三板溪面板堆石壩主壩沉降資料分析

張玉平，黃文萃

（湖南五凌電力科技有限公司，湖南省長(zhǎng)沙市 410000）

0 引言

三板溪水電站樞紐為一等大型工程，具有多年調(diào)節(jié)性能，主要由主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、引水系統(tǒng)、地下廠房、尾水系統(tǒng)等組成。三板溪主副壩均為混凝土面板堆石壩，壩頂高程482.5m，壩頂寬10.0m，壩頂長(zhǎng)424m，高趾墻為44m，上、下游壩坡均為1：1.4。主壩混凝土面板分三期澆筑完成，面板厚度從上至下為漸變，頂部厚度0.30m，最大壩高剖面的面板底部厚度0.91m[1-2]。面板混凝土為聚丙烯纖維混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，抗?jié)B標(biāo)號(hào)W12。主壩堆石填筑總量828.3萬(wàn)m3，壩體平均填筑強(qiáng)度為41.5萬(wàn)m3/月、高峰填筑強(qiáng)度達(dá)72萬(wàn)m3/月[3]。三板溪樞紐工程于2002年7月開(kāi)工，2003年9月實(shí)現(xiàn)大江截流，2006年1月7日水庫(kù)下閘蓄水，2006年4月三板溪水電站首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

主壩內(nèi)部沉降采用水管式沉降儀監(jiān)測(cè)，內(nèi)部水平位移采用引張線式水平位移計(jì)。在主壩左0+008.20m斷面及主壩右0+071.80m斷面的346.00、379.00、404.00m及445.00m高程各設(shè)置1條內(nèi)部變形測(cè)線，共計(jì)布置48支水管式沉降儀。另外，在壩軸線0+0.0m和上游側(cè)0-80.0m設(shè)置縱向觀測(cè)斷面，分別埋設(shè)8組和2組土位移計(jì)，監(jiān)測(cè)岸坡堆石體的軸向變形[4-5]。

內(nèi)部變形觀測(cè)主要對(duì)主壩壩后左0+008.2斷面、主壩壩后右0+071.8兩觀測(cè)斷面的EL445、404、379、346m高程采用水管沉降，進(jìn)行壩體內(nèi)部的沉降監(jiān)測(cè)。從開(kāi)始建點(diǎn)到采集數(shù)據(jù)，設(shè)備開(kāi)始出現(xiàn)很多問(wèn)題，數(shù)據(jù)多次中斷，直到2016年上半年，經(jīng)過(guò)廠家對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并確認(rèn)設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。故此，本次數(shù)據(jù)分析沒(méi)有內(nèi)部數(shù)據(jù)分析。

1 測(cè)點(diǎn)布置

主壩壩頂、上游面板、下游各層馬道布置了6條測(cè)線，共43個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置，由左向右遞增，如壩頂測(cè)點(diǎn)SA5-01至SA5-10，壩前馬道測(cè)點(diǎn)是SA6-01至SA6-10，壩后有4條馬道，按高程高低排序，有SA4、SA3、SA2、SA1為端點(diǎn)的馬道測(cè)點(diǎn)，其變形測(cè)點(diǎn)編號(hào)也是前所述布置的。垂直向位移，壩頂采用幾何水準(zhǔn)法測(cè)量，478m高程沉降于2005年10月開(kāi)始觀測(cè)。2007年初，壩頂完建，設(shè)立永久沉降測(cè)點(diǎn)開(kāi)始觀測(cè)。壩后各層馬道采用三角高程測(cè)量法，于2008年7月開(kāi)始觀測(cè)，但觀測(cè)精度較低。2009年7月馬道表面所有沉降測(cè)點(diǎn)改為水準(zhǔn)測(cè)量。壩前水準(zhǔn)于2010年6月開(kāi)始監(jiān)測(cè)。

2 沉降分析

2.1 壩頂變形

2.1.1 蓄水期

從測(cè)量數(shù)據(jù)及過(guò)程線來(lái)看，首次蓄水期及2007年下半年高水位期間，下沉速度較快，2007年10月后，下沉速度逐漸減緩，減緩趨勢(shì)顯著；2007年，SA05-05點(diǎn)最大沉降量達(dá)137.57mm。

主壩壩頂各測(cè)點(diǎn)復(fù)相關(guān)系數(shù)均達(dá)到1.00，標(biāo)準(zhǔn)差在0.26～0.70mm之間。主壩壩頂各測(cè)點(diǎn)主要為時(shí)效分量（所占比例在87.10%～98.21%之間），時(shí)效分量最大變幅為82.78mm（SA05-6），發(fā)展速率約為1.38mm/月，目前變形仍未穩(wěn)定。從測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，首次蓄水期及2007年下半年高水位期間，下沉速度較快，2007年10月后，下沉速度逐漸減緩。

