雙樹(shù)寺水庫(kù)多年沉降監(jiān)測(cè)與分析

肖 讓，張永玲，梁越力，李 俠，俞海英，吳克倩，鄧浩亮

(1.河西學(xué)院土木工程學(xué)院/河西走廊水資源保護(hù)利用研究所，甘肅 張掖 734000；2.民樂(lè)縣洪水河管理處，甘肅 民樂(lè) 734503)

確保水利工程安全運(yùn)行是做好水利工程運(yùn)行管理工作的核心和落腳點(diǎn)，也是水利工程補(bǔ)短板強(qiáng)監(jiān)管的重要目標(biāo)。土石壩主要特點(diǎn)是地形適應(yīng)性強(qiáng)，所以得到了廣泛的應(yīng)用[1- 3]。根據(jù)大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，危及土石壩安全的主要因素有：過(guò)大變形、不均勻沉降變形和滲透破壞[4]。本次監(jiān)測(cè)主要針對(duì)壩體是否有過(guò)大變形做出分析，根據(jù)土石壩沉降實(shí)測(cè)資料表明，土石壩的沉降過(guò)程在施工填筑期、停工期、竣工期及運(yùn)行期具有明顯的階段性，各時(shí)期的沉降規(guī)律有差異，而且壩體沉降的主要影響因素為庫(kù)水位、土體固結(jié)和溫度等。譚濤通過(guò)研究土石壩填筑期的沉降規(guī)律，得出各測(cè)點(diǎn)的沉降量隨大壩填筑而逐步增加，各測(cè)點(diǎn)沉降過(guò)程線和填筑過(guò)程線相關(guān)性良好，大壩的沉降主要由壩基沉降引起，符合土石壩變形規(guī)律。張社榮，韓啟超等通過(guò)研究土石壩竣工后的沉降規(guī)律，得出壩體同一部位的沉降速率隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減緩，且在填筑完成后的第3年沉降速率已經(jīng)較小，明顯表現(xiàn)出了沉降穩(wěn)定的趨勢(shì)[5- 7]。

鑒于土石壩經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，初步考慮到土體固結(jié)和溫度對(duì)土石壩沉降影響較小，故本文主要分析庫(kù)水位對(duì)大壩沉降的影響。

1 工程概況

雙樹(shù)寺水庫(kù)位于民樂(lè)縣永固鄉(xiāng)上灣村洪水河出山口處，距縣城9km，庫(kù)區(qū)總面積1.2km2。水庫(kù)主要擔(dān)負(fù)著永固、洪水、三堡、六壩4個(gè)鎮(zhèn)的灌溉任務(wù)，是一座以灌溉為主兼顧防洪、發(fā)電的完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)。水庫(kù)工程于1971年1月動(dòng)工興建，1975年11月建成發(fā)揮效益，2003年水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固。大壩為壤土心墻砂礫石混合壩，壩頂長(zhǎng)556.75m，壩頂寬6m，最大壩高58.5m，最大壩底寬295.25m，心墻底寬61.5m，平均高程2423.5m，頂寬4m，心墻頂高程2480.8m，壩頂高程2482m，防浪墻高程2483.73m。

庫(kù)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇洪水校核，洪峰流量852m3/s，50年一遇洪水設(shè)計(jì)，洪峰流量375m3/s，水庫(kù)校核洪水位為2481.73m，設(shè)計(jì)洪水位為2479.61m，總庫(kù)容2580萬(wàn)m3，興利庫(kù)容2380萬(wàn)m3，正常蓄水位2480m，死水位2442m，死庫(kù)容108萬(wàn)m3。

2 監(jiān)測(cè)方法

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為方便監(jiān)測(cè)，大壩表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置在壩頂和下游壩坡處，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置均滿足SL551—2012《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求。監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位置為:從大壩左岸溢洪道作為起始點(diǎn)(0+000)，沿壩頂中軸線依次設(shè)置三個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為BD- 1、BD- 2、BD- 3；沿67馬道(67指馬道高程為2467.000)中軸線依次設(shè)置四個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為67- 1、67- 2、67- 3、67- 4；沿52馬道(52指馬道高程為2452.000)中軸線依次設(shè)置四個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為52- 1、52- 2、52- 3、52- 4[8]。大壩沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)和位置見(jiàn)表1，布置圖如圖1所示。

