馬鹿塘水電站二期工程蓄水初期混凝土面板堆石壩監(jiān)測

劉 偉，覃珊珊

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

由于外荷載不確定性以及施工因素影響，大壩在施工期常發(fā)生不可預(yù)知的變形、開裂以及滲流量過大等安全問題，影響大壩的健康工作狀態(tài)，若不能及時發(fā)現(xiàn)并解決這些問題，最終可能造成難以估計(jì)的損失，大壩施工期監(jiān)測診斷對大壩安全施工有重大意義[1-4]。大壩安全監(jiān)測資料是大壩安全分析、評價和監(jiān)控的主要依據(jù)[5-7]，本文在大壩安全監(jiān)測與應(yīng)用方面做了一些工作，通過大壩安全監(jiān)測，從工程角度分析馬鹿塘水電站在施工期的工作狀態(tài)，依此給出具體的解決建議并及時反饋到下一步施工。

1 工程概況

馬鹿塘水電站位于云南省文山州境內(nèi)最大的河流盤龍河上，麻栗坡縣境內(nèi)，為盤龍河梯級規(guī)劃中的第八個梯級，屬Ⅱ等大(2)型工程，共分兩期開發(fā)建設(shè)。水電站樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、左岸岸邊溢洪道、左岸放空隧洞、右岸引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管道、地下發(fā)電廠房、地面出線場及尾水洞等組成，水庫正常蓄水位627 m，總庫容5.36億m3，電站裝機(jī)容量240 MW。

馬鹿塘水電站二期工程混凝土面板堆石壩壩頂高程634.00 m，最大壩高154 m，壩頂長度約493.40 m。大壩填筑于2007年1月開始，2009年2月底填筑高程630 m接近壩頂，累計(jì)填筑時段約26個月，填筑方量約603萬m3，面板澆筑分兩期完成。大壩于2009年11月10日開始蓄水，開始蓄水時水位為519.0 m，于2009年12月水庫蓄至水位570.0 m左右。2009年12月～2010年3月庫水位基本穩(wěn)定在570～572 m之間，無明顯上升。2010年3月～2010年5月庫水位又逐漸抬升，于2010年5月8日達(dá)到最高水位583.4 m。2010年5月后庫水位逐漸降低，截止2010年7月7日庫水位降低到558.7 m。蓄水過程見圖1。

圖1 大壩蓄水位～時間曲線圖

2 監(jiān)測系統(tǒng)布置

在最大壩高、左右岸地形突變處各布置1個監(jiān)測橫斷面，共3個監(jiān)測橫斷面，樁號分別為壩縱0+141.000、壩縱0+233.159、壩縱0+330.000，在這些斷面上開展大壩變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測工作，典型監(jiān)測儀器布置見圖2。

圖2 最大壩高監(jiān)測斷面監(jiān)測儀器布置圖

2.1 變形監(jiān)測

壩體變形監(jiān)測分為壩體表面變形監(jiān)測和壩體內(nèi)部變形監(jiān)測，壩體內(nèi)部變形監(jiān)測又分為堆石體水平位移和豎直位移(沉降)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測部位不同采用不同的監(jiān)測手段。表面變形監(jiān)測采用視準(zhǔn)線的方法，水平位移采用引張線式水平位移計(jì)監(jiān)測方法，沉降采用水管式沉降儀監(jiān)測方法。

2.2 滲流監(jiān)測

根據(jù)大壩安全監(jiān)測規(guī)范以及大壩實(shí)際情況，對通過壩體和壩基的滲水流量、兩岸壩肩繞壩滲流水位用量水堰監(jiān)測通過壩體和壩基的滲水流量。在下游壩趾建滲流匯集量測系統(tǒng)，用以監(jiān)測水庫蓄水期滲水流量的演變過程和正常高水位時的滲水流量。

