三河口碾壓混凝土拱壩初期蓄水安全監(jiān)測評價

劉茜 王佐榮

摘 要：為全面深入了解三河口碾壓混凝土拱壩蓄水至550 m高程的安全狀態(tài)，對大壩主體工程、下游消能建筑物、兩岸邊坡及滑坡體實施了變形（水平位移、垂直位移及接縫開合度）、滲流滲壓及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，獲取了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測結(jié)果分析表明：三河口水利樞紐初期下閘蓄水，大壩主體、消能建筑物和兩岸邊坡及滑坡體的位移變形、滲流滲壓、應(yīng)力應(yīng)變均正常連續(xù)變化、變幅較小，未出現(xiàn)大的異常突變，變化過程和分布規(guī)律基本合理。綜合分析認為，三河口水利樞紐初期下閘蓄水過程安全可控，壩體工作性態(tài)正常。

關(guān)鍵詞：蓄水;位移變形;滲流滲壓;應(yīng)力應(yīng)變;安全監(jiān)測;碾壓混凝土拱壩;三河口水利樞紐

Abstract：In order to get a comprehensive in-depth understanding of safety status of Sanhekou RCC arch dam impoundment to 550m， the deformation of the structures （horizontal displacement， vertical displacement and openings of joint）， seepage pressure and stress and strain of the dam， energy-dissipation structures and slopes and landslide on both sides of the river were monitored. Meanwhile， a large number of monitoring data were obtained. The monitoring result indicates that after the initial impoundment， the deformation， seepage and stress and strain of the dam， energy-dissipation structures and slopes and landslide mass vary continuously without large abnormal mutation and the process and distribution law of the variation are basically reasonable. After comprehensive analysis， the impoundment process of Sanhekou RCC arch dam is safe and controllable and the operation of the dam is in a normal state.

Key words： reservoir impoundment; displacement deformation; seepage pressure; stress-strain; safety monitoring; RCC arch dam; Sanhekou Hydro-Junction

大壩安全監(jiān)測最早可追溯到1891年德國開展的Eschbach重力壩位移觀測，隨后1903年美國開展了Boonton重力壩溫度觀測，1908年澳大利亞開展了Barron Jack Creek薄拱壩變位觀測，1925年美國開展了Fultz壩揚壓力觀測，1926年美國墾務(wù)局在Stevenson Creek試驗拱壩上開展了應(yīng)力應(yīng)變觀測[1-2]。此后，隨著建壩數(shù)量逐漸增多、壩體高度逐漸增大、壩基條件日益復(fù)雜等，壩工界開始利用專門的儀器設(shè)備監(jiān)測壩體的工作性態(tài)，但受監(jiān)測方法、儀器設(shè)備以及壩工設(shè)計和施工水平影響，大壩失事時有發(fā)生[3-4]。1959年法國Malpasset拱壩左岸基巖破壞、1963年意大利Vajont水庫滑坡、1976年美國Teton土壩壩基管涌等均造成重大損失，引起了世界各國對大壩安全監(jiān)測的重視，使大壩安全監(jiān)測工作得到進一步發(fā)展[4]。我國大壩安全監(jiān)測工作始于20世紀50年代，梅山連拱壩[5-7]、佛子嶺連拱壩[7-8]、泉水拱壩、龍羊峽水電站[9]等的安全監(jiān)測設(shè)計與研究，不僅保障了水庫大壩施工質(zhì)量和安全運行，而且大壩安全監(jiān)測技術(shù)得到了快速發(fā)展，并在80年代的龔咀水電站、葛洲壩水利樞紐和東江水電站建設(shè)管理中實現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測自動化[2]。

三河口水利樞紐作為引漢濟渭工程兩個水源地之一，其主要任務(wù)是調(diào)蓄支流子午河來水和一部分抽入水庫的漢江干流來水，向關(guān)中地區(qū)供水，兼顧發(fā)電。攔河壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高145 m。開展三河口碾壓混凝土拱壩主體結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)及兩岸邊坡等的穩(wěn)定性和應(yīng)力應(yīng)變安全監(jiān)測，不僅是監(jiān)測施工質(zhì)量、反饋設(shè)計成果和認識壩體各種物理量變化規(guī)律的有效手段，而且是及時準確地掌握大壩的工作性態(tài)、為蓄水決策提供技術(shù)支撐的重要手段[10-11]。

