白石水庫大壩安全監(jiān)測資料數(shù)據(jù)分析

張研宇

(遼寧省白石水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽 122000)

1 水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 工程概況

白石水庫位于遼寧省北票市上園鎮(zhèn)附近的大凌河干流，是干流上唯一的大(1)型控制性骨干工程。大壩及樞紐主要建筑物為1級建筑物，洪水重現(xiàn)期按500a一遇洪水設(shè)計，5000a一遇洪水校洪[1-3]。白石水庫于1996年9月正式開工，1999年9月下閘蓄水，2000年底完工。

白石水庫總庫容為16.45億m3，興利庫容為8.70億m3。大壩為碾壓混凝土重力壩(RCD)，壩頂高程134.3m，最大壩高49.3m，壩頂長513m，壩體分為32個壩段，編號為0#-31#壩段。設(shè)置11個溢流表孔，12個泄洪排沙底孔，二級城市取水管，3條引水發(fā)電壓力鋼管，壩后地面式電站廠房。

1.2 安全監(jiān)測布置

白石水庫大壩設(shè)置有變形、滲流、壩體應(yīng)力應(yīng)變、溫度、環(huán)境量等監(jiān)測項目，具體監(jiān)測項目布置情況如下：①壩頂變形監(jiān)測：布置2條三維倒垂線和1套真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，安裝2臺三維垂線坐標(biāo)儀、30個激光監(jiān)測點；②壩基變形監(jiān)測：布置2條三維倒垂線，1條引張線和1套靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，安裝2臺三維垂線坐標(biāo)儀，19臺引張線儀，14臺靜力水準(zhǔn)儀；③壩體越冬預(yù)留縫監(jiān)測：在24#、26#壩段各布置3支差阻式測縫計(均已損壞失效)；④基巖變位監(jiān)測：在9#壩段基礎(chǔ)廊道的上、下游各布置1組差動變壓式多點基巖變位計(已經(jīng)失效)；⑤壩基揚壓力監(jiān)測：布置1個縱向揚壓力監(jiān)測斷面和3個橫向揚壓力監(jiān)測斷面，共47個揚壓力監(jiān)測點；⑥壩體、壩基滲流監(jiān)測：設(shè)置壩體排水孔109個，壩基排水管244個，安裝3套量水堰和3套集水井測量控制裝置；⑦繞壩滲流監(jiān)測：共設(shè)置13個繞壩滲流監(jiān)測孔，右岸4個(其中RY1未安裝儀器)，左岸9個；⑧壩體應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測：壩體混凝土施工時，安裝了55支差阻式溫度計、4組5向差阻式應(yīng)變計、4支差阻式無應(yīng)力計、4支差阻式應(yīng)力計，共83支內(nèi)觀儀器；⑨環(huán)境量監(jiān)測：包括庫水位監(jiān)測、降水量監(jiān)測和氣溫監(jiān)測等。

目前，白石水庫已實現(xiàn)安全監(jiān)測自動化，除環(huán)境用水量使用水情部門提供的數(shù)據(jù)外，接入安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中的測點數(shù)量共計215個，自動化采集頻率為2次/d。

1.3 系統(tǒng)無故障時間與數(shù)據(jù)采集缺失率

自動化系統(tǒng)可靠性可用平均無故障時間進行考核，平均無故障時間(MTBF)是指兩次相鄰故障間的正常工作時間，其計算公式如下：

(1)

式中：ti、ri為考核期內(nèi)設(shè)備i的工作時數(shù)和出現(xiàn)故障的次數(shù)；n為系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備總數(shù)。結(jié)果顯示，水庫自動化系統(tǒng)平均無故障時間為6480h(≥6300h)，滿足規(guī)范要求。

數(shù)據(jù)采集缺失率是指在考核期內(nèi)未能測得的數(shù)據(jù)個數(shù)與應(yīng)測得的數(shù)據(jù)個數(shù)之比，錯誤測值與超一定誤差范圍的測值也作為缺失數(shù)據(jù)，表達式為：

η=ρ/ω×100%

(2)

式中：η為數(shù)據(jù)采集缺失率；ρ、ω為未能測得和應(yīng)測得的數(shù)據(jù)個數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果如表1。

表1 自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)缺失統(tǒng)計

通過計算，2019年水庫自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集缺失率為7.79%，超過規(guī)范規(guī)定(≤2%)，建議加強對自動化系統(tǒng)的維護，同時應(yīng)及時對出現(xiàn)故障的儀器進行維修。