為監(jiān)測水庫蓄水后兩岸壩肩繞壩滲流水位，檢驗(yàn)大壩壩肩防滲帷幕的防滲效果，在左右岸邊坡布置水位孔。在最大壩高監(jiān)測斷面的灌漿帷幕下游鉆孔埋設(shè)滲壓計(jì)，監(jiān)測各灌漿孔間帷幕是否連續(xù)，是否有“天窗”存在；檢驗(yàn)在長期高水頭作用下的帷幕耐久性，并測量幕后不同高程的滲水壓力。在最大壩高監(jiān)測斷面的灌漿帷幕下游壩基順河向布置滲壓計(jì)，監(jiān)測壩基的滲水壓力。

在周邊縫布置三向測縫計(jì)的縫下游墊層料中，對應(yīng)地布置坑埋式滲壓計(jì)，以監(jiān)測周邊縫止水防滲效果及縫后滲水壓力狀況。

2.3 應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測

為了解壩體應(yīng)力狀況，在最大壩高監(jiān)測斷面的三個高程的過渡料中及面板與墊層料接觸面布置土壓力計(jì)。為了解混凝土面板的應(yīng)力應(yīng)變及溫度，在面板內(nèi)的不同部位布置混凝土應(yīng)變計(jì)組、無應(yīng)力計(jì)、鋼筋計(jì)和溫度計(jì)。

3 監(jiān)測成果分析

監(jiān)測成果分析主要采用常規(guī)定性分析方法。監(jiān)測資料分析的常規(guī)方法可分為比較法、作圖法、特征值統(tǒng)計(jì)法、測值影響因素分析法等，并在以上分析基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析評價。

3.1 變形監(jiān)測

面板堆石壩壩體的變形總體而言由壩體自重及水壓力產(chǎn)生。壩體填筑期，壩體在自重的作用下以徐變的形式產(chǎn)生沉降及向上下游方向的位移；大壩蓄水后，壩體在自重和庫水壓力的垂直分力作用下產(chǎn)生沉降，在庫水壓力的水平分力作用下，產(chǎn)生向下游的水平變形。

大壩沉降分布圖以及水平位移分布圖如圖3和圖4所示，圖中給出了2010年7月7日最大壩高監(jiān)測斷面522、556、590 m高程分層沉降及水平位移分布，所有監(jiān)測測點(diǎn)所測得的壩體沉降特征值如表1所示。

圖3 最大壩高監(jiān)測斷面壩體沉降分布圖(單位：cm)

圖4 最大壩高監(jiān)測斷面壩體水平位移分布圖(單位：cm)

表1 最大壩高斷面壩體沉降特征值對比表

大壩沉降總體分布規(guī)律為：①河床最大壩高斷面及左右岸監(jiān)測斷面沿同一高程上的沉降分布規(guī)律相似，但河床部位沉降量大于岸坡部位，左岸沉降量大于右岸，壩軸線下游側(cè)沉降大于上游側(cè)。分析認(rèn)為是由于壩體分期填筑，先填的堆石體先密實(shí)，壓縮性較低，變形模量較高，所以壩軸線上游側(cè)沉降前期大，后期幅度減小。另外按照壩體材料分區(qū)，壩軸線上游為主堆石區(qū)，下游為次堆石區(qū)，下游壩料及壓實(shí)要求較上游低，所以總沉降壩軸線下游大于上游。②最大沉降出現(xiàn)在河床斷面壩軸線下游約1/3～1/2壩高處，測值為136.6 cm，與一般面板堆石壩沉降最大點(diǎn)的規(guī)律相符。③根據(jù)表1特征值統(tǒng)計(jì)，蓄水后發(fā)生的沉降平均占總沉降量的17%，一方面說明水壓對堆石體變形有一定的影響，不容忽視，另一方面也表明蓄水以來，由于庫水位不高，時效影響因素即堆石自重作用還在延續(xù)。

