某高面板堆石壩實測運行性態(tài)分析

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(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚州225200；2.杭州國家水電大壩安全和應急工程技術中心有限公司，浙江杭州311122)

1 工程概況

某水電站工程位于西南某省，壩址以上控制流域面積6 422 km2，水庫總庫容5.31億m3，屬不完全年調節(jié)水庫，電站總裝機容量360 MW(3×120 MW)。工程規(guī)模屬Ⅱ等大(2)型，主要建筑物按2級設計，設計洪水位1 086.86 m(相應庫容為4.70億m3)，正常蓄水位1 086.00 m(汛限水位，相應庫容為4.55億m3)，死水位1 052.00 m(相應庫容為1.33億m3)。電站樞紐由混凝土面板堆石壩、左岸溢洪道、右岸發(fā)電引水洞和發(fā)電廠房、左岸1號導流洞、右岸2號導流洞等組成?；炷撩姘宥咽瘔巫畲髩胃?29.5 m，壩頂高程1 092.50 m，壩頂防浪墻頂高程1 093.70 m，壩頂寬10.6 m，壩頂長276.0 m。工程于2000年11月8日正式開工，2004年6月工程全部竣工。

2 大壩主要監(jiān)測設施布置

2.1 變形

在壩頂、上游壩面1 088.00 m高程、下游壩坡布置了6條測線，共計31個測點，以觀測大壩表面順河向水平位移和垂直位移。大壩內部設有沉降儀、水平位移計監(jiān)測壩體內部垂直位移、壩體內部順河向水平位移。面板接縫監(jiān)測包括周邊縫變形監(jiān)測、垂直縫變形監(jiān)測，分別埋設了8組三向測縫計，12支單向測縫計和2組雙向測縫計。面板脫空采用脫空計(雙向測縫計)監(jiān)測，兩支測縫計夾角及測縫計與面板的夾角均為60°，其組成的平面垂直于面板。

2.2 滲流

在壩后溢洪道左岸布置3個地下水位孔，在壩后溢洪道右邊墻附近的巖錨墻的1 030.00 m高程布置1個地下水位孔，在壩后右岸各高程布置6個地下水位孔。編號為PL1-1—PL1-4、PR2-1—PR2-3、PR3-1—PR3-3。

在左岸灌漿廊道布置4個地下水位觀測孔，在右岸灌漿洞(交通洞)布置3個地下水位觀測孔，以觀測帷幕灌漿效果，編號為P1w—P7w。

為監(jiān)測大壩基礎滲透壓力，沿河床最大斷面(橫左0+000.00 m)設置一條順河向滲壓觀測線，其中在壩基趾板帷幕前布置1支滲壓計，以直接反映上游鋪蓋區(qū)的滲透壓力；在緊靠帷幕后布置3支鉆孔式滲壓計，以觀測基礎不同深度滲透壓力情況；在沿壩基中心線縱上0+152.50 m、縱上0+070.00 m、縱上0+000.00 m和縱下0-070.00 m各布置1支滲壓計。另外在左、右岸坡趾板帷幕后埋設坑式滲壓計各3支。

為了監(jiān)測壩體及壩基的總滲漏量，設置量水堰。根據(jù)地形及壩體結構、下游尾水位等，利用下游圍堰作為壩腳的截水墻，在壩后布置一座梯形量水堰，堰口底寬0.7 m，兩側坡度1∶0.25，并配以堰流計進行觀測。

2.3 面板鋼筋應力

在1 050.00 m高程以上面板中部布置單層雙向鋼筋，豎向配筋φ22@20，橫向配筋φ20@20；在1 050.00 m高程以下面板采用雙層雙向配筋，豎向鋼筋φ20@20，橫向鋼筋φ18@20。鋼筋計主要布置在面板受力鋼筋上，共有20支(R1～R20)，分布在橫左0+067.50 m、橫左0+007.50 m及橫右0-052.50 m 3個斷面上，1 058.00 m高程以上布置在順坡向鋼筋上，EL1038按水平向、順坡向布置，1 014.00 m高程以下布置在內外層順坡向鋼筋上。