2 資料數(shù)據(jù)分析

2.1 壩頂變形監(jiān)測分析

1)壩頂水平位移觀測。壩頂三維倒垂線、壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)組成了壩頂水平位移監(jiān)測系統(tǒng)，其中壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)共有傳感器30個，測點編號為DJ1-DJ30，用于監(jiān)測壩頂1#-30#壩段相對于0#以及31#壩段的水平位移。根據(jù)觀測成果可知：壩頂向下游最大水平位移為7.39mm，出現(xiàn)在2019年12月30日，對應(yīng)測點為JD12；壩頂向上游最大水平位移為7.39mm，出現(xiàn)在2019年12月30日，對應(yīng)測點為JD12。

壩頂水平位移過程線如圖1，從監(jiān)測成果可以看出：①2017年壩頂最大水平位移為7.29mm，出現(xiàn)在2017年12月20日，對應(yīng)測點為JD12；2018年壩頂最大水平位移為7.39mm，出現(xiàn)在2018年12月20日，對應(yīng)測點為JD12；2019年壩頂最大水平位移出現(xiàn)在JD12,與2017-2018年的位置相近，且出現(xiàn)的時間在冬季，最大位移較2017-2018年相差不大。②壩頂水平位移各測點變化趨勢相同，與2017-2018年相比無明顯變化，其中壩頂中部的測點比靠近兩端測點的位移變化量大。③壩頂水平位移受庫水位變化的影響較小，受環(huán)境溫度的影響較為顯著，主要表現(xiàn)為在高溫季節(jié)向上游移動，在低溫季節(jié)向下游移動，隨溫度的升降呈周期性變化；且壩頂水平位移量與環(huán)境溫度的變化成正比，環(huán)境溫度變化越大，水平位移量也相應(yīng)的增大[4-6]。

圖1 壩頂水平位移過程線

壩頂三維倒垂線共有傳感器2個，坐標(biāo)儀編號IP1、IP2，用于監(jiān)測0#以及31#壩段壩頂3個方向的絕對空間位移。壩頂三維倒垂線系統(tǒng)觀測成果見表2和表3。根據(jù)觀測成果可知：在X向最大水平位移為-39.16mm(表現(xiàn)為向上游變形)，最大變化量為1.72mm；在Y向最大水平位移為-4.90mm(表現(xiàn)為向右岸移動)，最大變化量為3.48。

表2 壩頂X向水平位移特征值統(tǒng)計表 mm

表3 壩頂Y向水平位移特征值統(tǒng)計表 mm

2)壩頂垂直位移。壩頂垂直位移監(jiān)測系統(tǒng)由壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、壩頂三維倒垂線組成，壩頂精密水準(zhǔn)網(wǎng)校核。壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)共有傳感器30個，測點編號為DJ01-DJ30，用于監(jiān)測壩頂1#-30#壩段相對于0#以及31#壩段的相對垂直位移。從年度觀測成果來看，壩頂最大垂直位移為-8.68mm，發(fā)生在2019年09月29日，測點編號為JD28。

真空準(zhǔn)直系統(tǒng)相對垂直位移過程線如圖2，從觀測成果可知：①2017年壩頂垂直位移在-4.38-4.24mm之間變化；2018年垂直位移在-7.09-4.36mm之間變化；2019年垂直位移在-8.68-4.36mm之間變化較2017-2018年無較大變化且出現(xiàn)的位置相近。②各測點變化基本相同，與2017-2018年變化趨勢基本一致，主要表現(xiàn)為隨環(huán)境溫度呈周期性變化；當(dāng)環(huán)境溫度升高，測點位移趨于上升，表現(xiàn)為垂直向上；當(dāng)環(huán)境溫度降低，測點位移趨于下沉，表現(xiàn)為垂直向下；且壩頂垂直位移量與環(huán)境溫度的變化成正比，環(huán)境溫度變化越大，水平位移量也相應(yīng)增大符合混凝土壩變形的一般規(guī)律。

圖2 壩頂垂直位移過程線

壩頂三維倒垂線共有傳感器2個，坐標(biāo)儀編號IP1、IP2，用于監(jiān)測0#以及31#壩段壩頂三個方向的絕對空間位移。三維垂線垂直位移觀測成果見表4，從觀測成果可以看出：最大垂直位移為12.43mm。

表4 壩頂垂直位移特征值統(tǒng)計表 mm

2.2 壩基變形監(jiān)測分析

1)壩基水平位移。壩基水平位移監(jiān)測系統(tǒng)由廊道引張線系統(tǒng)、廊道三維倒垂線組成。廊道引張線系統(tǒng)共有傳感器19個，測點編號為EX7-EX25，用于監(jiān)測7#-25#壩段相對于6#以及26#壩段的壩基水平位移。根據(jù)觀測成果可以得知：壩基最大水平位移為46.69mm，發(fā)生在2019年03月28日，測點編號為EX19。

