新疆某拱壩正倒垂系統(tǒng)地震后監(jiān)測數據分析

李毅男，李海河，李迎春，焦 偉

（黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南省鄭州市 450003）

0 引言

近年來，我國在西北部地震高發(fā)區(qū)建設了一系列百米級高拱壩，這些高壩大庫在地震作用下的抗震性能越來越引起設計人員和社會各界的重視。SMZ大壩作為西北地區(qū)第一座百米級碾壓混凝土拱壩，在設計經驗和施工條件等不夠成熟的情況下，已正常工作運行多年，其震后表現(xiàn)有很高的研究價值。

安全監(jiān)測技術是掌握大壩地震期間結構穩(wěn)定和運行安全的重要手段，其中變形監(jiān)測由于其直觀性和精確性，通常被列為大壩安全監(jiān)測的首選監(jiān)測項目。而垂線系統(tǒng)就是進行壩體變形監(jiān)測的一種常用觀測手段，具有精度高、結構簡單、便于實現(xiàn)自動化等特點，一般而言，混凝土壩的水平位移就是通過埋設在大壩基巖倒垂系統(tǒng)和埋設在壩體內部的正垂系統(tǒng)進行觀測[1]。

1 研究背景

1.1 工程概況

SMZ水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉州瑪納斯縣塔西河中游河段，距瑪納斯縣城62.0km。壩址上游流域面積664.0km2，河流補給形成以冰川融雪為主、降雨為輔，多年平均年徑流量為2.32億m3。是一個以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電的中型水利樞紐工程。本工程由碾壓混凝土拱壩、黏土斜心墻土石壩、引水發(fā)電洞、發(fā)電廠房、拱壩壩頂溢洪道、壩身放水孔等主要建筑物組成。碾壓混凝土拱壩壩高110m，壩頂弧長169m。設計正常蓄水位1390m，校核洪水位1392.5m，總庫容5400萬m3。裝機容量7.65MW，地震設計烈度Ⅴ度[2]。水庫自1998年6月開工，2001年10月大壩等主體工程完工，2003年10月正式下閘蓄水，至今已正常運行近14年，大壩具體情況詳見圖1、圖2。

圖1 SMZ水庫平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of SMZ Reservoir

圖2 SMZ大壩剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of SMZ dam profile

1.2 地震情況

北京時間2016年12月8日在新疆呼圖壁縣發(fā)生了6.2級地震，震中位于呼圖壁縣境內，地震發(fā)生時距離呼圖壁縣42km的SMZ大壩有明顯震感。地震期間，SMZ拱壩的正、倒垂線和自動化系統(tǒng)均工作正常，有效采集到了地震發(fā)生期間寶貴的水平位移監(jiān)測數據，為震后拱壩運行狀態(tài)和結構安全的評價提供了重要基礎數據。

2 監(jiān)測資料分析

拱壩的位移一般分為水平位移和垂直位移，水平位移又分為徑向位移和切向位移2個方向，其中徑向為上下游方向，切向為左右岸方向。通常情況下，為了方便分析和計算，規(guī)定徑向位移下游為正，上游為負；切向位移左岸為正，右岸為負[3]。為分析地震期間大壩的工作性態(tài)，現(xiàn)對SMZ拱壩典型壩段地震前、后各一個月的水平位移監(jiān)測資料進行整理、分析。

2.1 垂線系統(tǒng)布置

垂線觀測采用倒垂線和正垂線組合的方式進行觀測。在主壩的拱冠和左右岸1/4拱處布置了3組垂線裝置（見圖3）。

圖3 主壩垂線布置圖Fig.3 Statistics of main dam plumb line

壩體中部垂線（AP1）由兩條倒垂線和一條正垂線組成，倒垂線從1340廊道向下穿過1289廊道深入基巖50m，一條正垂線分別從壩頂向下至1340廊道；壩段右部垂線（AP2）由一條倒垂線和一條正垂線組成，正垂線由壩頂向下至1340廊道，倒垂線由1340廊道向下至基巖70m；壩段左部垂線（AP3）由一條倒垂線和一條正垂線組成，正垂線由壩頂向下至1340廊道，倒垂線由1340廊道向下至基巖50m。

