昌馬水庫大壩安全監(jiān)測資料分析

李俊堂

（甘肅省疏勒河流域水資源局，甘肅玉門735211）

1 概述

甘肅省昌馬水庫樞紐工程是以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧工業(yè)供水、水力發(fā)電等綜合利用的Ⅱ等大（2）型水庫樞紐工程，主要建筑物包括壤土心墻砂礫石壩、泄洪排砂洞、溢洪道、引水發(fā)電洞和壩后發(fā)電廠房等。大壩為壤土心墻砂礫石壩，最大壩高54.8 m；溢洪道位于左岸，泄槽寬25 m，全長366.35 m，最大泄洪流量1 570 m3/s。排砂泄洪洞位于右岸，襯砌后洞徑8 m，洞長398 m（其中明洞長100 m)，最大泄洪流量1 014 m3/s；發(fā)電輸水洞位于左岸，襯砌后洞徑5.5 m，洞長499.2 m，引水流量68.2 m3/s。水庫總庫容1.934億m3，水電站總裝機(jī)容量2.075萬kW。大壩、泄洪排砂洞、溢洪道為2級建筑物，引水發(fā)電洞和壩后發(fā)電廠房按4級建筑物設(shè)計，下游消能防沖等永久性次要建筑物為3級建筑物。按100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2 000年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。水庫主體工程于1997年10月開工，2001年12月下閘蓄水并發(fā)揮灌溉效益，2002年11月首臺機(jī)組發(fā)電，2003年9月主體工程全部完工，2008年4月完成竣工驗收。

2 水庫大壩的安全監(jiān)測設(shè)計

2.1 監(jiān)測目的和設(shè)施

主要是用以監(jiān)測建筑物安全、掌握運(yùn)行規(guī)律、指導(dǎo)管理和運(yùn)行，保證大壩運(yùn)行安全，昌馬水庫大壩主要設(shè)立如下安全監(jiān)測項目。

變形監(jiān)測：分為表面變形監(jiān)測和內(nèi)部變形監(jiān)測兩部分。表面變形監(jiān)測：橫向水平位移采用視準(zhǔn)線法觀測，豎向位移采用精密水準(zhǔn)法觀測，觀測點22個。內(nèi)部變形監(jiān)測分為內(nèi)部水平位移監(jiān)測和內(nèi)部沉降監(jiān)測。內(nèi)部水平位移采用水平位移計觀測，觀測點7個，內(nèi)部豎向位移采用水管式沉降儀觀測，觀測點8個。

滲流監(jiān)測：壩體壩基滲透壓力監(jiān)測采用滲壓計及測壓管進(jìn)行。繞壩滲流，在右岸設(shè)立4個測壓管，用電測水位計進(jìn)行水位監(jiān)測。滲流量：觀測壩體、壩基及繞滲水量，在下游排水溝設(shè)置一個量水堰。

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測：壩體和壩基土壓力監(jiān)測。安裝土壓力計7個、土應(yīng)變計12個。

水位監(jiān)測：在溢洪道閘前設(shè)置雷達(dá)水位計監(jiān)測水位。

2.2 排砂泄洪洞監(jiān)測

工作閘室布置鋼筋計、鋼板計及應(yīng)變計。鋼板計布置4支，應(yīng)變計布置14支，用于測量閘墩主應(yīng)力分布情況。排砂洞洞身共布置8個監(jiān)測斷面，應(yīng)力計埋設(shè)在斷面腰線上部5個位置的襯砌混凝土中。滲壓計埋設(shè)在帷幕灌漿下游巖體中。

2.3 右岸邊坡監(jiān)測

右岸山體主要進(jìn)行變形監(jiān)測及滲流監(jiān)測。變形監(jiān)測采用測斜儀及多點變位計來實現(xiàn)。測斜孔布置在排砂泄洪洞塌方段右岸山體，多點變位計主要布置5套4點式多點位移計。滲流監(jiān)測采用滲壓計實現(xiàn)，共4個觀測孔，7個測點，以便觀測隧洞外水壓力變化、右岸防滲帷幕的效果以及繞壩滲流情況。