引張線系統(tǒng)水平位移過程線見圖3，從觀測成果可知：①2017年壩基最大水平位移為44.58mm，發(fā)生在2017年12月10日，測點編號為EX19；2018年壩基最大水平位移為壩基最大水平位移為44.96mm，發(fā)生在2018年12月12日，測點編號為EX19；2019年壩基最大水平位移較2017-2018年相差很小，且最大水平位移出現(xiàn)的時間相近(均出現(xiàn)在冬季)，均出現(xiàn)在測點EX19。②排除人為干預(yù)，壩基水平位移各測點變化趨勢基本一致，較2017-2018年無較大變化，過程線表現(xiàn)平穩(wěn)，表明壩基水平位移穩(wěn)定[7,8]。

圖3 壩基相對水平位移過程線

廊道三維倒垂線共有傳感器2個，坐標(biāo)儀編號為IP3、IP4，用于監(jiān)測6#以及26#壩段壩基X向和Y向絕對水平位移。壩基三維倒垂線系統(tǒng)的觀測成果見表6和表7。根據(jù)觀測成果可知：壩基三維倒垂線系統(tǒng)向下游最大位移為0.14mm，向上游最大位移為-0.06mm；向左岸最大位移為0.41mm，向右岸最大位移為-1.57mm。

表6 壩基X向水平位移特征值統(tǒng)計表 mm

表7 壩基Y向水平位移特征值統(tǒng)計表 mm

2)壩基垂直位移。壩基垂直位移監(jiān)測系統(tǒng)由靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)、三維倒垂線組成，廊道精密水準(zhǔn)網(wǎng)校核。下沉為正，上升為負。壩基靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)共有傳感器14個，測點編號為SL6、SL8-SL10、SL12、SL14、SL16-SL18、SL20、SL22、SL24-SL26，用于監(jiān)測7#-25#壩段相對于6#以及26#壩段的垂直位移。根據(jù)觀測成果可知：壩基最大垂直位移為27.69mm，發(fā)生在2019年09月18日的SL24。

壩基垂直位移觀測過程線見圖4，從觀測成果可以看出：①2017年壩基最大垂直位移為25.51mm，發(fā)生在2017年10月22日的SL24；2017年壩基最大垂直位移為26.69mm，發(fā)生在2018年10月31日的SL24；2019年壩基最大垂直位移與2017-2018年出現(xiàn)的位置相同，時間接近且較2017-2018年垂直位移無明顯變化。②各測點變形趨勢基本一致，均呈下沉趨勢，表明壩基整體表現(xiàn)為下沉。

圖4 壩基相對垂直位移過程線

壩基三維倒垂線共有傳感器2個，坐標(biāo)儀編號IP3、IP4，用于監(jiān)測于6#及26#壩段的垂直位移，下沉為正，上升為負。壩基三維倒垂線系統(tǒng)觀測成果見表8。根據(jù)特征值統(tǒng)計表可知：壩基三維倒垂線系統(tǒng)最大垂直位移為-0.35mm，表現(xiàn)為上升。

表8 壩基垂直位移特征值統(tǒng)計表 mm

2.3 壩基揚壓力監(jiān)測

在壩基共布置47個揚壓力監(jiān)測點，其中共36個縱向揚壓力測點；11個橫向楊壓力測點。

1)壩基縱向揚壓力。壩基縱向揚壓力監(jiān)測系統(tǒng)共有傳感器36支，測點編號為UP0-UP35。根據(jù)觀測成果得知：壩基縱向揚壓力最高水位為135.43m(水頭高8.06m)，出現(xiàn)在2019年12月05日，對應(yīng)測點為UP1；全年縱向揚壓力最大變化量發(fā)生在UP28，變化量為5.61m。

.壩基縱向揚壓力過程線見圖5，縱向揚壓力分布見圖6，從觀測成果可以看出：①靠近兩岸壩肩測點的水位相對較高，揚壓力呈明顯的V型分布(見圖3-70)，其中靠近山體兩側(cè)的測壓管UP1-UP4(左岸)和UP31-UP35(右岸)受到兩岸山體水力坡降的影響，其水位相對較高且呈現(xiàn)出越靠近山體水位越高的規(guī)律(見圖3-28和圖3-35)。②各測點測值較2017-2018年無較大變化，雖然其中大部分測點測值與庫水位具有相關(guān)性，且當(dāng)庫水位超過115m后，相關(guān)性更加明顯，但是除受水力坡降影響的測點外，其余測點的水位遠低于庫水位，表明壩基縱向揚壓力穩(wěn)定。③鑒于UP0測值變化很大、UP30的測值與歷史測值不連續(xù)的現(xiàn)象，建議在檢查儀器的工作狀態(tài)和核實數(shù)據(jù)有效性的同時，對儀器進行修復(fù)或更換，并加強自動化系統(tǒng)的維護，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性及完整性。

