富水水庫大壩變形監(jiān)測與安全性分析

張 峰 付 潔 陳國元

(1.湖北省水利廳，湖北 武漢 430071；2.湖北省富水水庫管理局，湖北 黃石 435200)

富水水庫位于長江水系富水流域中下游交界處的陽新縣富水鎮(zhèn)，集水面積2450km2，總庫容16.21億m3，是一座以防洪、發(fā)電為主，兼有灌溉、養(yǎng)殖、圍墾、滅螺、航運(yùn)等綜合利用的大(1)型水庫[1-3]。水庫由大壩、溢洪道、發(fā)電輸水管、電站和總干渠組成。富水大壩在28m高程以下為均質(zhì)壩，28m以上為黏土心墻壩；上游壩殼按原設(shè)計(jì)用砂質(zhì)黏土填筑，下游壩殼用溢洪道開挖的頁巖填筑；大壩壩頂軸線長941m，寬6.5m，最大壩高46.8m。壩基為頁巖，頁巖上為砂卵石覆蓋層，河床兩邊為臺地。富水水庫于1958年8月動(dòng)工，1964年竣工，大壩最近于2003—2006年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，主要加固項(xiàng)目有壩基基礎(chǔ)防滲處理、大壩上下游護(hù)坡局部改造、發(fā)電引水管加固、復(fù)建水庫放空隧洞及大壩安全監(jiān)測設(shè)施更新改造等。加固后監(jiān)測以壩體和壩基滲流、繞滲和滲漏觀測為主。

變形監(jiān)測最能直觀反映大壩運(yùn)行性態(tài)，許多大壩性態(tài)出現(xiàn)異常，最初都是通過變形監(jiān)測值出現(xiàn)異常來反映的，因此變形監(jiān)測項(xiàng)目列為大壩安全監(jiān)測的首選監(jiān)測項(xiàng)目[4]。在監(jiān)測資料整理分析方面，國內(nèi)外都進(jìn)行了廣泛的研究?？傮w上，資料分析分為正分析和反分析，在運(yùn)行階段多采用統(tǒng)計(jì)學(xué)模型進(jìn)行分析[5-6]。大壩安全監(jiān)測資料整編分析的內(nèi)容涵蓋面大，涉及的數(shù)據(jù)量大、種類多，整編分析專業(yè)性強(qiáng)，而且成果質(zhì)量要求高、時(shí)效性強(qiáng)，目前仍主要靠人工完成[7]。王健等通過對全國水庫大壩安全監(jiān)測現(xiàn)狀的調(diào)研，指出了全國大中型水庫普遍存在監(jiān)測經(jīng)費(fèi)投入偏低、監(jiān)測資料分析薄弱、專業(yè)技術(shù)力量不足等問題[8]。富水水庫大壩已運(yùn)行近57年，水庫也不同程度存在這些問題。針對統(tǒng)計(jì)學(xué)模型復(fù)雜、分析因素要求多等特點(diǎn)，本文根據(jù)富水水庫大壩2015—2019年監(jiān)測資料，探索快捷、高效、直觀的方法，探究富水水庫大壩變形規(guī)律，揭示大壩變形特性及安全性態(tài)。

1 大壩監(jiān)測點(diǎn)布置

富水大壩表面變形監(jiān)測包括水平位移和垂直位移監(jiān)測，分別在7個(gè)橫斷面(樁號0+020、0+231、0+330、0+380、0+496、0+666、0+854)、4個(gè)縱斷面(分別為距壩軸線-8.0m、+4.5m、+32.0m、+61.0m)上布置28個(gè)綜合變形監(jiān)測點(diǎn)，大壩南北壩端設(shè)7個(gè)工作基點(diǎn)，中間壩段設(shè)5個(gè)臨時(shí)工作基點(diǎn)，測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式采用表面式。水平位移監(jiān)測采用交會法，垂直位移監(jiān)測采用精密水準(zhǔn)法，一年觀測兩次，分別在上半年和下半年。監(jiān)測點(diǎn)的平面布置見圖1。

2 結(jié)果與分析

2.1 水平位移監(jiān)測

富水水庫大壩各測點(diǎn)水平位移測值基本完整，連續(xù)性較好。雖然部分測點(diǎn)水平位移過程線存在少量尖點(diǎn)、觀測值精度相對較低，但總體規(guī)律性較好。

2.1.1 水平位移過程線

富水水庫大壩2015—2019年4個(gè)縱向斷面的水平位移過程線見圖2。

圖2 壩體不同斷面水平位移過程線

由圖2可知，TL-1、TL-7等測點(diǎn)位于左右壩肩，壩高相對較低，且受壩肩約束，水平位移變化較小，TL-2～TL-6等測點(diǎn)位于大壩中部附近，壩身較高，上游水深較大，因受水壓等因素作用，測點(diǎn)水平位移主要向上游變化，部分測點(diǎn)測值有突變，可能是測值精度問題。

