猴子巖水電站面板堆石壩沉降監(jiān)測成果分析

胡 升 偉, 胡 明 秀, 黃 攀

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣孔玉鄉(xiāng)境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃中的第9個梯級電站，樞紐建筑物主要由攔河壩、兩岸泄洪及放空洞、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。該工程為一等大(1)型工程，攔河壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高223.5 m，是目前世界上已建和在建的同類型第二高壩[1]。水庫正常蓄水位高程為1 842 m，死水位高程為1 802 m，調(diào)節(jié)庫容為3.87億m3，總裝機(jī)容量為1 700 MW。

猴子巖水電站于2011年11月16日開工建設(shè)，2015年12月底大壩全斷面填筑至高程1 845.8 m，2016年11月15日開始蓄水，2016年12月13日庫水位上升至高程1 801.99 m，2017年11月19日庫水位上升至高程1 841.56 m。

為多方面了解壩體沉降的發(fā)展情況，對猴子巖水電站面板堆石壩沉降監(jiān)測成果進(jìn)行了分析。

2 監(jiān)測成果分析

猴子巖水電站大壩的安全監(jiān)測根據(jù)壩址的地形地質(zhì)條件、面板堆石壩結(jié)構(gòu)和施工特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計與布置：壩體變形監(jiān)測在樁號0+087.5、0+117.5、0+162.8和0+207.5四個斷面分不同高程布設(shè)了14條水平、垂直位移觀測條帶，共計96個測點(diǎn)，在每個觀測條帶下游壩坡設(shè)觀測房一座和外部變形觀測墩一個，采用外部變形觀測值進(jìn)行基準(zhǔn)校核；采用水管式沉降儀監(jiān)測壩體內(nèi)部的沉降，采用引張線式水平位移計監(jiān)測壩體的水平位移。

大壩壩體在高程1 773.5 m、樁號0+087.5、0+117.5、0+162.8、0+207.5四個監(jiān)測斷面共布置了28個水管式沉降儀測點(diǎn)，此次研究選取樁號0+162.8的監(jiān)測斷面典型沉降測點(diǎn)監(jiān)測成果進(jìn)行分析，壩體高程1 773.5 m樁號0+162.8監(jiān)測斷面水管式沉降儀沉降觀測成果見表1，壩體高程1 773.5 m、樁號0+162.8監(jiān)測斷面監(jiān)測點(diǎn)沉降過程線見圖1，樁號0+162.8監(jiān)測斷面沉降分布圖見圖2。

表1 壩體高程1 773.5 m樁號、0+162.8監(jiān)測斷面水管式沉降儀沉降觀測成果表

圖1 壩體高程1 773.5 m、樁號0+162.8監(jiān)測斷面監(jiān)測點(diǎn)沉降過程線示意圖

圖2 樁號0+162.8監(jiān)測斷面沉降分布圖

研究表明：堆石壩的沉降主要由壩體堆料的壓縮產(chǎn)生變形，一般分為兩個階段：第一階段的壓縮變形較快，主要是因堆石料顆粒自身位移與結(jié)構(gòu)調(diào)整；第二階段的壓縮變形逐漸減慢直至平穩(wěn)[2]。由該電站大壩壩體水管式沉降儀取得的監(jiān)測成果可知：

(1)河床中間壩體部位的沉降大，左、右兩側(cè)的沉降??；其中左側(cè)大于右側(cè)，其原因主要與壩體填筑前左岸地形表現(xiàn)為內(nèi)陷、右岸地形表現(xiàn)為外凸有關(guān)。沉降量的大小與測點(diǎn)所處的地形條件相關(guān)，測點(diǎn)上方填筑量越大，其下方覆蓋層越厚，沉降量越大。

(2)距壩軸線較遠(yuǎn)的上、下游部位累計沉降小，壩軸線及其附近部位的累計沉降大。蓄水期間，受水壓影響，壩內(nèi)上游測點(diǎn)的沉降速率明顯大于壩軸線附近及下游測點(diǎn)。