在面板不同高程共埋設了6組三向應變計，每組應變計旁埋設了1支無應力計。除1組布置在面板中間部位外，其余布置在周邊縫附近。

壩體內部應力通過土壓力計進行監(jiān)測，在橫左0+000.00 m樁號的面板后墊層料內998.00、1 032.00、1 058.00 m 3個高程各布置2支土壓力計，在壩軸線998.00、1 032.00、1 058.00 m 3個高程各布置了1支土壓力計，編號為E1～E9；另外，在大壩縱軸線斷面上兩岸坡位置998.00、1 032.50、1 058.00 m 3個高程，也分別布置2支土壓力計，編號為E10—E21。

3 實測運行性態(tài)分析

3.1 變形

3.1.1表面垂直變形

圖1是大壩壩頂沉降變形過程線，表1是大壩表面典型測點垂直位移極值統(tǒng)計表。從2004年11月(首次觀測)至2016年12月，大壩壩頂最大沉降量為100.17 mm(橫左0+000.00 m，壩頂?shù)腖D5-3)，上游壩面最大沉降量為80.49 mm(LD6-5測點)，下游壩坡最大沉降量為100.62 mm(LD4-2測點)。壩體沉降速率逐年減小，2016年壩頂最大沉降速率為3.02 mm/a，上、下游壩坡最大沉降速率為2.38、3.75 mm/a，目前已基本穩(wěn)定。大壩沉降的分布規(guī)律是：河床大于岸坡，左壩體略大于右壩體，沉降大小基本與壩高相對應，符合堆石壩變形的一般規(guī)律。

圖1 大壩壩頂沉降變形過程線

位置測點編號樁號/m最大值測值/mm日期(年-月-日)歷年沉降量/mm2014年2015年2016年上游壩面1 088.00 m高程LD6-5橫左0+023.0080.492016-12-174.74 3.51 2.38 壩頂LD5-1橫左0+097.0022.332016-11-141.50 1.03 0.51 LD5-2橫左0+045.0094.242016-12-175.73 4.10 2.83 LD5-3橫左0+000.00100.172016-12-175.28 4.44 3.02 LD5-4橫右0-045.0095.262016-12-175.20 4.17 2.96 LD5-5橫右0-082.5076.472016-11-143.95 3.33 2.40 LD5-6橫右0-116.5049.552016-11-142.99 2.61 1.66 下游壩面1 086.00 m高程LD4-2橫左0+045.00100.622016-12-174.24 3.58 3.61

3.1.2表明順河向水平位移

圖2是大壩壩頂順河向變形過程線，表2是大壩壩頂測點順河向位移極值統(tǒng)計表。大壩表面各測點均向下游位移，從2004年11月(首次觀測)至2016年12月，大壩向下游最大位移為79.86 mm(橫左0+000.00 m，壩頂?shù)腖D5-3)。變形速率呈逐漸減小趨勢，2016年壩頂最大順河向變形速率為2.66 mm/a，目前已基本穩(wěn)定。

3.1.3周邊縫變形

圖3是面板周邊縫位移測值過程線，圖4是周邊縫(三向測縫計)極值分布。各測點周邊縫均發(fā)生不同程度的變形，主要發(fā)生在2003年4月蓄水初期，之后趨于收斂。2003—2010年，周邊縫最大沉降量、剪切量、開合度均發(fā)生在J3-16～18(右⑤面板)處，分別為32.5、35.6、27.5 mm；2011年后J3-16～18均已損壞，期間大壩滲流未見異常，周邊縫三向變形不致于周邊縫止水破損。2011年后僅1組三向測縫計(J3-22—J3-24)仍然處于完好狀態(tài)。J3-22—J3-24的最大沉降量、剪切量、開合度分別為17.56 mm(2016年7月8日)、10.96 mm(2016年4月21日)、8.62 mm(2016年2月23日)。

圖2 大壩壩頂順河向位移過程線

測線部位測點編號左右向樁號/m最大測值/mm發(fā)生日期(年-月-日)2016年年位移量/mm壩頂1092.50m高程LD5-1橫左0+097.0010.512016-08-130.27LD5-2橫左0+045.0070.492016-08-132.66LD5-3橫左0+000.0079.862016-08-132.28LD5-4橫右0-045.0070.512016-09-122.41LD5-5橫右0-082.5056.542016-09-121.61LD5-6橫右0-116.5031.812013-06-070.43