各測值總體表現(xiàn)為壩身越高、水平位移越大，符合心墻土壩水平位移變化基本規(guī)律。

2.1.2 水平位移特征值

富水水庫大壩2015—2019年4個(gè)縱向斷面的水平位移特征值縱向分布見圖3。

由圖3可知，測點(diǎn)中向下游發(fā)生水平位移的最大值為19mm(測點(diǎn)TL4-4)，向上游發(fā)生水平位移的最大值為-23mm(測點(diǎn)TL1-4)，兩測值均出現(xiàn)在大壩中間0+380橫斷面；水平位移變幅最大為27mm(測點(diǎn)TL4-4)，也出現(xiàn)在大壩中間0+380橫斷面，最小為5mm(測點(diǎn)TL4-7)，出現(xiàn)在大壩靠近壩肩的0+854橫斷面；平均值范圍為-11.5～4.0mm，說明大部分測點(diǎn)向上游發(fā)生水平位移，且變形幅度不大。

圖3 壩體不同斷面水平位移特征值縱向分布

2.1.3 水平位移分布

a.縱向分布。選擇環(huán)境量和效應(yīng)量監(jiān)測資料相對完整、上游水位較高、測值變化較有規(guī)律的2016年、2017年、2018年為代表年份，在上游高水位(下半年)和低水位(上半年)情況下，對原始測值分別繪制大壩水平位移縱向分布圖；其中，距壩軸線+4.5m斷面各測點(diǎn)水平位移縱向分布見圖4。

圖4 距壩軸線+4.5m斷面水平位移縱向分布

由圖4可知，壩體水平位移受壩高影響較為明顯，表現(xiàn)為壩體中部水平位移大于兩端，各斷面位移量大小和分布特點(diǎn)受水位影響不明顯。近3年，各斷面測點(diǎn)測值變幅和一致性均較好。

b.橫向分布。與縱向分布一致，同樣選擇2016年、2017年、2018年為代表年份，在上游高水位(下半年)和低水位(上半年)情況下，分別繪制大壩水平位移橫向分布圖，典型橫斷面0+380、0+496的水平位移橫向分布見圖5。

圖5 壩體不同斷面水平位移橫向分布

由圖5可以看出，同一橫斷面，位于上游側(cè)的測點(diǎn)基本朝向上游變形，位于下游的測點(diǎn)基本朝向下游變形，基本符合變形的一般規(guī)律。

綜合來看，富水水庫大壩各測點(diǎn)水平位移觀測值精度較低，規(guī)律性不強(qiáng)，其中壩頂及下游的測點(diǎn)水平位移規(guī)律性較好，上游大部分測點(diǎn)規(guī)律性較差，可能是控制網(wǎng)有變形或監(jiān)測方法不合理，應(yīng)進(jìn)一步復(fù)核及優(yōu)化。從實(shí)測結(jié)果來看，2017年后的測值強(qiáng)于前些年的測值，資料可靠性較差。2015年以來大壩實(shí)測水平位移數(shù)值不大，未出現(xiàn)明顯的不利于大壩安全的異常現(xiàn)象，大壩水平位移性態(tài)基本正常。

2.2 垂直位移監(jiān)測

富水水庫大壩各測點(diǎn)垂直位移測值基本完整，連續(xù)性較好。雖然部分測點(diǎn)垂直位移過程線存在少量尖點(diǎn)，但總體規(guī)律性較好，測值精度相對較高，數(shù)據(jù)基本可靠。

2.2.1 垂直位移過程線

富水水庫大壩2015—2019年4個(gè)縱向斷面的垂直位移過程線見圖6。

由圖6可知，富水水庫大壩除TL-1測點(diǎn)外，其他大部分測點(diǎn)垂直位移趨勢上均表現(xiàn)為下沉方向的持續(xù)變化，變化速率逐漸趨緩。各縱斷面變形值與水平位移變化規(guī)律具有一致性，表現(xiàn)為壩體中間壩段沉降值相對較大，壩體兩端沉降值相對較小，符合壩體沉降量與壩高成正比的關(guān)系，遵循心墻土壩垂直位移的基本變化規(guī)律。

