基于實測垂線資料的山口巖大壩變形分析

謝長江

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引 言

山口巖水利樞紐工程地處贛江一級支流袁河上游的萍鄉(xiāng)市蘆溪縣境內(nèi)，壩址位于江西省蘆溪縣上埠鎮(zhèn)山口巖村上游1km處，距蘆溪縣城7.6 km，距萍鄉(xiāng)市30 km。是一座以供水、防洪為主，兼顧發(fā)電、灌溉等綜合利用的大Ⅱ型水利樞紐工程。本工程水庫總庫容為1.048 1×108m3，年平均日供水量20×104t，電站裝機容量12 MW，灌溉面積6 746.67 hm2，本工程等級為Ⅱ等，大(2)型工程。

山口巖大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程為247.60 m(黃海高程，下同)，壩基最低開挖底高程為148.50 m，最大壩高99.10 m，壩底最大寬度30.00 m，壩頂寬度5.00 m，壩頂長度為268.23 m，大壩上游面設(shè)置R90200二級配碾壓砼防滲層，防滲層頂寬2.00 m，底寬為8.20 m，大壩砼采用R90200三級配碾壓砼。壩址區(qū)處于構(gòu)造侵蝕中、低山地貌，壩肩兩岸山體雄厚，坡角35°～40°，河谷狹窄，橫向“V”型河谷，河流近南北流向，巖體風化不甚強烈，左岸分布崩塌堆積體、右岸見卸荷帶等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象。

壩體和壩基變形是大壩安全評價的關(guān)鍵[1]，對于雙曲拱壩中撓度的監(jiān)測垂線是最簡便有效的手段，可以有效的反映壩體垂直斷面內(nèi)各個高程點相對于底部基點的水平位移變化。長期以來都是大壩安全資料分析、評價的關(guān)鍵所在，作為使用最廣泛的位移監(jiān)測手段之一，它擁有測點多、深入壩體等特征，獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)包含了反映壩體安全狀況的信息。所以對大壩外部變形中的垂線位移監(jiān)測及分析是大壩安全監(jiān)測的重點內(nèi)容，是整個監(jiān)測資料分析工作的重點。

1 垂線系統(tǒng)的布設(shè)原則

山口巖碾壓混凝土雙曲拱壩的撓度變形主要采用正、倒垂相結(jié)合的方法進行觀測，正垂線是在壩體觀測井的上部懸掛帶重錘的不銹鋼絲[1]，因為正垂的作用，當正垂線穩(wěn)定時總處于鉛直狀態(tài)，提供了一條基準線。在沿鉛垂線不同高程的壩體上設(shè)置測點，就可測定測點與懸掛點之間的相對水平位移。因為垂線懸掛在壩體上，故隨壩體變形而整條垂線也產(chǎn)生位移。山口巖大壩正垂線采納的是“一線多測站式”，主要監(jiān)測壩體位移。由3條正垂線6個測點組成，分別布置在大壩0+070.494斷面、大壩0+141.323斷面、大壩0+212.724斷面，監(jiān)測點分別設(shè)在大壩▽195.00 m和▽220.00 m觀測廊道內(nèi)。

圖1 山口巖大壩垂線監(jiān)測點立面布置圖

圖2 山口巖大壩垂線監(jiān)測點剖面布置圖

倒垂線是將垂線鋼絲的下端用錨塊埋設(shè)在大壩地基深層基巖內(nèi)[1]，而上端與浮托設(shè)備相連。在浮力的作用下，鋼絲沿鉛直方向被拉緊，只要底部錨塊不動，那么鋼絲始終將位于同一鉛直位置上。沿倒垂線不同高程壩體設(shè)置測點，即可測出測點相對于垂線的水平位移。大壩壩基和壩肩巖體深層滑動位移，主要采用倒垂線法進行監(jiān)測。由3條倒垂線4個測點組成，分別布設(shè)在大壩0+070.494斷面、大壩0+141.323斷面、大壩0+212.724斷面。大壩0+070.494斷面、大壩0+212.724斷面倒垂線錨固點高程為▽144.50 m，觀測點設(shè)在大壩▽195.00 m觀測廊道內(nèi)。大壩0+141.323斷面倒垂線錨固點高程為▽118.50 m，觀測點設(shè)在大壩▽195.00 m和▽163.00 m觀測廊道內(nèi)。

根據(jù)《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(DL/5178-2016)7.2.6規(guī)定[2]：“梁向監(jiān)測斷面應(yīng)布置在拱冠梁壩段(或拱壩中心線壩段)、最大計算位移壩段、左右1/4拱弧壩段、地質(zhì)或壩體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壩段或其他有代表性的壩段，可設(shè)3～5個，對于壩頂弧線長度大于500 m的，宜布置5～7個。高壩宜在兩岸拱座增設(shè)監(jiān)測斷面。”因此，設(shè)計內(nèi)容滿足規(guī)范要求。