2.2 徑向位移

本文以典型受力斷面拱冠梁為例對位移情況進行分析[4]，拱冠梁地震前后的徑向位移、水位、氣溫測值過程線如圖4所示，徑向位移測值加速度過程線如圖5所示，測值變幅特征值統(tǒng)計如表1所示。

圖4 拱冠徑向位移過程線Fig.4 The arch crown radial displacement process line

表1 壩體徑向位移變幅統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of the dam radial displacement amplitude

通過拱冠垂線3個測點（AP1-Y、AP1-2Y、AP1-1Y）的測值過程線可知，地震發(fā)生期間拱冠頂部、中部和底部的徑向位移均有一個向上游側的突變，但量值不大，基本在0.3mm以內。而且地震期間，庫水位正好位于最高點，氣溫也較穩(wěn)定，由此可推測該突變由地震引起。地震后一個月，庫水位由1381m降至1379m，而拱冠的頂部、中部和底部整體有向下游側變形的趨勢，變幅在0.3～0.5mm之間，其中頂部變幅最大，底部變幅最小，符合拱壩變形的一般規(guī)律。從位移加速度過程線可以明顯看出，壩體徑向位移變化速率僅在地震期間波動較大，波動范圍為-0.25～0.1mm/d，震后逐漸趨于平穩(wěn)，未見趨勢性加速變形。

通過與近兩年拱冠的徑向位移特征值比較后可知，頂部1340～1394m段的徑向位移、中部1340～1289m段的徑向位移、底部1289m以下的徑向位移，地震前后變幅分別為1.83mm、1.01mm、0.62mm，遠小于同測點2015年和2016年的年變幅，說明地震引發(fā)該部位的徑向變形未對壩體結構帶來額外負擔或造成安全隱患。

壩體右部和左部（AP2、AP3）地震前后的徑向位移情況和拱冠處類似，地震期間頂部、中部和底部均有一個向上游側的小幅突變。震后一個月，庫水位由1381m降至1379m，壩體右側的頂部、中部和底部整體有向下游側變形的趨勢，變幅在0.08～0.65mm之間，其中頂部變幅最大，底部變幅最小。通過與近兩年的徑向位移特征值比較后可知，壩體右部和左部地震前后的水平位移變幅在0.31～2.24mm，均小于同測點2015年和2016年的年變幅，說明地震引發(fā)該部位的徑向變形未對壩體結構帶來額外負擔或造成安全隱患。此外，徑向位移變化速率僅在地震期間呈一定波動，震后逐漸趨于平穩(wěn)，未見趨勢性加速變形。

2.3 切向位移

拱冠梁地震前后的切向位移、水位、氣溫測值過程線如圖6所示，切向位移測值加速度過程線如圖7所示，測值變幅特征值統(tǒng)計如表2所示。

通過拱冠垂線3個測點（AP1-Y、AP1-2Y、AP1-1Y）的測值過程線可知，地震期間拱冠的頂部、中部和底部切向位移均有一個向左岸的突變，變幅在0.1mm左右。震后一個月，庫水位由1381m降至1379m，拱冠的頂部、中部和底部有整體向左岸持續(xù)變形的趨勢，變幅約在0.25mm左右，其中頂部、中部和底部變幅基本一致。此外，從位移加速度過程線可以明顯看出，壩體切向位移變化速率僅在地震期間波動較大，波動范圍-0.10～0.15mm/d，震后逐漸趨于平穩(wěn)，未見趨勢性加速變形。

圖6 拱冠切向位移過程線Fig.6 The arch crown tangential displacement process line

圖7 拱冠切向位移加速度過程線Fig.7 The arch crown tangential displacement’s acceleration process line

表2 壩體切向位移變幅統(tǒng)計Tab.2 Statistics of the dam tangential displacement amplitude

通過和近兩年拱冠的切向位移特征值比較后可知，頂部1340～1394m段的切向位移、中部1340～1289m段的切向位移、底部1289m以下的切向位移，地震前后變幅分別為0.55mm、0.25mm、0.27mm，遠小于同測點2015年和2016年的年變幅，說明地震引發(fā)該部位的切向變形未對壩體結構帶來額外負擔或造成安全隱患。

