豐滿大壩重建工程首次蓄水期壩體變形性態(tài)分析評(píng)價(jià)

金鑫鑫，周樹國，黎利兵，商玉潔，張春雨

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100038；2.松花江水力發(fā)電有限公司豐滿大壩重建工程建設(shè)局，吉林 吉林，132108）

0 引言

首次蓄水對(duì)大壩安全是較大的考驗(yàn)，期間壩體的應(yīng)力、變形及滲流情況對(duì)大壩長期運(yùn)行的安全性有較大影響[1]。一般來說，上游蓄水將降低壩踵壓應(yīng)力，大壩將產(chǎn)生順河向的變形增量。其中，在水荷載作用下，壩體的變形量及分布規(guī)律是評(píng)估大壩穩(wěn)定安全的關(guān)鍵，因此是關(guān)注的重點(diǎn)。除水荷載外，溫度荷載也將同時(shí)作用于大壩結(jié)構(gòu)，共同影響壩體的變形過程[2-6]。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)豐滿重建工程首次蓄水期的壩體變形進(jìn)行分析，著重分析變形的時(shí)空發(fā)展過程及分布規(guī)律，并評(píng)估大壩整體變形安全性態(tài)。

1 工程信息

吉林豐滿水電站全面治理（重建）工程是在原豐滿大壩下游120 m處新建一座大壩，工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、城市及工業(yè)供水、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游等綜合利用效益。水庫正常蓄水位263.50 m，死水位242.00 m，校核洪水位268.50 m，水庫總庫容103.77億m3。電站總裝機(jī)容量1 480 MW，多年平均發(fā)電量17.0 億kWh。碾壓混凝土重力壩由左岸擋水壩段、溢流壩段、廠房壩段和右岸擋水壩段組成，共分56個(gè)壩段，壩頂高程269.50 m，最大壩高94.50 m，壩頂全長1 068 m。

豐滿重建工程自2019年5月20日開始初期蓄水，至2019年6月20日完成新老壩之間充水，此時(shí)庫水位為241.30 m。6月20日以后水位繼續(xù)上升，至 2019年10月28日 水 位 上 升 22.13 m，達(dá) 到263.43 m，接近正常蓄水位，首次蓄水完成。蓄水過程示意見圖1。

圖1 豐滿大壩重建工程初期蓄水過程示Fig.1 The initial impoundment of reconstructed Fengman dam

2 變形監(jiān)測布置

豐滿大壩重建工程安全監(jiān)測采用“8豎3橫”的布置方式：“8豎”指8個(gè)典型監(jiān)測斷面（9 號(hào)、13 號(hào)、19 號(hào)、23 號(hào)、26 號(hào)、29 號(hào)、32 號(hào)、40 號(hào)壩段），“3 橫”指壩基（建基面和壩基灌漿廊道）、高程230.00 m和高程212.50 m 壩體檢查廊道、高程269.50 m 壩頂。通過“8 豎3 橫”監(jiān)測系統(tǒng)各交點(diǎn)的變形，能較為全面地掌握大壩的整體變形情況，典型監(jiān)測斷面考慮了地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)差異，見表1。

2.1 正倒垂線

在左、右岸壩肩觀測房內(nèi)和8個(gè)典型監(jiān)測斷面分別布置正、倒垂線，另在11號(hào)和35號(hào)壩段的基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)各設(shè)1 條倒垂線，共計(jì)設(shè)正垂線16 條（18 個(gè)測點(diǎn)），倒垂線12 條（12 個(gè)測點(diǎn)）。除32 號(hào)、40號(hào)壩段壩頂測點(diǎn)以外，其他正倒垂線測點(diǎn)起測時(shí)間為2019年5月15日。

2.2 水準(zhǔn)點(diǎn)

2.2.1 靜力水準(zhǔn)

在4～18 號(hào)壩段和26～49 號(hào)壩段230.00 m 高程廊道、18～26號(hào)壩段212.50 m高程廊道、20～25號(hào)壩段基礎(chǔ)灌漿廊道分別布設(shè)1 條橫河向靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，監(jiān)測壩體不同壩段和不同高程的垂直位移，每個(gè)壩段布設(shè)1 個(gè)測點(diǎn)，間隔100 m 增加1 個(gè)測點(diǎn)，4條靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)共布設(shè)57 個(gè)測點(diǎn)，起測時(shí)間為2019年5月9日。