圖6 壩體不同斷面垂直位移過程線

2.2.2 垂直位移特征值

富水水庫大壩2015—2019年4個(gè)縱向斷面的垂直位移特征值縱向分布見圖7。

圖7 壩體不同斷面垂直位移特征值縱向分布

由圖7可知，測點(diǎn)中最大沉降值為20.9mm(測點(diǎn)TL4-1)，最小值為-16.8mm(測點(diǎn)TL3-1)，變幅最大值20.3mm，均出現(xiàn)在靠近壩肩斷面0+020位置，數(shù)據(jù)異常，斷面0+020壩高相對較低，經(jīng)多年現(xiàn)場巡查，未發(fā)現(xiàn)滲漏及明顯變形等異?，F(xiàn)象，說明該斷面數(shù)據(jù)可靠度不高，不予采用；另外，6個(gè)橫斷面中，最大沉降值為18.4mm(測點(diǎn)TL1-3)，最小值-4.6mm(測點(diǎn)TL4-3)，均出現(xiàn)在靠近大壩中間的0+330橫斷面；變幅最大值為9.9mm(測點(diǎn)TL2-3)，出現(xiàn)在0+330橫斷面，變幅最小值為0.6mm(測點(diǎn)TL4-6)，出現(xiàn)在0+666橫斷面；平均值為-5.5～12.25mm，說明大部分測點(diǎn)發(fā)生下降位移，且變形幅度不大。綜上可以看出，垂直位移變化均在合理范圍之內(nèi)，大壩垂直位移情況總體穩(wěn)定。

2.2.3 垂直位移分布

a.縱向分布。選擇環(huán)境量和效應(yīng)量監(jiān)測資料相對完整、上游水位較高、測值變化較有規(guī)律的2016年、2017年、2018年為代表年份，在上游高水位(下半年)和低水位(上半年)情況下，對原始測值分別繪制大壩垂直位移縱向分布圖；其中，壩頂軸線距+4.5m斷面各測點(diǎn)水平位移縱向分布見圖8。

圖8 距壩軸線+4.5m斷面垂直位移縱向分布

由圖8可知，中部測點(diǎn)垂直位移明顯大于兩端測點(diǎn)，這主要是由于中部壩高相對較高。上半年與下半年分布圖的形狀大致相似，同一測點(diǎn)各年份上半年、下半年垂直位移比較接近，對比圖6，測值分布規(guī)律基本一致，測值變幅明顯較小。

b.橫向分布。與縱向分布一致，同樣選擇2016年、2017年、2018年為代表年份，在上游高水位(下半年)和低水位(上半年)情況下，分別繪制大壩垂直位移橫向分布圖，典型斷面0+380、0+496垂直位移橫向分布見圖9。

由圖9可知，所有測點(diǎn)均表現(xiàn)為沉降變形，且分布規(guī)律基本表現(xiàn)為測點(diǎn)從上游至下游，沉降測值依序減小，即迎水面沉降變形最大，下游最低高程點(diǎn)變形最?。灰环矫媸軌胃哂绊?，另一方面受庫水位影響，基本符合土壩變形的一般規(guī)律。

2.2.4 沉降速率

富水水庫大壩近3年(2017—2019年)和近5年(2015—2019年)各測點(diǎn)垂直位移平均沉降速率統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 垂直位移平均沉降速率統(tǒng)計(jì)

由表1可知，近3年平均沉降率最大值為5.8×10-3mm/d，近5年沉降率最大值為6.5×10-3mm/d，且最大值均發(fā)生在大壩中間測點(diǎn)TL2-3。大部分測點(diǎn)平均沉降速率在10-3mm/d數(shù)量級，數(shù)值較小，除距壩軸線-8m縱斷面外，其他3個(gè)縱斷面近3年平均沉降速度低于近5年平均沉降速率，符合一般規(guī)律。

綜合來看，富水水庫大壩垂直位移精度相對較高，總體趨勢以持續(xù)下降方向變化為主，前期變化較快，目前變化速率很小、基本穩(wěn)定；大壩垂直位移縱向分布基本合理，與水平位移測值分布規(guī)律具有一定的一致性，基本符合心墻土壩垂直位移的一般規(guī)律，平均沉降速率在10-3mm/d數(shù)量級，總體未出現(xiàn)明顯的不利于大壩安全的異?，F(xiàn)象。

3 結(jié) 語

大壩變形監(jiān)測是土石壩重要監(jiān)測項(xiàng)目，大壩位移是大壩工作性態(tài)的綜合反映，是大壩是否安全的重要判據(jù)[10-11]。本文通過整理分析富水大壩水庫5年的實(shí)測變形資料，通過過程線、特征值、分布圖、沉降速率等簡捷、直觀方法，探究土壩變形規(guī)律，揭示其變形特性及安全性態(tài)，對大型水利工程具有一定借鑒意義。