(3)截止2018年10月4日，壩體內(nèi)部的最大累計沉降量為1 316.6 mm，最大沉降量占壩高的0.59%，屬于同類壩型中偏小值。

3 類似工程對比

眾所周知，我國混凝土面板壩的筑壩技術(shù)已領(lǐng)先于世界，已建和在建的面板堆石壩數(shù)量占全世界一半左右。目前面板堆石壩的壩高越建越高，技術(shù)難度越來越大，盡管現(xiàn)代面板堆石壩的密實(shí)度和變形模量已有很大程度地提高，但其變形仍為面板堆石壩的主要問題。

此次分析選取了我國已建部分面板堆石壩施工期最大沉降量及占壩高比的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由表2中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：施工期最大沉降量占壩高的0.3%～1.9%[3]之間。猴子巖水電站壩體施工期的最大沉降量實(shí)測值為1 190 mm，僅占壩高的0.53%，在統(tǒng)計范圍內(nèi)屬于偏小值，表明猴子巖水電站大壩沉降處于比較合理的范圍內(nèi)，壩體填筑質(zhì)量較好。國內(nèi)部分混凝土面板壩施工期沉降量統(tǒng)計情況見表2。

表2 國內(nèi)部分混凝土面板壩施工期沉降量統(tǒng)計表

4 堆石體垂直壓縮模量分析

堆石的壓縮模量系指在側(cè)限條件下土的垂直向應(yīng)力與應(yīng)變之比，可以表征堆石體的壓實(shí)質(zhì)量及變形大小。壓縮模量越大，土越堅(jiān)硬。通常，堆石壩的壓縮模量是通過壩軸線附近沉降測點(diǎn)的測值推算而得，以滿足沒有側(cè)向變形的單軸壓縮假定。

堆石體的壓縮模量可以表征堆石體的填筑質(zhì)量及沉降大小。一般而言，堆石體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性均較好，至今未發(fā)現(xiàn)堆石壩失穩(wěn)情況，所出現(xiàn)的事故主要是因比較大的變形造成面板接縫張開和止水失效，以及面板本身斷裂導(dǎo)致大量庫水滲漏而造成的破壞。因此，計算堆石體的壓縮模量對土石壩而言非常重要。

此次分析選取大壩上游河床最大監(jiān)測斷面(樁號0+117.5)和下游河床最大監(jiān)測斷面(樁號0+162.8)位于壩軸線附近的水管式沉降儀測點(diǎn)的測值計算大壩的垂直壓縮模量。大壩堆石體沉降測點(diǎn)垂直壓縮模量計算成果見表3。

表3 大壩堆石體沉降測點(diǎn)垂直壓縮模量計算成果表

由以上計算成果可知：最大垂直壓縮模量為193 MPa(測點(diǎn)位置：樁號0+162.8、1 747 m高程)，最小垂直壓縮模量為126 MPa(測點(diǎn)位置：樁號0+117.5、1 718.1 m高程)，其余測點(diǎn)的垂直壓縮模量在128～186 MPa之間。其中位于1 747 m高程附近的堆石體垂直壓縮模量最大，此高程監(jiān)測部位的累計沉降量相對較小，分析其原因?yàn)椋簤误w在1 745 m高程分期填筑，而監(jiān)測儀器布設(shè)在1 747 m高程附近，監(jiān)測儀器埋設(shè)的時間偏晚。

根據(jù)我國最新的研究成果：采用重型振動碾可以得到堆石體的垂直壓縮模量為20～225 MPa[4]，猴子巖水電站大壩的平均垂直壓縮模量計算成果基本居于該范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。另外，壩體最大沉降占壩高的0.59%，屬于已有工程范圍中的較小值，尤其是猴子巖水電站面板堆石壩為壩高223.5 m的超高壩，說明大壩填筑壓實(shí)干密度、孔隙率達(dá)到設(shè)計要求，大壩填筑質(zhì)量良好，壩體沉降控制在合理范圍內(nèi)。