2.2.2 精密水準(zhǔn)

在每個(gè)壩段的壩頂、230.00 m 高程廊道、212.50 m 高程廊道和基礎(chǔ)廊道（除陡坡壩段）各布設(shè)1個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，共布設(shè)149個(gè)測點(diǎn)，起測時(shí)間為2019年5月18日。

2.2.3 傾斜監(jiān)測

在壩體內(nèi)的橫向觀測廊道成對(duì)布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)，通過沉降差除以兩點(diǎn)間距得到壩體傾斜情況。水準(zhǔn)點(diǎn)布置在9號(hào)、19號(hào)、23號(hào)和32號(hào)壩段230.00 m高程廊道、212.50 m高程廊道和基礎(chǔ)灌漿廊道，共布設(shè)8組（16個(gè)）水準(zhǔn)點(diǎn)，見圖2。230.00 m高程觀測廊道靜力水準(zhǔn)測點(diǎn)之間距離為590 cm，212.50 m高程觀測廊道和基礎(chǔ)觀測廊道靜力水準(zhǔn)測點(diǎn)之間距離為990 cm。通過水準(zhǔn)測點(diǎn)沉降差除以水平距離計(jì)算傾斜角度，正值代表向下游傾斜，負(fù)值代表向上游傾斜。

2.3 壩體橫縫監(jiān)測

在典型壩段與相鄰壩段即5號(hào)與6號(hào)壩段、9號(hào)與10號(hào)壩段、13號(hào)與14號(hào)壩段、19號(hào)與20號(hào)壩段、22 號(hào)與 23 號(hào)壩段、26 號(hào)與 27 號(hào)壩段、29 號(hào)與 30 號(hào)壩段、32號(hào)與33號(hào)壩段、39號(hào)與40號(hào)壩段、46號(hào)與47號(hào)壩段之間的橫縫處，沿高程197.00 m、209.00 m、225.00 m和240.00 m布置測縫計(jì)，監(jiān)測壩體橫縫開合度的變化，10條橫縫共布設(shè)52支測縫計(jì)。

3 壩體變形分析

3.1 水平位移規(guī)律分析

3.1.1 順河向位移

典型壩段順河向位移結(jié)果見圖3，壩頂順河向位移分布見圖4。由圖3 可知，隨著上游水位升高，壩體向下游變形，2019年首次蓄水期間順河向位移為1.63～10.00 mm，最大值位于19 號(hào)壩段壩頂測點(diǎn)19PL3。沿高程方向，順河向位移基本呈隨測點(diǎn)高程升高而增大的趨勢，符合重力壩變形的一般規(guī)律。沿壩軸線方向，各壩段變形量基本相當(dāng)，整體變形協(xié)調(diào)。從9 號(hào)典型壩段的統(tǒng)計(jì)模型結(jié)果（見圖5）來看，在首次蓄水期間，水位分量是順河向變形的主要原因，時(shí)效變形較小。

圖3 首次蓄水期間典型壩段順河向位移分布Fig.3 Distribution of the displacement of typical dam sections along river during the first impoundment

圖4 壩頂順河向位移分布Fig.4 Distribution of the displacement of dam crest along river

圖5 9號(hào)壩段壩頂測點(diǎn)9PL2統(tǒng)計(jì)模型結(jié)果（R=0.996，s=0.203）Fig.5 Statistical analysis results of measuring point 9PL2 on the crest of dam section No.9

3.1.2 橫河向位移

首次蓄水期間，各壩段橫河向位移為-1.44～1.86 mm。其中，壩頂部位測點(diǎn)測值為-1.44～1.55 mm；230.00 m高程測點(diǎn)測值為-1.18～1.86 mm；壩基部位測點(diǎn)測值為-0.81～0.50 mm。基本呈高程越高，橫河向位移越大的規(guī)律。13 號(hào)壩段橫向位移監(jiān)測結(jié)果見圖6。