表1 編號(hào)和位置對(duì)應(yīng)表

圖1 大壩沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 監(jiān)測(cè)方法

3 大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測(cè)年份水位變化分析

對(duì)于西北地區(qū)的流域，每年12月份至次年3月份為結(jié)冰期，期間水位基本不變。從4月份開(kāi)始，由于上游冰雪融化等諸多原因，水庫(kù)來(lái)水增多，庫(kù)水位開(kāi)始上漲， 2014—2016年庫(kù)水整體漲幅程度略小，其他年份庫(kù)水位在一年內(nèi)均有明顯的漲落，如圖2所示。從圖2可以看出，庫(kù)水位每年6月份與9月份前后均有較大程度的漲落，呈“V形”變化趨勢(shì)。其中，6月份庫(kù)水位最低，9月份庫(kù)水位達(dá)到最高，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是水庫(kù)汛期來(lái)水增多、引水發(fā)電和引水灌溉等。為了能較大程度反映庫(kù)水位對(duì)壩體沉降的影響，本次沉降分析只針對(duì)每年4、7、10月份壩體的沉降變形進(jìn)行分析。

圖2 監(jiān)測(cè)年份水位變化圖

3.2 各監(jiān)測(cè)年份壩體沉降數(shù)據(jù)分析

3.2.12013年監(jiān)測(cè)結(jié)果

2013年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降圖如圖3所示。由圖3得出，壩體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均發(fā)生了垂直變形，其中，BD- 1、BD- 2、BD- 3三點(diǎn)隨著月份的增加，沉降量不斷增加，變化值為9mm，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直變形相對(duì)4月份來(lái)說(shuō)，先沉降之后又開(kāi)始恢復(fù)，并且呈現(xiàn)出“回彈”現(xiàn)象。

圖3 2013年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降圖

通過(guò)SPSS軟件，對(duì)年內(nèi)庫(kù)水位變化與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值進(jìn)行相關(guān)分析得出，只有67- 3點(diǎn)處相關(guān)系數(shù)大于0.8，表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)，而其他各點(diǎn)相關(guān)性并不顯著，見(jiàn)表2。分析得出有兩種可能的原因：一是壩體內(nèi)部各部分土石的密實(shí)度、孔隙率等存在差異，在水壓力作用下，變化程度存在差異；二是壩體溫度應(yīng)力仍然存在，在兩種力相互作用下，導(dǎo)致了壩體各部分變形規(guī)律不一。

表2 水位與沉降值相關(guān)分析表

3.2.22014年監(jiān)測(cè)結(jié)果

2014年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降圖如圖4所示，由圖4得出，BD- 1、BD- 2、BD- 3三點(diǎn)在年內(nèi)發(fā)生負(fù)沉降，變形量達(dá)50mm，67、52馬道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在4—7月份期間發(fā)生了明顯的沉降，隨后沉降開(kāi)始恢復(fù)，并且有“回彈”現(xiàn)象，這與2013年沉降規(guī)律一致。對(duì)年內(nèi)水位變化與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降規(guī)律與庫(kù)水位之間相關(guān)性均不顯著見(jiàn)表3。分析得出有兩種可能的原因：一是在發(fā)電、灌溉時(shí)期，來(lái)水與用水量不斷變化，導(dǎo)致庫(kù)水位呈“波形”變化趨勢(shì)，使得壩體沉降規(guī)律不明顯；二是影響壩體沉降的因素不僅僅只與庫(kù)水位有關(guān)，還有其他因素。