1 安全監(jiān)測系統(tǒng)概況

三河口水利樞紐由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、泵站和電站建筑物、引水建筑物以及連接秦嶺輸水隧洞控制閘的壩后連接洞組成。三河口碾壓混凝土拱壩初期蓄水安全監(jiān)測分為大壩主體工程、下游消能建筑物、邊坡及滑坡體3個子系統(tǒng)，其中：大壩主體工程由左岸非溢流、泄洪底孔、泄洪表孔、電梯井及右岸非溢流等壩段組成，下游消能建筑物由消力塘和二道壩組成，邊坡及滑坡體由壩肩及兩岸邊坡、消力塘邊坡、庫區(qū)滑坡體組成。

1.1 布置原則

根據(jù)工程的規(guī)模等級、地形地質(zhì)條件、筑壩材料及施工特點，基于《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5178—2016）及水庫大壩安全管理條例，以集中布置、兼顧全面、便于實現(xiàn)自動化觀測為基本原則，在儀器布置方面突出重點、統(tǒng)一規(guī)劃，各部位、各區(qū)域布置的各類監(jiān)測項目或儀器設(shè)備應(yīng)具備相互配合、補充和校核的功能，確保觀測資料的適用性、準確性和可靠性。

1.2 監(jiān)測項目及設(shè)施

根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計特點和地形地質(zhì)條件，主要監(jiān)測項目有變形、滲流滲壓、應(yīng)力應(yīng)變及溫度等，主要監(jiān)測儀器設(shè)施有多點位移計、測縫計、正倒垂線、靜力水準儀、滲壓計、測壓管、量水堰、應(yīng)變計、壓應(yīng)力計、錨桿應(yīng)力計等。三河口碾壓混凝土拱壩監(jiān)測斷面布置見圖1。

2 蓄水過程及蓄水安全監(jiān)測項目實施

三河口水利樞紐初期下閘蓄水分為3個階段。第一階段：從導(dǎo)流洞下閘蓄水至臨時生態(tài)放水管過流，水位為533.2～543.0 m（2019-12-30—2020-01-06）;第二階段：臨時生態(tài)放水管過流，此時水位較為平穩(wěn)，基本維持在543.0～544.8 m（2020-01-07—2020-03-02）;第三階段：臨時生態(tài)放水管改造后至底孔過流，水位為544.8～550.0 m（2020-03-03—2020-03-12）。為加強蓄水安全監(jiān)測和反饋分析，蓄水前對三河口水利樞紐安全監(jiān)測工作進行安排部署，加強對樞紐建筑物的安全監(jiān)測，以適時掌握其運行情況。蓄水期間，根據(jù)蓄水監(jiān)測設(shè)計要求開展了樞紐建筑物位移變形、滲流滲壓及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，取得大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，為準確評價大壩安全奠定了基礎(chǔ)。

3 蓄水安全監(jiān)測結(jié)果分析及評價

3.1 大壩主體工程

3.1.1 變形

（1）基巖變形。為監(jiān)測大壩基巖變形情況，在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ斷面基巖處各埋設(shè)1組水平向多點位移計和4組垂直向多點位移計。垂直向多點位移計各測點距孔口的距離分別為5、10、20、35 m。蓄水階段基巖位移見表1，其中：水平位移向下游、左岸方向變形為“+”，向上游、右岸方向變形為“-”;垂直位移下沉為“+”，上升為“-”。Ⅲ斷面基巖垂直位移最大變幅為0.29 mm，水平位移最大變幅為0.11 mm;Ⅳ斷面基巖垂直位移最大變幅為0.21 mm，水平位移最大變幅為0.09 mm;Ⅴ斷面基巖垂直位移最大變幅為0.20 mm，水平位移最大變幅為0.10 mm。初期下閘蓄水，基巖的垂直位移為-7.39～2.54 mm，垂直位移變幅在0.30 mm以內(nèi);水平位移為-1.44～0.80 mm，水平位移變幅在0.20 mm以內(nèi)?？梢姡钏畬鶐r的影響較小。