圖6 13號(hào)壩段橫河向位移分布Fig. 6 Distribution of transverse displacement of dam section No.13

3.2 垂直位移規(guī)律分析

本研究僅對(duì)精密水準(zhǔn)測量結(jié)果進(jìn)行分析，見圖7。各壩段測點(diǎn)基本隨庫水位上升而發(fā)生下沉變形，各高程變形規(guī)律為：

圖7 11號(hào)堆積體處理平面圖Fig.7 The treatment plan of No.11 deposit

圖7 首次蓄水期間大壩各高程垂直位移變化量分布（正：上抬）Fig.7 Distribution of vertical displacement variation at each elevation of dam during the first impoundment

（1）基礎(chǔ)灌漿廊道：各測點(diǎn)主要呈下沉變形，量值較小，在1.50 mm 以內(nèi)，未見趨勢性發(fā)展，最大沉降變形位于31 號(hào)壩段。相鄰壩段最大沉降差較小，在1.60 mm以內(nèi)。

（2）212.50 m 高程廊道：各測點(diǎn)主要呈下沉變形，量值較小，在1.55 mm 以內(nèi)，未見趨勢性發(fā)展，最大變形位于24號(hào)壩段。相鄰壩段最大沉降差較小，在1.40 mm以內(nèi)。

（3）230.00 m 高程廊道：各測點(diǎn)主要呈下沉變形，量值較小，在2.27 mm 以內(nèi)，未見趨勢性發(fā)展，最大變形位于30號(hào)壩段。相鄰壩段最大沉降差較小，在2.00 mm以內(nèi)。

由上述監(jiān)測結(jié)果可知，壩體各高程沉降變形均勻且較小，最大變形位置具備兩個(gè)特點(diǎn)：壩段高度較高，臨近或處于斷層地基壩段。

基礎(chǔ)廊道垂直位移過程線見圖8。

圖8 基礎(chǔ)廊道垂直位移過程線（正：下沉）Fig.8 Vertical displacement of the foundation gallery

3.3 傾斜變形規(guī)律分析

9號(hào)、23號(hào)和32號(hào)壩段沉降及傾斜角度過程線見圖9。由圖9可知，隨著大壩蓄水，同高程壩體下游側(cè)測點(diǎn)沉降變形大于上游側(cè)，意味著大壩整體向下游傾斜，上、下游兩個(gè)測點(diǎn)沉降差較小，基本在2.20 mm 以內(nèi)。由沉降差計(jì)算得到傾角為7.82″～30.79″，壩體傾斜變形在正常范圍內(nèi)。

圖9 大壩水平廊道測點(diǎn)沉降及傾斜角度過程線Fig.9 Settlement and inclination of the horizontal gallery

3.4 大壩橫縫變形規(guī)律分析

橫縫開度主要受壩體混凝土溫度變化影響，即混凝土溫度降低時(shí)，開度增大，混凝土溫度升高時(shí)，開度減小，與蓄水過程無相關(guān)性，典型過程線見圖10。橫縫測縫計(jì)開度總體為-2.54～5.63 mm，大部分測縫計(jì)表現(xiàn)為張開，見圖11。橫縫開度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。首次蓄水期間開度基本保持穩(wěn)定，變化量為-1.43～0.34 mm，橫縫張開的比例為25%。

表2 橫縫開度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of transverse joints aperture

圖10 典型測點(diǎn)橫縫變形過程線（基準(zhǔn)日期：2019年5月20日）Fig.10 Deformation of transverse joint at typical measuring points

圖11 大壩橫縫變形分布Fig.11 Deformation distribution of transverse joints in the dam

4 結(jié)語

（1）2019年首次蓄水期間，壩體水平位移與庫水位變化具有明顯的相關(guān)性，庫水位上升，壩體向下游變形，各壩段變形基本相當(dāng)，高程越高，變形越大。

（2）隨著庫水位抬升，壩體主要表現(xiàn)為沉降變形，沉降最大壩段基本位于斷層附近的較高壩段。大壩各高程均表現(xiàn)為向下游傾斜變形。

（3）首次蓄水期間，大壩橫縫主要表現(xiàn)為開度減小，但量值不大。

（4）壩體變形總體在正常范圍內(nèi)。