圖4 2014年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降圖

表3 水位與沉降值相關(guān)分析表

3.2.32015年監(jiān)測(cè)結(jié)果

2015年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降圖如圖5所示，由圖5得出，該年分內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降規(guī)律與2014年基本一致。對(duì)年內(nèi)水位變化與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)52- 2、52- 3、52- 4三點(diǎn)與庫(kù)水位變化關(guān)系顯著，其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相關(guān)性均不顯著，見(jiàn)表4。分析可能的原因：一是2014與2015年庫(kù)水位變化趨勢(shì)基本一致，二是相鄰年份壩體應(yīng)力狀況基本相同，從而使得壩體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降規(guī)律也表現(xiàn)出一致性。

圖5 2015年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降圖

表4 水位與沉降值相關(guān)分析表

3.2.42016年監(jiān)測(cè)結(jié)果

2016年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降圖如圖6所示，由圖6得出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均發(fā)生沉降，其中，4月份與10月份沉降變化基本穩(wěn)定，沉降值在20mm以內(nèi)，7月份各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降規(guī)律略有差異。對(duì)年內(nèi)水位變化與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)BD- 3、52- 1、52- 2三點(diǎn)與庫(kù)水位變化關(guān)系顯著，其他各點(diǎn)相關(guān)性均不顯著，見(jiàn)表5。分析原因：一是監(jiān)測(cè)環(huán)境對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)影響比較大，二是人為測(cè)量誤差造成的。

圖6 2016年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降圖

表5 水位與沉降值相關(guān)分析表

3.2.52017年監(jiān)測(cè)結(jié)果

2017年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降圖如圖7所示，由圖7得出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均發(fā)生了沉降，而且沉降值在20mm以內(nèi)，除52- 1點(diǎn)外，可能是由于人工測(cè)量誤差造成的。對(duì)年內(nèi)水位變化與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值進(jìn)行相關(guān)分析，BD- 2、67- 2、67- 4、52- 4四點(diǎn)與庫(kù)水位變化關(guān)系顯著，其他各點(diǎn)相關(guān)性均不顯著，見(jiàn)表6。

圖7 2017年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降圖

表6 水位與沉降值相關(guān)分析表

3.2.62018年監(jiān)測(cè)結(jié)果

2018年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降圖如圖8所示，由圖8得出，壩體沉降規(guī)律與2016、2017年內(nèi)沉降變化規(guī)律保持一致性，除個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，年內(nèi)沉降基本趨于穩(wěn)定，沉降值在20mm以內(nèi)。對(duì)年內(nèi)水位變化與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值與庫(kù)水位之間相關(guān)性并不顯著，見(jiàn)表7。

圖8 2018年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降圖

表7 水位與沉降值相關(guān)分析表

4 結(jié)論

(1)從2013—2015年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出，壩體沉降仍然存在，但是壩體各監(jiān)測(cè)位置沉降規(guī)律各異，最大沉降量為58mm，并且有“回彈”現(xiàn)象，造成此現(xiàn)象的原因有：一是壩體內(nèi)部各部分土石的密實(shí)度、孔隙率、含水率等存在差異，在水壓力、浮力和滲透壓力等荷載以及濕化變形作用下，變化程度存在差異；二是壩體內(nèi)部溫度應(yīng)力仍然存在，在幾種力相互作用下，導(dǎo)致壩體各部分變形規(guī)律不一；三是人為監(jiān)測(cè)存在誤差。

(2)從2016—2018年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出，壩體沉降開(kāi)始趨于穩(wěn)定，各監(jiān)測(cè)位置年內(nèi)沉降量基本相同，年沉降量在20mm以內(nèi)，根據(jù)SL551—2012的要求，可以得出壩體為穩(wěn)定狀態(tài)，運(yùn)行狀況良好。

(3)壩體沉降在年內(nèi)表現(xiàn)出明顯“彈性”變形狀態(tài)，在年間則整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，基本沒(méi)有沉降變形，這與張社榮，韓啟超等人研究結(jié)論一致[8]。

(4)土石壩在運(yùn)行階段，仍會(huì)發(fā)生較小的變形，通過(guò)相關(guān)分析，庫(kù)水位不是影響壩體變形的唯一因素，當(dāng)庫(kù)水位變化時(shí)對(duì)下游壩坡影響較小，土體固結(jié)和溫度對(duì)壩體沉降仍然有影響。