（2）壩體水平位移。在拱壩拱冠、左右岸1/3和1/5拱處各設(shè)置一條垂線，同時為了監(jiān)測壩肩水平位移，在左右壩肩平洞內(nèi)各設(shè)置一條垂線。在不同高程處安裝垂線坐標儀監(jiān)測壩體水平絕對變形和撓度。蓄水階段垂線測點特征值見表2（其中徑向向下游為正，切向向左岸為正），Ⅲ斷面垂線位移過程線見圖2，565 m高程徑向位移和庫水位見圖3。

初期下閘蓄水期間，壩體水平位移主要表現(xiàn)為徑向向下游變形，切向向兩岸變形不明顯。因此，只針對徑向位移的空間分布規(guī)律進行分析。從高程分布來看，同一壩段測點高程越高，徑向位移越大;從左右岸分布來看，同一高程，Ⅳ斷面徑向位移最大，Ⅲ、Ⅴ斷面徑向位移次之，Ⅱ、Ⅵ斷面徑向位移最小。徑向位移的空間分布符合一般規(guī)律。

以565 m高程Ⅳ斷面位移最大的PL4-4測點為例進行分析。該測點于2019年11月26日取得基準值，到2019年12月29日蓄水前，受氣溫等外界因素影響，壩體徑向位移向下游變形0.54 mm。水位從533.2 m上升至543.0 m（2019-12-30—2020-01-06），徑向位移從0.54 mm增大到1.01 mm;2020-01-07—2020-03-02水位基本維持在543.0～544.8 m之間，徑向位移從1.01 mm增大到2.05 mm，該階段呈現(xiàn)出庫水位基本平穩(wěn)、壩體徑向位移增長速率較低的特點，說明徑向位移受水位的影響存在一定滯后性;2020-03-03—2020-03-12水位從544.8 m上升至550.0 m，徑向位移從2.05 mm增大到2.49 mm;2020年3月12日底孔過流后，該測點徑向位移受溫度荷載影響略有減小，向上游變形0.46 mm。可見，壩體水平位移主要受水壓荷載和溫度荷載共同影響。

（3）壩體垂直位移。為監(jiān)測壩體內(nèi)部垂直變形，在高程515、565 m灌漿廊道內(nèi)各布置1套靜力水準線，在兩岸灌漿廊道內(nèi)分別設(shè)置雙金屬標作為靜力水準線的校核基點。蓄水階段雙金屬標和靜力水準測點特征值見表3（其中垂直位移下沉為正、上抬為負）。雙金屬標位于廊道左右灌漿平洞，所測位移為基巖位移。初期下閘蓄水后，壩基總體表現(xiàn)為沉降變形，下沉量在1.5 mm以內(nèi)，各相鄰壩段之間未發(fā)現(xiàn)明顯不均勻沉降。

（4）橫縫及誘導(dǎo)縫變形。為了便于施工期間混凝土散熱和降低收縮應(yīng)力，防止混凝土產(chǎn)生裂縫，各壩段之間設(shè)有收縮縫（5條橫縫、4條誘導(dǎo)縫），采用測縫計監(jiān)測壩體接縫變形。測縫計垂直于縫面沿高程呈梅花形布置。蓄水階段壩體接縫特征值見表4。蓄水期間，壩體接縫開合度整體變化量較小，最大變幅為0.26 mm，說明本次蓄水對已灌漿的接縫開合度基本無影響。

3.1.2 滲流滲壓

（1）壩基揚壓力。設(shè)置5個橫向監(jiān)測斷面和2個縱向監(jiān)測斷面監(jiān)測壩基揚壓力，在帷幕前壩踵處、排水孔前后、壩趾處各布置1支滲壓計監(jiān)測壩基揚壓力，在排水孔前后各布置1排滲壓計監(jiān)測壩基揚壓力。同時在高程515 m灌漿平洞左右岸各布置2套測壓管，在高程515 m廊道內(nèi)布置7套測壓管監(jiān)測壩基揚壓力?；A(chǔ)揚壓水頭橫向分布見表5，基礎(chǔ)揚壓水位縱向分布見圖4，高程515 m廊道測壓管揚壓力特征值見表6，高程515 m廊道內(nèi)揚壓水位縱向分布見圖5。

