 引水系統(tǒng)進水塔

地震前引水系統(tǒng)進水塔處的三向應變計監(jiān)測值集中在-470～-250 με之間，地震引起的變化量在-27.36～29.99 με之間，目前儀器測值趨于穩(wěn)定。土壓力計監(jiān)測值受地震影響較小，變化量在-629.25～109.49 kPa之間，目前各測點應力值在212.27～574.13 kPa之間，并隨庫水位升降呈周期性變化。地震造成進水塔底板測縫計監(jiān)測值變了0.1 mm，目前測縫計變形趨于穩(wěn)定，年均變幅在0.25 mm內(nèi)。受地震影響，鋼筋計監(jiān)測點的應力值變化了-19.37～8.19 MPa，目前監(jiān)測點應力值在-61.16～53.12 MPa范圍內(nèi)，小于鋼筋的抗拉(壓)強度。

3.2.2 引水隧洞

地震前后三向應變計監(jiān)測值的變化量在-126.75～123.57 με之間，現(xiàn)在各點測值已趨于穩(wěn)定。鋼筋計應力變化較小，除1號引水洞RG14-1應力變化量為-55.36 MPa，其余各鋼筋計應力變化均在±60 MPa范圍內(nèi)。地震前后，4號引水洞P1滲壓計的監(jiān)測值變化148.41 kPa，其余各部位滲壓計變化均不超過50 kPa，震后一段時間，滲壓水頭值消散，分析認為地震造成巖體孔隙水壓力增大，隨時間推移水壓力逐漸消散。洞身測縫計監(jiān)測值受地震影響變化了0.2 mm，現(xiàn)各儀器測值趨于趨于穩(wěn)定。

3.2.3 廠房

地震對廠房鋼筋計應力影響較小，震后鋼筋計應力測值在±36 MPa范圍內(nèi)，目前應力測值變化已趨于穩(wěn)定并在±42 MPa范圍內(nèi)。三向應變計受地震影響有一定的變化，變化量在-120.76～67.85 MPa之間，現(xiàn)已趨于穩(wěn)定。受地震影響，廠房滲壓計P7變化55.6 kPa，其余滲壓計變化量小于11 kPa。

4 高邊坡及堆積體應變特征

紫坪鋪水利樞紐工程邊坡按部位分為泄洪洞進出口邊坡，引水系統(tǒng)進出口邊坡，溢洪道邊坡，左壩肩邊坡及左岸壩前邊坡。邊坡受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，強度低，并且有斷層及層間剪切破碎帶穿過邊坡坡面。因此，工程采用了錨索、錨桿等邊坡支護措施。為有效的掌握邊坡在開挖及樞紐工程運行過程中的穩(wěn)定性，對已支護的紫坪鋪水利樞紐工程高邊坡安裝了鋼筋計、錨索測力計、多點位移計等監(jiān)測儀器。

左岸壩前堆積體距大壩618 m，前緣直達岷江，順坡長度約1 600 m，沿江寬300～870 m，平面面積1 km2。工程將施工圍堰修建于堆積體坡腳處，以起到“壓腳增穩(wěn)”的作用，并在堆積體上布置有測斜孔、滲壓計等儀器監(jiān)測堆積體的穩(wěn)定性。

4.1 巖質(zhì)高邊坡

4.1.1 泄洪洞進出口邊坡

地震前，1號泄洪洞進口邊坡位移計安裝時間早于該處錨索施工，其監(jiān)測值受錨索張拉施工影響呈負位移向坡內(nèi)運動；2號泄洪洞進口邊坡位移計安裝時間晚于該處錨索施工，且受帷幕灌漿影響，監(jiān)測值為正位移向坡外變形；坡體變形和錨索預應力損失主要發(fā)生在施工期，邊坡累計位移監(jiān)測量在-21.21～25.3 mm之間錨索；邊坡錨索應力損失率小于10%。受地震影響，除未被錨索支護部位的監(jiān)測點的位移量變化了22.2 mm，其他部位監(jiān)測值變形均小于1 mm；除1臺邊坡錨索監(jiān)測值增加了153.5 kN外，其余錨索預應力變化較小；說明在地震動荷載作用下，錨索對邊坡的支護效果好。地震后，泄洪洞進出口邊坡位移趨于穩(wěn)定，累計位移小于±30 mm，年變化量小于0.5 mm，錨索預應力測值趨于穩(wěn)定并具有一定的周期性。