圖5 壩基縱向揚壓力過程線

圖6 壩基縱向揚壓力分布圖

2)壩基橫向揚壓力。

壩基橫向揚壓力監(jiān)測系統(tǒng)按照橫向廊道共布置3個監(jiān)測斷面，共有傳感器11支，測點編號分別為UP09-1-UP09-4、UP16-1-UP16-4、UP24-1-UP24-3。根據(jù)壩基橫向揚壓力的觀測成果可以得知：壩基橫向揚壓力最高水位為117.94m，出現(xiàn)在2019年04月02日，對應(yīng)測點為UP16-1；全年橫向揚壓力水位最大變化量發(fā)生在UP9-1，變化量為5.92m。

壩基橫向揚壓力過程線見圖7，橫向揚壓力分布見圖8，從觀測成果可以看出：各測點測值較2016-2017年無異常變化，其中9#壩段和16#壩段位于帷幕上游的測點UP9-1和UP16-1與庫水位顯著相關(guān)，過程線隨庫水位升降有一定的變化，位于帷幕下游的測點UP9-2-UP9-4、UP16-2-UP16-4、UP24-1-UP24-3不受庫水位的影響，測值全年變化較小，過程線表現(xiàn)平穩(wěn)，同時帷幕下游測點的水位明顯低于上游測點的水位，表明揚壓力水位通過帷幕有很大折減，帷幕防滲效果良好。

圖7 壩基橫向揚壓力過程線

圖8 壩段壩基橫向揚壓力分布圖

2.4 繞壩滲流監(jiān)測

為監(jiān)測大壩兩岸的繞壩滲流，在大壩兩岸共布設(shè)了13個繞壩滲流監(jiān)測孔，其中在壩右安設(shè)了3支孔隙水壓力計(RY1監(jiān)測孔未安裝儀器時已封填)，測點編號為RY2-RY4；在壩左安設(shè)了9支孔隙水壓力計，測點編號為RZ1-RZ9。繞壩滲流觀測成果見表9，根據(jù)觀測成果可知：壩右繞滲最高水位為133.11m，出現(xiàn)在2018年07月16日，對應(yīng)測點為RY4；壩左繞壩滲流最高水位發(fā)生在2018年01月26日，最高水位為149.56m，對應(yīng)測點為RZ8。

表9 繞壩滲流特征值統(tǒng)計表 m

根據(jù)繞壩滲流監(jiān)測結(jié)果：RY2-RY4、RZ2-RZ5可能受降雨時山體內(nèi)滲水的影響，其測值在降雨集中時段均出現(xiàn)不同程度的波動，建議在降雨集中時段關(guān)注上述測點水位的變化；鑒于現(xiàn)場的工況復(fù)雜，建議加強自動化的維護，保證現(xiàn)有儀器的正常運行。其中，RY4從2018年07月24日開始測值在穩(wěn)定在232左右；RZ3、RZ4，從2018年08月11日開始測值在211.08-218.05范圍內(nèi)變化；上述測點測值明顯為異常測值，故剔除。RZ5經(jīng)檢查反饋，數(shù)據(jù)采集的線路可能出現(xiàn)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常；RZ8監(jiān)測孔有塌孔現(xiàn)象，可能造成數(shù)據(jù)異常。

3 結(jié) 論

根據(jù)白石水庫2019年壩頂變形、壩基變形、壩基揚壓力、繞壩滲流等資料數(shù)據(jù)，通過綜合分析得出的結(jié)論如下：

1)各測點測值無明顯變化，其中大壩變形符合混凝土的一般變形規(guī)律；滲流及揚壓力測值穩(wěn)定，庫水位在116.43-118.97m 之間變化，全年降水 273.00mm；同時，結(jié)合現(xiàn)場檢查情況分析表明，各水工建筑物運行正常。

2)部分河床壩段及岸坡存在較高的揚壓力折減系數(shù)，經(jīng)核算對壩體安全未構(gòu)成影響，為保證工程安全建議實時采取減壓排水、加強觀測等措施。為有效降低不利因素對水庫大壩的干擾，建議按規(guī)范要求及時整編大壩安全監(jiān)測資料，并定期全面維護及檢驗監(jiān)測儀器。