從基礎(chǔ)揚壓水頭橫向分布可以看出：從上游側(cè)到下游側(cè)，揚壓水頭呈逐漸減小的趨勢，Ⅲ斷面（4號壩段）測點P3-4揚壓水頭受下游側(cè)岸坡地下水位影響高于測點P3-2、P3-3的;Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ斷面帷幕后2號測點P3-2、P4-2、P5-2的揚壓水頭分別占上游水頭的18%、41%、19%，其中Ⅳ斷面測點P4-2揚壓水頭占上游水頭比例最大，Ⅲ斷面和Ⅴ斷面的較小?？傮w來看，揚壓水頭折減情況較好，說明帷幕灌漿防滲效果良好。

從基礎(chǔ)揚壓水位縱向分布可以看出：基礎(chǔ)高程高于本次蓄水位550 m的幾個壩段，主要受兩岸山體地下水影響，揚壓水位較低;揚壓水位存在變化的壩段主要集中在4號—7號壩段，排水孔前揚壓水位高于排水孔后的，總體水頭折減效果良好。從515 m廊道內(nèi)揚壓水位縱向分布情況可以看出：基礎(chǔ)壩段壩基揚壓水位為515.28～517.88 m，兩岸灌漿平洞內(nèi)揚壓水位受庫水位和岸坡地下水共同影響，略高于基礎(chǔ)壩段揚壓水位，特別是左岸平洞內(nèi)更明顯（揚壓水位526.13 m），結(jié)合Ⅲ斷面（4號壩段）519.7 m高程P3-4測點揚壓水頭可以側(cè)面印證左岸地下水位較高。

（2）壩體滲透壓力及滲流量。壩體滲透壓力監(jiān)測的主要目的是監(jiān)測混凝土的防滲性能和施工質(zhì)量。與壩體5個主監(jiān)測斷面結(jié)合，在高程515、565 m廊道上游的碾壓施工層面上布置滲壓計監(jiān)測碾壓層面的滲透壓力，每個高程布置3支，可測得壩體防滲層不同位置的滲透壓力分布情況。Ⅳ斷面（5號壩段）高程515 m壩體滲壓計布置見圖6、滲壓水頭過程線見圖7。

測點P4-5、P4-6均存在滲壓水頭，測點P4-5滲壓水頭最大，測點P4-6次之，P4-7測點處于無壓狀態(tài);蓄水前測點P4-5、P4-6滲壓水頭分別為5.62、3.11 m，蓄水后滲壓水頭分別為8.42、4.74 m，兩測點滲壓水頭分別增長了2.80、1.63 m。和庫水位相比滲壓水頭有一定上升，但上升幅度不大。

根據(jù)該工程帷幕及壩基排水布置情況，在左右岸高程515 m灌漿平洞和壩基交接部位排水溝設(shè)置三角量水堰，監(jiān)測兩岸帷幕滲流量。蓄水階段515 m廊道內(nèi)集水井量水堰測點特征值見表7。從最新測值來看，右側(cè)滲流量略大于左側(cè)滲流量，總滲流量為1.08 L/s。

（3）繞壩滲流。為了解繞壩滲流對兩岸壩基滲壓的影響和下游兩岸邊坡自身的滲透穩(wěn)定性，在兩岸邊坡帷幕后各設(shè)2個繞壩滲流監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面布置4個水位監(jiān)測孔，孔內(nèi)放置滲壓計進行監(jiān)測。左右岸繞壩滲流滲壓計安裝高程在600 m以上，遠高于本次蓄水庫水位，庫水位對兩岸壩肩繞壩滲流基本無影響，繞壩滲流水位主要受地下水位和降雨等因素的影響，滲流壓力水頭基本保持在11 m以內(nèi)。