壩體右部和左部（AP2、AP3）地震前后的切向位移情況和拱冠處類似，地震期間頂部、中部和底部均有一個向左岸的小幅突變。震后一個月，庫水位由1381m降至1379m，頂部、中部和底部整體有向左岸持續(xù)變形的趨勢，變幅在0.06～0.33mm之間，其中頂部變幅最大，底部變幅最小。通過與近兩年的切向位移特征值比較后可知，壩體右部和左部地震前后的切向位移變幅在0.12～0.79mm，均小于同測點2015年和2016年的年變幅。此外，切向位移變化速率僅在地震期間呈一定波動，震后逐漸趨于平穩(wěn)，未見趨勢性加速變形。

2.4 撓度分布情況

基于水平位移繪制出拱壩典型壩段的徑向撓度分布曲線如圖8～圖10所示，切向撓度分布曲線如圖11～圖13所示。

圖8 拱冠徑向撓度分布圖Fig.8 Distribution of the arch crown radial deflection

圖9 壩右徑向撓度分布圖Fig.9 Distribution of the dam right radial deflection

圖10 壩左徑向撓度分布圖Fig.10 Distribution of the dam left radial deflection

圖11 拱冠切向撓度分布圖Fig.11 Distribution of the arch crown tangential deflection

圖12 壩右切向撓度分布圖Fig.12 Distribution of the dam right tangential deflection

圖13 壩左切向撓度分布圖Fig.13 Distribution of the dam left tangential deflection

從徑向撓度分布圖可以看出，壩體拱冠、右部和左部的累計偏移量整體偏向上游側，最大累計偏移量約6mm。其中拱冠延高程自上而下的撓度變形呈“＜”型，即壩中累計偏移量大于壩頂和壩基；右部和左部延高程自上而下的撓度變形呈直線型，即壩頂累計偏移量最大，壩中次之，壩基最小[5]。

從切向撓度分布圖可以看出，拱冠累計偏移量整體偏向右岸，最大累計偏移量約1.4mm，右部和左部的累計偏移量整體偏向左岸，最大累計偏移量約2mm。其中拱冠延高程自上而下的撓度變形呈直線型；右部和左部延高程自上而下的撓度變形分別呈“＞”和“＜”型，即壩中累計偏移量大于壩頂和壩基。

通過比較地震前后壩體的撓度分布圖可知，撓度曲線線型未見明顯變化，且各測次曲線整體緊湊性較好，地震后未見向上、下游側的趨勢性偏移或者單測點的突變現(xiàn)象，說明地震未對拱壩撓度分布造成影響。

3 結束語

通過對SMZ拱壩地震前后的水平位移監(jiān)測數據進行分析可知：

（1）壩體的中部、右部和左部的徑向位移在地震發(fā)生時均有一個向上游側的小幅突變，而后一個月呈現(xiàn)向下游側的持續(xù)變形；切向位移在地震發(fā)生時有向左岸的小幅突變，而后一個月繼續(xù)向左岸發(fā)生變形，其中徑向位移變幅大于切向位移，但兩者絕對變形量均在合理范圍內。

（2）地震期間，壩體徑向位移和切向位移變形速率呈現(xiàn)明顯波動，波動范圍在-0.5～0.3mm/d以內，但震后逐漸趨于平穩(wěn)，未見趨勢性加速變形。

（3）地震發(fā)生前后，拱壩的徑向位移最大約2.24mm，切向位移最大約0.79mm，其中壩體頂部變形大于底部，但均未超過年位移變幅范圍，說明地震引發(fā)的水平位移變形未給壩體結構穩(wěn)定帶來額外負擔，因此造成的安全隱患風險較小。

（4）地震發(fā)生后，壩體典型部位的徑向撓度和切向撓度分布圖未見異常，各測次曲線規(guī)律性較好，未見單方向的趨勢性變形或者單測點的突變現(xiàn)象。

綜上，受新疆呼圖壁縣“12·8”地震影響，SMZ拱壩水平位移發(fā)生了一定程度的變化，但量值均在合理范圍內，未給壩體結構穩(wěn)定帶來額外負擔。地震前后，壩體的變形規(guī)律基本正常，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，說明SMZ拱壩具備一定的抗震能力。