3 監(jiān)測系統(tǒng)完備性和可靠性評價

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)完備性評價

昌馬水庫大壩安全監(jiān)測項目滿足規(guī)范要求，監(jiān)測布置合理，能有效反映大壩運(yùn)行狀態(tài)。目前水庫已有監(jiān)測項目包括大壩表面變形監(jiān)測、大壩滲透壓力監(jiān)測、大壩滲流量監(jiān)測、上下游水位監(jiān)測、氣溫監(jiān)測及排砂洞應(yīng)力應(yīng)變與滲流監(jiān)測。各監(jiān)測項目基本運(yùn)行正常，監(jiān)測頻次滿足規(guī)范要求，資料整編及時合理。因此，昌馬水庫監(jiān)測系統(tǒng)完備。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)可靠性評價

昌馬水庫儀器選型合理，且布置滿足監(jiān)測要求。大壩表面變形、滲流監(jiān)測及泄洪排砂洞監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)性、一致性、相關(guān)性較好；數(shù)據(jù)精度基本滿足監(jiān)測要求；監(jiān)測數(shù)據(jù)能反應(yīng)大壩的正常運(yùn)行規(guī)律。監(jiān)測系統(tǒng)基本可靠。

4 大壩安全監(jiān)測資料分析

4.1 大壩填筑及蓄水關(guān)鍵時段劃分

工程于2001年12月17日首次下閘蓄水，2003年水庫最高蓄水位達(dá)到1 996.2 m，2003年進(jìn)行的水庫放空試驗和溢洪道過流試驗標(biāo)志著昌馬水庫蓄水達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。2004年最高蓄水位達(dá)到1 998.02 m，2005年最高蓄水位達(dá)到2 000.8 m。隨著時間的推移，水庫最高蓄水位在小范圍內(nèi)波動。2017年12月30日，實測水庫水位為1 995.87 m。從監(jiān)測時間來看，大壩安全監(jiān)測儀器始測時間為2003年。結(jié)合土石壩填筑及蓄水運(yùn)行過程，選取關(guān)鍵時段對大壩監(jiān)測資料進(jìn)行分階段分析。

大壩關(guān)鍵時段劃分為三段，分別是施工期、初蓄期和運(yùn)行期。施工期是從監(jiān)測設(shè)施施工起，到水庫首次蓄水為止，分為2個階段，填筑期（2001年主體竣工前）和施工后期（下閘蓄水前2001年12月前）；初蓄期是指從水庫首次蓄水至接近正常蓄水位后再持續(xù)3年，2007年9月以前；運(yùn)行期為初蓄期以后至2017年10月。從蓄水變化情況來看，在2001年12月水庫蓄水后，2003年已接近設(shè)計蓄水位，隨后水庫進(jìn)行了放空試驗。2004年和2005年蓄水高度逐步增加至設(shè)計蓄水位，初蓄期和運(yùn)行期包括水位相對平穩(wěn)的水位穩(wěn)定階段（2003年以后）。

4.2 大壩安全性態(tài)評價

本工程安全監(jiān)測資料始測日期最早為2003年1月，終測日期最晚為2017年12月。為了便于分析，根據(jù)大壩施工過程及蓄水運(yùn)行過程，將大壩運(yùn)行分為2個關(guān)鍵時期，通過分析各個時期變形、滲流監(jiān)測資料，對大壩穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

4.2.1 變形監(jiān)測 監(jiān)測資料表明，運(yùn)行期大壩壩頂表面變形測點水平位移基本朝下游方向。水平位移速率在0.01 mm/d以下，垂直位移速率也在0.01 mm/d以下，垂直位移量在250 mm以下。1 975.30 m高程運(yùn)行期除W1測點2008年6月位移突然增大20.0 mm（測點突變可能受儀器擾動影響），其他測點均在誤差范圍內(nèi)波動。受儀器老舊精度下降影響，2013年后測值出現(xiàn)較大范圍波動。截至2017年12月，最大（W1）累計位移在40.0 mm左右。1 990.30 m高程測點各位移呈現(xiàn)逐步減小趨勢，運(yùn)行期各測點位移逐步趨于穩(wěn)定，截至2014年12月，累計位移在-20.0 mm以內(nèi)，2014年后受儀器老舊影響測值出現(xiàn)較明顯波動。