3.1.3 應(yīng)力應(yīng)變

（1）壩體應(yīng)力應(yīng)變。選取高程512、533、557 m的3個水平監(jiān)測截面監(jiān)測壩體的應(yīng)力應(yīng)變，監(jiān)測儀器采用5向應(yīng)變計組，在每組應(yīng)變計旁埋設(shè)1支無應(yīng)力計。蓄水階段高程557 m的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ斷面應(yīng)變計測點特征值見表8（其中受拉為正，受壓為負），高程512 m典型測點應(yīng)變變化過程線見圖8。監(jiān)測結(jié)果表明：除個別測點外，蓄水期間絕大部分測點呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，應(yīng)變整體變幅較小（基本上不超過40×10-6），無明顯異常變化;蓄水期間，557 m高程Ⅳ斷面SW4-4-1測點的應(yīng)變從-13×10-6（2019-12-29）增大到100×10-6（2020-03-23），變幅較大，可能受溫度降低和庫水位上升的共同影響;壩體應(yīng)力應(yīng)變和溫度呈負相關(guān)關(guān)系，溫度升高應(yīng)力應(yīng)變向壓應(yīng)變方向變化，溫度降低應(yīng)力應(yīng)變向拉應(yīng)變方向變化。

（2）拱肩基礎(chǔ)壓應(yīng)力。在壩體與基巖接觸拱肩槽位置布設(shè)壓應(yīng)力計，監(jiān)測壩體切向拱推力。蓄水階段拱肩基礎(chǔ)壓應(yīng)力特征值見表9，可以看出，蓄水期間各測點呈受壓狀態(tài)，壩基最大壓應(yīng)力為3.46 MPa，且隨著高程的增加，壩體與基巖接觸部位的壓應(yīng)力呈增大趨勢。

3.2 下游消能建筑物

下游消能建筑物主要包括消力塘和二道壩，主要監(jiān)測項目包括消力塘滲流、底板錨筋樁應(yīng)力和二道壩基礎(chǔ)變形。

（1）二道壩基礎(chǔ)變形。在二道壩壩軸線底部布置3套三點式多點位移計，監(jiān)測基巖內(nèi)部變形情況。蓄水階段二道壩多點位移計測點特征值見表10。二道壩基巖垂直位移為-2.18～0.13 mm，垂直位移變幅在0.8 mm以內(nèi)，可見二道壩過流對其基巖的垂直位移影響較小。

（2）消力塘滲流。在消力塘底板布置3個監(jiān)測斷面，每個斷面布置3支滲壓計，監(jiān)測消力塘底板滲透情況。蓄水階段消力塘底板典型測點滲壓水頭過程線見圖9，滲壓計測點特征值見表11。監(jiān)測結(jié)果表明：消力塘基礎(chǔ)存在一定的滲壓水頭，特別是從2019年12月中下旬開始，受消力塘水位上升影響，多個測點的水頭上漲?？傮w來看，蓄水階段消力塘滲壓水頭普遍較小，水頭基本在4 m以內(nèi)。

（3）底板錨筋樁應(yīng)力。在消力塘底板錨桿上布置錨桿應(yīng)力計，位置與滲壓計監(jiān)測斷面重合，監(jiān)測底板拉筋受力情況。蓄水階段消力塘錨桿應(yīng)力計測點特征值見表12?？梢钥闯觯合μ铃^桿應(yīng)力為-38.86～67.11 MPa，各測點應(yīng)力變幅在30 MPa以內(nèi)，目前錨桿應(yīng)力無異常。

3.3 邊坡及滑坡體

蓄水后邊坡表面變形情況見表13。蓄水期間，邊坡水平及垂直位移相對較小，邊坡整體比較穩(wěn)定，未見異常情況。

4 結(jié) 論

通過對三河口水利樞紐安全監(jiān)測資料的系統(tǒng)分析，綜合論述了三河口碾壓混凝土拱壩初期蓄水的變形特點和安全狀況。三河口水利樞紐大壩主體、下游消能建筑物、兩岸邊坡及滑坡體變形和應(yīng)力應(yīng)變均正常連續(xù)變化、變幅較小，未出現(xiàn)大的異常突變，變化過程和分布規(guī)律基本合理。壩基滲透壓力變化符合一般規(guī)律，壩體橫斷面滲壓水頭從上游側(cè)向下游側(cè)呈逐漸減小趨勢，水頭折減情況較好，帷幕灌漿阻水效果良好;壩體縱斷面滲壓水頭主要出現(xiàn)在基礎(chǔ)高程比較低的5號和6號壩段。綜合分析認為，三河口碾壓混凝土拱壩初期蓄水至高程550 m，蓄水過程安全可控，壩體工作性態(tài)正常。

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