大壩水平位移總體分布規(guī)律及特點(diǎn)為：①河床最大壩高斷面及左右岸監(jiān)測斷面沿同一高程上的水平位移分布規(guī)律相似，但在量值上河床斷面大于岸坡斷面，左岸大于右岸。說明水平位移分布規(guī)律與沉降分布總體相似。②壩軸線上游側(cè)堆石體基本為向上游位移，從上游向下游位移量呈遞減趨勢。③壩軸線下游側(cè)堆石體均為向下游位移，越靠近壩體邊緣處位移越大。④向上游最大水平位移出現(xiàn)在河床最大壩高斷面高程522 m上游壩體，為10.6 cm。⑤向下游最大水平位移出現(xiàn)在河床最大壩高斷面高程556 m下游壩坡處，為39.7 cm。⑥根據(jù)表4特征值統(tǒng)計(jì)，蓄水后不同高程堆石體發(fā)生的位移變化不盡相同，556 m(1/2壩高)壩軸線上下游側(cè)堆石體均表現(xiàn)為向下游位移，位移平均占總位移量的33%，變化最為明顯，說明水壓對堆石體變形有一定的影響；蓄水后522 m(1/3壩高)及590 m(2/3壩高)壩軸線下游側(cè)堆石體向下游位移，但壩軸線附近及上游側(cè)堆石體仍向上游位移，也表明蓄水以來，由于水位不高，時效影響因素即堆石自重作用還在延續(xù)。

3.2 滲流監(jiān)測

滲流量和滲水壓力是大壩工作性態(tài)的綜合指標(biāo)，特別是在水庫蓄水期，是評價大壩施工質(zhì)量和判別大壩工作狀態(tài)是否正常的重要依據(jù)。

1)滲流量監(jiān)測。大壩壩體及壩基滲流量通過設(shè)于下游壩腳的量水堰測量，大壩滲流量、庫水位～時間曲線見圖5大壩量水堰于2009年8月3日開始觀測，蓄水前最大滲流量約12 L/s。自2009年11月10日蓄水后，滲流量與庫水位存在密切的相關(guān)性，于2010年5月8日在庫水位達(dá)到最高蓄水位583.4 m時，測得最大滲流量為66.93 L/s。截止2010年7月7日實(shí)測滲流量40.52 L/s，目前滲流量變化平穩(wěn)，處于正常范圍內(nèi)。

圖5 大壩滲流量、庫水位～時間曲線圖

2)帷幕灌漿防滲效果。在大壩河床最大壩高監(jiān)測斷面的灌漿帷幕下游鉆孔，孔深40 m，孔內(nèi)埋設(shè)3支滲壓計(jì)以監(jiān)測灌漿帷幕防滲效果。大壩灌漿帷幕后滲水壓力～時間曲線見圖6。

根據(jù)圖6，蓄水前孔內(nèi)有4.5～45 m的滲水壓力，主要受天然地下水及環(huán)境的影響，滲水壓力隨孔深呈遞增分布。蓄水后，滲水壓力增幅與孔深成正比，最深測點(diǎn)增幅近40 m水頭，約占幕前總水頭的34%。由于幕后水頭偏高，一定程度上反映出測點(diǎn)與庫水間有某種連通或幕底繞滲，但隨著壩前填筑料的固結(jié)及壩前淤積，滲漏會逐漸變小，且根據(jù)目前滲水量，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，滲漏不會危及大壩安全。

圖6 大壩帷幕后滲水壓力～時間曲線圖

3)周邊縫止水防滲效果。大壩周邊縫后墊層料內(nèi)滲水壓力～時間曲線見圖7。根據(jù)圖7，蓄水前周邊縫后大部分測點(diǎn)處于無水狀態(tài)，僅是河床部位個別測點(diǎn)反映承受較小的水壓。蓄水后，河床部位P-06、P-07測點(diǎn)測值變化與帷幕后鉆孔內(nèi)滲壓計(jì)相符，也表現(xiàn)為隨庫水位上升顯著增長，與庫水位同步變化。但由于同處河床部位的P-04、P-05測點(diǎn)測值蓄水后未有明顯變化，表明止水失效可能性不大，主要還是由于帷幕防滲局部較弱的原因?qū)е隆?/p>