3.2 滲流

3.2.1周邊縫滲壓分布

周邊縫滲壓水位典型過程線見圖3—5，周邊縫滲壓水頭分布見圖3—6。位于較高高程的周邊縫滲壓計P10、P11、P13和P14在2011年后最大滲壓水頭為2.65 m，滲壓水頭較小，周邊縫防滲較好；位于河谷中間的周邊縫滲壓計P9和P12滲壓水頭較大，2011年后最大滲壓水頭分別為14.23 m和12.45 m，因其接近河谷中間，其最大滲壓水位分別為981.46 m和981.66 m，與周邊的P2和P5接近，且略低于下游量水堰集水池水位(堰板底高程983.00 m，頂高程983.60 m)。

圖3 面板周邊縫位移測值過程線

1) 測值 單位為mm; 2) X-張開 Y-平面剪切 Z-豎向剪切； 3) 括號內測值為最小值至極大值圖4 周邊縫(三向測縫計)極值分布

圖5 大壩周邊縫滲壓計測值典型過程線

圖6 周邊縫滲壓水頭分布

3.2.2大壩滲流量

圖7是大壩庫水位和滲流量測值過程線。大壩總滲漏量主要受庫水位影響，大壩總滲流量不大，且整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，大壩防滲體系較好。2005—2016年滲流量在3.09～14.61 L/s。與國內外同級別面板堆石壩相比，大壩滲漏量不大，由此反映面板、趾板、帷幕等所組成的防滲體系較好。

a) 庫水位圖7 大壩總滲漏量過程線

b) 滲流量續(xù)圖7 大壩總滲漏量過程線

3.2.3繞壩滲流

圖8是繞壩滲流水位典型過程線，圖9是繞壩滲流孔測值分布。左岸地下水位較高，與蓄水前地勘結論一致。從歷史數(shù)據(jù)看，大部分左岸地下水位孔測值與庫水位相關性不明顯，目前僅PL1-4受庫水位影響，但PL1-4比庫水位低50 m，左岸繞壩滲流不明顯。

a) 上游水位過程線

b) 繞壩滲流孔過程線Ⅰ

c) 繞壩滲流孔過程線Ⅱ圖8 繞壩滲流水位典型過程線

(黑色條柱為2016年12月29日測值，陰影條柱為損壞前的有效測值)圖9 繞壩滲流孔測值分布

3.3 面板鋼筋應力

圖10是面板鋼筋實測應力典型過程線。鋼筋計應力與溫度呈相反的變化規(guī)律，符合鋼筋混凝土熱脹冷縮的一般變化規(guī)律；整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。位于二期面板的測點及一期面板較高部位受溫度影響而年變幅相對較大。

圖10 面板鋼筋實測應力典型過程線

圖11是面板順坡向鋼筋最大壓應力分布等值線。鋼筋應力分布是河床中間壓應力大于兩側，下部大于上部。順坡向一期面板下部壓應力較大，位于993.00 m高程的鋼筋壓應力均超過100 MPa，最大壓應力達126.3 MPa(R14)，內外層鋼筋應力相差不大(不超過5.0 MPa)。

4 結論

a) 通過13 a的運行，大壩變形總量不大，壩頂最大沉降量為100.17 mm，最大順河向位移為79.86 mm，2016年壩頂?shù)淖畲蟪两邓俾蕿?.02 mm/a，最大順河向位移速率為2.66 mm/a，大壩變形已基本穩(wěn)定。

b) 周邊縫最大沉降量、剪切量、開合度均發(fā)生在J3-16—J3-18(右⑤面板)處，分別為32.5、35.6、27.5 mm，2011年后J3-16—J3-18均已損壞，期間大壩滲流未見異常，周邊縫后滲壓均不大，高高程周邊縫后滲壓最大僅為2.65 m，周邊縫防滲較好。

c) 大壩總滲漏量主要受庫水位影響，最大滲流量為14.61 L/s，與國內外同級別面板堆石壩相比，大壩滲漏量不大，面板、趾板、帷幕等所組成的防滲體系較好。

d) 左岸繞壩滲流不明顯。右岸P5w、P7w測孔水位與庫水位有較大的相關性，主要由于右岸邊坡發(fā)育張裂縫，右岸帷幕局部防滲效果不理想，右岸存在一定的繞壩滲流。

e) 鋼筋計應力與溫度呈相反的變化規(guī)律，鋼筋應力分布是河床中間壓應力大于兩側，下部大于上部，符合一般規(guī)律。最大壓應力為126.3 MPa(R14)，小于鋼筋強度，且整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。