2.1.2 運(yùn)行期

從2007年10月到2019年度，主壩壩頂各水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)繼續(xù)下沉，累計(jì)沉降及年變化幅度皆呈現(xiàn)出中間大、兩邊小的趨勢(shì)，符合面板堆石壩的沉降變形規(guī)律[6，7]。2019年最大沉降部位為SA05-5（主壩左0+009.0），累計(jì)沉降624.43mm，高于歷史極值612.57mm（2018年12月17日），2019年沉降速率為10.43mm/年（2018年為13.17mm/年），平均為0.87mm/月，速率較往年有所減緩。主壩壩頂沉降過(guò)程線如圖1所示，但SA05-08、SA05-09和SA05-10測(cè)點(diǎn)2006年數(shù)據(jù)缺失，記錄數(shù)據(jù)不完整。

圖1 主壩壩頂沉降過(guò)程線圖Figure 1 The settlement curve of the dam crest

2.1.3 壩頂變形定量分析

壩頂變形定量分析的主要目的是了解大壩及其基礎(chǔ)隨時(shí)間的演變過(guò)程，即將不可恢復(fù)或演進(jìn)性現(xiàn)象和水位、溫度條件引起的可恢復(fù)現(xiàn)象分辨出來(lái)，目前各種大壩安全監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型的應(yīng)用都是這一思想的具體實(shí)現(xiàn)。任一變形監(jiān)測(cè)量的回歸方程為δ=δ（H）+δ（T）+δ（t），即變形量主要由水位、溫度和時(shí)效3個(gè)分量組成。主壩壩頂沉降回歸結(jié)果特征值如表1所示。

表1 主壩壩頂沉降回歸結(jié)果特征值表Table 1 The regression eigenvalue of the dam crest settlement data

續(xù)表

2.1.4 壩頂特征點(diǎn)綜合分析

主壩壩頂測(cè)點(diǎn)沉降回歸擬合圖見(jiàn)圖2。多個(gè)因子組成回歸方程，采用逐步回歸法求解最終方程。無(wú)論測(cè)點(diǎn)位置不同，還是變化的數(shù)值不同，通過(guò)多個(gè)因子組成回歸方程及逐步回歸法求解的最終方程，找到與實(shí)際變化的量對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，其變化趨勢(shì)和大小是一致的。

圖2 主壩壩頂測(cè)點(diǎn)沉降回歸擬合圖Figure 2 The regression fitting of the dam crest settlement data

2.2 壩前

如圖3所示主壩壩前沉降過(guò)程線顯示主壩壩前整體為下沉趨勢(shì)，累計(jì)沉降及年變化幅度表現(xiàn)為中間大、兩岸小。2019年累計(jì)沉降量在36.35～181.50mm之間，最大沉降部位為SA06-6（主壩右0+040.0），累計(jì)沉降181.50mm，2019年沉降速率為10.00mm/年（2018年為11.88mm/年），平均為0.83mm/月（2018年為0.99mm/月），速率較往年有所減緩。各測(cè)點(diǎn)復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.98～1.00之間，標(biāo)準(zhǔn)差在0.55～0.97mm之間，模型精度和效果基本滿足分析要求。主壩壩前各測(cè)點(diǎn)主要為時(shí)效分量（所占比例在58.54%～97.38%之間），時(shí)效分量最大變幅為78.97mm（SA06-6），發(fā)展速率約為1.32mm/月，目前變形尚未穩(wěn)定。

圖3 主壩壩前沉降過(guò)程線圖Figure 3 The settlement curve of the front of the dam

2.3 壩后

壩后觀測(cè)房自開(kāi)始（2004～2005年間）觀測(cè)，至2007年11月，最大下沉為395mm（發(fā)生在413.6m馬道壩右0+071.8m），2008年7月與壩后馬道其他表面沉降測(cè)點(diǎn)采用三角高程方法測(cè)量，觀測(cè)精度較低，測(cè)值難以反映馬道實(shí)際位移[8]。

如圖4～圖7所示，2009年7月馬道表面所有沉降測(cè)點(diǎn)改為水準(zhǔn)測(cè)量，從2009年7月開(kāi)始至2016年12月測(cè)值來(lái)看，馬道呈繼續(xù)下沉趨勢(shì)，沉降幅度為上面大、下面小，中間大、兩邊小的狀態(tài)，符合面板堆石壩的沉降變形特點(diǎn)。壩后馬道同樣受庫(kù)水位的影響，445、404、379m高程馬道的沉降受庫(kù)水位影響，年變幅要大一些，而且呈相似性變化；346m高程馬道，由于高程較低，庫(kù)水位對(duì)它的影響也小一些。