垂線測點的觀測采用人工觀測與自動化觀測相結(jié)合的方式，人工觀測選用四川省飛翔測繪設(shè)備有限公司生產(chǎn)的光學(xué)垂線坐標儀ZBY-2A進行觀測，測量讀數(shù)精度為0.02 mm。自動化觀測設(shè)備采用水利部南京水文自動化研究所的步進式垂線坐標儀進行觀測。水平位移正負號的規(guī)定按照向下游為正，反之為負的原則。

2 測值的變形分析

2.1 水平位移最大測值分析

(1)正垂線監(jiān)測

2013年10月25日開始監(jiān)測正垂線，初始值以2013年10月25日為基準。由于正垂線安裝于2013年第4季度，因此資料分析從2014年開始。各典型工況正垂線監(jiān)測成果見表1～2 。監(jiān)測時序曲線圖如圖3～6。

表1 最高庫水位時正垂線監(jiān)測成果表 mm

表2 最大位移量時正垂線監(jiān)測成果表 mm

圖3 正垂線PLA1、PLA2與庫水位時序曲線圖

圖4 正垂線PLB1、PLB2與庫水位時序曲線圖

圖5 正垂線PLC1、PLC2與庫水位時序曲線圖

圖6 正垂線位移時序曲線對比圖

(2)倒垂線監(jiān)測

以2012年6月30日下閘蓄水前為基準計算倒垂線初始值。由于山口巖大壩是二次蓄水，2012年7月～2013年12月屬于初蓄期，且?guī)焖贿€未達到設(shè)計值。因此，2013年測值只作為參考值，不做分析。各典型工況倒垂線監(jiān)測成果見表3、表4。

表3 最高庫水位時倒垂線監(jiān)測成果表 mm

表4 最大位移量時倒垂線監(jiān)測成果表 mm

時序曲線圖如圖7～9。

圖7 倒垂線IPA1、IPA2與庫水位時序曲線圖

圖8 倒垂線IPB1、IPC2與庫水位時序曲線圖

圖9 倒垂線位移時序曲線對比圖

從觀測數(shù)據(jù)和時序曲線圖分析，大壩正倒垂線監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：徑向位移的變化，大壩拱冠、大壩0+070.494斷面和大壩0+212.724斷面最大變化均出現(xiàn)在低溫高水位時段，且最大位移的出現(xiàn)不一定就是最大水位時。

2.2 典型工況下的測值分析

各壩段水平位移的變化過程受庫水位的影響，基本能與庫水位的升降進程對應(yīng)。以2017年度測值拱冠梁為例分析位移時間演化規(guī)律，各典型工況下拱冠梁徑向位移空間分布情況如表5所示。

表5 各典型工況拱冠梁徑向位移 mm

可以看出，拱冠梁徑向位移測值與庫水位的升降和溫度都有直接的關(guān)系，壩頂徑向位移大于壩基。在低溫季節(jié)時，壩頂徑向位移最大達64.13 mm。

2.3 實測垂線測值變形分析

從水平位移最大測值和典型工況下的實測垂線測值分析，壩體實測垂線監(jiān)測表明：

(1)壩體變形與庫水位具有明顯的相關(guān)性。

(2)壩體垂線監(jiān)測到的徑向變形分布呈中部大，兩岸小，左右岸基本對稱，從相關(guān)性、對稱性和規(guī)律一致性方面綜合印證了壩體監(jiān)測成果可靠性高。變化表現(xiàn)出以下規(guī)律性：

①一般情況下，水荷載作用對壩頂水平位移有一定的影響，上游水位高，位移朝下游增大；水位降低，位移朝上游增大。

②水平位移與壩體溫度狀況有關(guān)。因為氣溫對壩體溫度的影響有一個傳遞時段，且愈向壩體深處影響幅度愈小，所以受溫度影響的位移趨勢滯后于氣溫變化。

(3)另外，垂線實測位移受庫水位升降及溫度變化影響，正垂線與倒垂線有如下變化規(guī)律：

①對于壩頂測點，一般高溫季節(jié)向上游位移，低溫季節(jié)向下游位移。

②分析大壩倒垂線監(jiān)測數(shù)據(jù)：徑向位移的變化拱冠部位和大壩0+070.494斷面、大壩0+212.724斷面有著明顯的區(qū)別。大壩拱冠部位最大變化出現(xiàn)在低溫高水位時段，大壩0+070.494斷面、大壩0+212.724斷面最大變化出現(xiàn)在高溫高水位時段。

③分析大壩正垂線監(jiān)測數(shù)據(jù)：徑向位移的變化大壩拱冠、大壩0+070.494斷面和大壩0+212.724斷面最大變化均出現(xiàn)在底溫高水位時段。

3 結(jié) 論

(1)水平徑向位移表現(xiàn)出庫水位提升或溫降時，壩體朝下游位移，反之朝上游位移的變化特征；同時表現(xiàn)出越接近拱冠、位移越大，高程越高、位移越大的分布規(guī)律；水壓荷載是影響徑向位移的最主要原因。

(2)由于壩體累計位移變化量量級不大，同時現(xiàn)場巡視檢查亦未見異常，因此壩體撓度變形正常。

(3)從近4年實測垂線測值變化規(guī)律分析，目前山口巖大壩的水平位移變化滿足設(shè)計要求，符合拱壩壩體位移變化規(guī)律。