圖7 大壩周邊縫后滲水壓力～時間曲線圖

3.3 應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測

1)壩體應(yīng)力。過渡料中及混凝土面板與墊層料坡面之間典型土壓力計(jì)應(yīng)力～時間曲線如圖8所示。監(jiān)測成果顯示，蓄水前，由于壩體填筑過程中堆石體變形對面板的擠壓作用，使得面板下游墊層料及過渡料承受壓應(yīng)力，該壓應(yīng)力隨著填筑高程升高呈現(xiàn)增長趨勢，最大測值出現(xiàn)在最大壩高斷面522 m高程處，大小為0.21 MPa；蓄水后，隨著庫水位提高，面板下游墊層料及過渡料承受壓應(yīng)力也相應(yīng)提高，與庫水位表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，最大測值也出現(xiàn)在斷面522 m高程處，大小為0.79 MPa，蓄水前后，所監(jiān)測到最大壓應(yīng)力值相差0.50 MPa。

圖8 大壩壩體土壓力計(jì)應(yīng)力～時間曲線圖

2)面板鋼筋應(yīng)力。面板施工期，面板內(nèi)鋼筋計(jì)應(yīng)力主要受溫度變化影響，與溫度呈負(fù)相關(guān)的變化規(guī)律，溫度降低，鋼筋應(yīng)力增大；溫度升高，鋼筋應(yīng)力減小。岸坡以受拉為主，河床以受壓為主,面板鋼筋應(yīng)力分布與面板拉壓區(qū)基本吻合。蓄水后，鋼筋應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力增大，說明蓄水水壓使面板產(chǎn)生壓縮變形。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在R-09測點(diǎn)，測值為91.2 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在R-18測點(diǎn)，測值為-103.5 MPa。

3)面板混凝土應(yīng)變。面板施工期，面板內(nèi)混凝土應(yīng)變主要受溫度變化影響，與溫度呈負(fù)相關(guān)的變化規(guī)律，溫度降低，向拉應(yīng)變變化；溫度升高，向壓應(yīng)變變化。蓄水后，受水壓作用，面板混凝土應(yīng)變以壓應(yīng)變?yōu)橹?，在河床局部存在拉?yīng)變。以目前監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在河床底部的S4-02應(yīng)變計(jì)組，測值為-383.6 με；最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在河床中部的S2-03應(yīng)變計(jì)組，測值為166.8 με。

4)面板混凝土溫度。由于水泥水化熱作用，溫度測點(diǎn)在初期監(jiān)測到一個快速升溫過程，最高溫度達(dá)到44.8℃。隨著水泥水化熱的散發(fā)，測點(diǎn)溫度呈現(xiàn)一個比較明顯的降溫階段，直到達(dá)到穩(wěn)定溫度。面板混凝土溫度變化主要受季節(jié)氣溫影響，目前面板各部位穩(wěn)定溫度介于20～35℃間。

4 結(jié) 語

綜上所述，通過對馬鹿塘水電站二期工程面板堆石壩各監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，初步得到以下結(jié)論：①該面板堆石壩壩體的實(shí)測變形較大，但測值總體變化及分布基本合理，符合一般規(guī)律；②帷幕后壩基滲水壓力偏大，而且與庫水位有很強(qiáng)的相關(guān)性，雖然基本可排除周邊縫止水失效，但推測幕后與庫水間有某種連通或幕底繞滲，但隨著壩前填筑料的固結(jié)及壩前淤積，滲漏會逐漸變?。虎蹜?yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)受蓄水條件影響不大，測值在允許范圍內(nèi)，變化過程符合一般規(guī)律，目前處于平穩(wěn)狀態(tài)；④通過上述分析，表明馬鹿塘水電站二期工程面板堆石壩的各監(jiān)測量均符合土石壩的一般規(guī)律，目前大壩工作正常。

鑒于自蓄水以來庫水一直處于較低水位(2010年5月8日達(dá)最高水位，為583.4 m，2010年7月7日水位為558.7 m)，遠(yuǎn)低于正常蓄水位627 m。在目前庫水位條件下壩體變形已較大，而且壩體變形的時效作用仍將延續(xù)，因此，在下階段水位上升過程中，必須加強(qiáng)大壩的變形和滲流等監(jiān)測工作，并及時對監(jiān)測資料進(jìn)行分析反饋，以便采取相應(yīng)對策。