4.1.2 溢洪道邊坡

溢洪道邊坡采用了錨索和錨桿支護。地震前，位移計累計監(jiān)測值均小于9 mm，邊坡變形較小。受地震影響，錨索加固段邊坡變形較小，位移變化量小于±4 mm，錨桿支護段邊坡變形加大，最大達26.6 mm，說明在地震動荷載影響下，錨索支護要優(yōu)于錨桿支護。地震后，邊坡累進性變形趨于穩(wěn)定，累計位移量小于30 mm，年均變化量在±1 mm以內(nèi)。

4.1.3 引水發(fā)電洞進出口邊坡

地震前，引水發(fā)電洞進出口邊坡的累計位移變形量小于87 mm，其反映出邊坡變形受錨索支護影響，在靠近錨索支護點的巖體變形量較小，遠離錨索點的巖體變形量較大。在地震動荷載作用下，邊坡位移變化量小于±12 mm，錨索應力有不同幅度的增加，其最大應力增量為90.4 kN，說明邊坡變形受到錨索抑制，錨桿應力變化較小。目前，邊坡位移計、錨索及錨桿應力均趨于穩(wěn)定，其中位移年均變幅小于±1 mm，錨索預應力損失值均小于15%，錨桿應力值小于±11 MPa。

4.1.4 其他部位邊坡

左壩肩邊坡與左岸壩前邊坡累計位移監(jiān)測值均小于5 mm，年平均變化量小于0.1 mm，表明邊坡穩(wěn)定。

4.2 壩前堆積體

堆積體測斜孔的A向為邊坡的臨空方向，B向為臨空向向右旋轉(zhuǎn)90°方向。地震前，各測斜孔位移變形量較小，基本趨于穩(wěn)定。地震發(fā)生后，測斜孔監(jiān)測值變化明顯，各孔孔口位移增量范圍大致為55～100 mm，局部可達196.72 mm，孔口累計位移矢量方向由原來的無明顯趨向變?yōu)檎鸷蟮内呄?34°；測斜孔在基覆界面有明顯的錯動，錯動位移最大達58.08 mm，位移矢量方向大致為157°方向，近似垂直于岷江走向。目前，測斜孔IN-2的孔口和基覆界面處的變化已趨于穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

(1)地震前，紫坪鋪大壩的變形特征符合一般大壩的變形規(guī)律。地震使大壩產(chǎn)生明顯變形，經(jīng)災后重建修復，結(jié)合大壩變形、壩內(nèi)滲壓、壩后滲流等指標的分析，表明壩體變形趨于穩(wěn)定，大壩的防滲體系運行正常平穩(wěn)。

(2)泄洪及引水發(fā)電建筑物的應力應變監(jiān)測值均正常，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在漸進性的拉(壓)破壞。

(3)高邊坡在地震動荷載作用下未發(fā)生較大變形，目前已趨于穩(wěn)定，說明邊坡支護設計合理、錨索預應力張拉標準科學，并且還反映出動荷載作用下邊坡錨索的支護效果要優(yōu)于錨桿。

(4)強震作用下，堆積體整體保持穩(wěn)定，其坡面最大位移為196.72 mm，基覆界面(潛在滑動面)的最大位移為58.08 mm，說明設計采用“圍堰壓腳”的方式來提高堆積體穩(wěn)定性是可行的。

(5)紫坪鋪水利樞紐工程經(jīng)受了汶川特大地震的考驗，運行性態(tài)良好，說明樞紐工程選址科學、設計合理、施工質(zhì)量優(yōu)良。

研究結(jié)果表明，地震只造成紫坪鋪水利樞紐工程局部的破壞，經(jīng)災后重建修復后，樞紐工程各建筑物運行良好。