圖4 445m高程馬道沉降年較差與水位變幅過(guò)程線Figure 4 The relationship between the settlement annual range and the water line variable of the 445m road

圖5 404m高程馬道沉降年較差與水位變幅過(guò)程線Figure 5 The relationship between the settlement annual range and the water line variable of the 404m road

圖6 379m高程馬道沉降年較差與水位變幅過(guò)程線Figure 6 The relationship between the settlement annual range and the water line variable of the 379m road

圖7 346m高程馬道沉降年較差與水位變幅過(guò)程線Figure 7 The relationship between the settlement annual range and the water line variable of the 346m road

從2009年7月開(kāi)始至2019年12月底測(cè)值來(lái)看，壩后馬道呈繼續(xù)下沉趨勢(shì)，沉降幅度為上層大、下層小，中間大、兩邊小的狀態(tài)，符合面板堆石壩的沉降變形規(guī)律。2019年壩后最大累計(jì)沉降點(diǎn)發(fā)生在445m高程馬道的SA04-5，累計(jì)沉陷量為188.31mm，高于歷史極值177.16mm（2018年12月17日），2019年沉降速率為10.61mm/年（2018年為10.66mm/年），較往年減緩。404m高程馬道年變幅為1.38～6.14mm，379m高程馬道年變幅為1.79～3.58mm，346m高程馬道年變幅為0.71～1.45mm。較往年相比，年沉降量在逐漸變小。

選取主壩壩后馬道23個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行回歸擬合曲線，如圖8所示。

圖8 主壩壩后測(cè)點(diǎn)沉降回歸擬合曲線Figure 8 The regression fitting of the settlement measured data of the back of the dam

主壩壩后各馬道測(cè)點(diǎn)復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.96～1.00之間，標(biāo)準(zhǔn)差在0.11～0.44mm之間，模型精度和效果滿足分析要求。主壩壩后445m高程馬道主要為時(shí)效分量（所占比例在93.35%～98.70%之間），時(shí)效分量最大變幅為67.86mm（SA04-5），發(fā)展速率約為1.13mm/月，目前變形尚未穩(wěn)定。主壩壩后404m高程馬道主要為時(shí)效分量（所占比例在83.49%～96.68%之間），時(shí)效分量最大變幅為35.16mm（SA03-4），發(fā)展速率約為0.59mm/月，目前變形尚未穩(wěn)定。主壩壩后379m高程馬道主要為時(shí)效分量（所占比例在83.49%～96.68%之間），時(shí)效分量最大變幅為23.08mm（SA02-3），發(fā)展速率約為0.38mm/月，目前變形尚未穩(wěn)定。

3 結(jié)論

根據(jù)沉降數(shù)據(jù)分析，蓄水初期，主壩沉降尚未穩(wěn)定，庫(kù)水位突增對(duì)沉降影響較大，但因監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完整，這里就不做分析。主壩從2007年開(kāi)始，主壩不同部位，沉降量變化都較大，直到2011年后，各部位沉降量開(kāi)始變?。恢鲏?，除346m高程馬道外，其他各監(jiān)測(cè)部位與庫(kù)水位年變幅呈相似性變化，水位急速上升和持續(xù)高水位，對(duì)沉降影響較大；主壩沉降表現(xiàn)為中間大、兩邊??；高程較高的部位沉降大于高程較低的部位；主壩最大沉降點(diǎn)，發(fā)生在壩頂SA05-05測(cè)點(diǎn)，累計(jì)沉降600.78mm，年沉降速率16.51mm；目前，各測(cè)點(diǎn)沉降速率在逐年減小，除個(gè)別測(cè)點(diǎn)外，年沉降量基本上在15mm以內(nèi)；從2014年開(kāi)始，庫(kù)水位在460～475m區(qū)間變化時(shí)，壩頂沉降量要增大一些，其增加量為1～2mm；當(dāng)前，主壩沉降是否穩(wěn)定，還需進(jìn)一步監(jiān)測(cè)和分析。主壩壩前水準(zhǔn)于2010年6月開(kāi)始監(jiān)測(cè)，整體為下沉趨勢(shì)，累計(jì)沉降及年變化幅度表現(xiàn)為中間大、兩岸小。2018年累計(jì)沉降量在33.63～170.23mm之間，最大沉降部位為SA06-6（主壩右0+040.0），2018年沉降速率為 11.88mm/年（2017年為14.85mm/年），平均為0.99mm/月（2017年為1.24mm/月），速率較往年有所減緩。主壩壩頂2018年最大沉降部位為SA05-5（主壩左0+009.0）累計(jì)沉降612.57mm，高于歷史極值599.20mm（2017年12月16日），2018年沉降速率為13.17mm/年（2017年為16.34mm/年），平均為1.10mm/月，速率較往年有所減緩。