5 與光纖陀螺儀監(jiān)測成果進(jìn)行對比

光纖陀螺儀作為一種新的監(jiān)測技術(shù)，多用于監(jiān)測壩體沉降。在堆石壩中埋設(shè)常規(guī)的水管式沉降儀由于其管路的增長，觀測精度和觀測速度會受到較大的限制，尤其對于壩高200 m以上的大壩，其壩后的觀測房往往高達(dá)數(shù)米，對現(xiàn)場的觀測和設(shè)備保護(hù)提出了很高的要求；同時，水管式沉降儀為點(diǎn)狀分布、按不同的間距布置，不能夠完全掌握整個監(jiān)測斷面的壩體沉降情況。

光纖陀螺儀由于埋設(shè)工藝簡單且易保護(hù)，對施工干擾較小，可與水管式沉降儀同步安裝埋設(shè)，已越來越多地應(yīng)用到體型較大的面板堆石壩中。

猴子巖水電站應(yīng)用光纖陀螺儀監(jiān)測新技術(shù)對壩體沉降開展了分布式監(jiān)測，在大壩樁號0+117.5監(jiān)測斷面1 773.5 m、1 805 m高程和樁號0+162.8監(jiān)測斷面1 772.36 m高程處布置了三條光纖陀螺儀。此次分析選取1 773.5 m高程、樁號0+162.8監(jiān)測斷面布置的一條光纖陀螺儀和同位置布置的水管式沉降儀測點(diǎn)VDB-65～VDB-73的監(jiān)測成果進(jìn)行了對比。1 773.5 m高程(樁號0+162.8)壩體沉降對比計算成果見表4，光纖陀螺儀實(shí)測壩體沉降曲線圖(2018-04-23)見圖3，水管式沉降儀實(shí)測壩體沉降曲線圖(2018-04-23)見圖4。

表4 1 773.5 m高程(0+162.8)壩體沉降對比計算成果表

圖3 光纖陀螺儀實(shí)測壩體沉降曲線圖(2018-04-23)

圖4 水管式沉降儀實(shí)測壩體沉降曲線圖(2018-04-23)

由監(jiān)測成果可知：猴子巖水電站大壩下閘蓄水過程中壩體沉降在正常范圍內(nèi)，運(yùn)行狀態(tài)良好。壩體同部位水管式沉降儀與光纖陀螺儀的監(jiān)測成果同期實(shí)測沉降量比較接近，監(jiān)測成果可靠，沉降分布規(guī)律基本一致[5]。

6 結(jié) 語

通過對猴子巖水電站面板堆石壩壩體實(shí)測沉降監(jiān)測成果進(jìn)行整理分析，得到了以下結(jié)論：

(1)監(jiān)測壩體沉降的水管式沉降儀工作正常，采用光纖陀螺儀取得的監(jiān)測結(jié)果比較穩(wěn)定，監(jiān)測資料較連續(xù)，壩體實(shí)測沉降分布規(guī)律良好，能夠準(zhǔn)確反映壩體沉降的一般規(guī)律和大壩的工作性態(tài)。

(2)目前我國已建部分面板堆石壩施工期的最大沉降量占壩高的0.3%～1.9%，猴子巖工程施工期的最大沉降量實(shí)測值為1 190 mm，僅占壩高的0.53%，屬于已有工程經(jīng)驗(yàn)的偏小值，壩體沉降相對較小，表明壩體填筑質(zhì)量良好。

(3)由實(shí)測沉降值推算堆石體垂直壓縮模量均大于100 MPa，壓縮模量在128～186 MPa之間，與國內(nèi)近期經(jīng)驗(yàn)值(120～180 MPa)比較接近。監(jiān)測成果表明：猴子巖水電站大壩沉降在比較合理的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

(4)光纖陀螺儀監(jiān)測成果表明：在下閘蓄水過程中，壩體沉降在正常范圍內(nèi)，運(yùn)行狀態(tài)良好。

通過對典型時間節(jié)點(diǎn)相同部位采用兩種監(jiān)測儀器獲得的監(jiān)測成果進(jìn)行對比分析可知：實(shí)測沉降量比較接近，監(jiān)測成果可靠，沉降分布規(guī)律基本一致，符合土石壩的一般變形規(guī)律。