4.2.2 滲流監(jiān)測

4.2.2.1 大壩滲流。位于心墻內(nèi)靠近上游測壓管D1滲透壓力接近水庫水位，在1 990.00 m高程左右，與水庫水位呈明顯相關(guān)變化，心墻下游D3測點水位在1 965.00 m高程附近。心墻中部D2測點及下游各測點滲壓水位在1 950.00 m高程左右。水庫正常運(yùn)行后，各測點水位均未出現(xiàn)進(jìn)一步增大趨勢。大壩心墻運(yùn)行情況良好，起到明顯的防滲作用。

大壩內(nèi)布置滲壓計整體呈現(xiàn)由上游至下游遞減趨勢，滲透壓力與水庫水位相關(guān)程度亦呈上游向下游遞減趨勢。這一規(guī)律符合一般大壩滲透壓力分布情況。心墻下游各測點滲壓水頭在1 962.00 m高程以下，且進(jìn)入運(yùn)行期后各測點滲透壓力測值基本穩(wěn)定。認(rèn)為該部位心墻起到了較好的防滲效果，大壩各部位防滲工程運(yùn)行情況良好。

4.2.2.2 繞壩滲流。左岸各測壓孔測點均在1 980.00 m高程附近，隨水庫水位小幅波動，左岸壩肩可能存在繞滲。水庫蓄水后歷年測值顯示，左岸各測壓管水位測值呈周期變化，繞滲未見進(jìn)一步增大趨勢。右岸位于上游側(cè)壩軸線測點自水庫蓄水后水位均在1 995.00 m高程變化，測值變化與水庫水位相關(guān)性良好。位于下游測點水位在1 965.00 m高程以下，測值與水庫水位相關(guān)性不明顯。自水庫蓄水以來，各測點測值基本穩(wěn)定，未出現(xiàn)水位明顯增大趨勢。

水庫初蓄期壩后量水堰滲流量在0～30 L/s，測值與水庫水位變化有一定相關(guān)性。進(jìn)入運(yùn)行期后，滲流量逐步減小。2010年后，滲流量在5.0 L/s以內(nèi)，流量與水庫水位相關(guān)性不明顯。

綜上所述，大壩表面及內(nèi)部變形基本符合土石壩一般變形規(guī)律；運(yùn)行期各位移測點基本穩(wěn)定，均未出現(xiàn)明顯變形趨勢。壩基滲透壓力分布規(guī)律符合一般心墻壩滲壓分布，運(yùn)行期各測點已基本穩(wěn)定。左岸山體測壓管水位偏高，水位變化過程與上游水庫水位有一定相關(guān)性，運(yùn)行期左岸地下水位測值未見進(jìn)一步上升。運(yùn)行期心墻及反濾層土體應(yīng)力應(yīng)變測點隨水庫水位呈周期變化，各測點測值穩(wěn)定，均未出現(xiàn)突變及異常情況。因此，昌馬水庫大壩目前運(yùn)行情況整體良好，大壩安全性態(tài)正常，后期工作中針對左岸繞壩滲流情況應(yīng)予以持續(xù)關(guān)注。

4.2.3 泄洪排砂洞滲透壓力及應(yīng)力應(yīng)變 右岸泄洪排砂洞0+199.00斷面滲壓計隨水庫水位呈明顯變化，水頭在2.5～25 m范圍內(nèi)波動。運(yùn)行期各測點測值基本穩(wěn)定。水庫運(yùn)行期內(nèi)泄洪排砂洞各應(yīng)力應(yīng)變測點隨水庫調(diào)度呈周期變化。各部位應(yīng)力應(yīng)變均未見明顯突變及異常。綜上所述，泄洪排砂洞整體運(yùn)行情況良好。

5 問題與建議

水庫目前已運(yùn)行16年，運(yùn)行至今未對各監(jiān)測儀器進(jìn)行檢驗，為確保儀器運(yùn)行正常，建議對本工程所有安全監(jiān)測儀器進(jìn)行系統(tǒng)檢查及檢驗。

在環(huán)境監(jiān)測項目中，缺乏準(zhǔn)確有效的氣溫、雨量監(jiān)測，建議完善環(huán)境監(jiān)測設(shè)施，在大壩下游選取合理位置設(shè)置簡易氣象站，監(jiān)測壩址區(qū)降雨量、溫濕度及風(fēng)速。

大壩右岸各監(jiān)測設(shè)施老化、落后、測量精度較差，沒有實現(xiàn)自動化，建議對監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行全面升級改造，實現(xiàn)自動化監(jiān)測。