蜀河水電站大壩趨勢(shì)性沉降問(wèn)題的分析討論

郭玉嶸，王 鋒，王輝義

（國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122）

1 工程概況

蜀河水電站位于陜西省旬陽(yáng)縣蜀河鎮(zhèn)境內(nèi)的漢江干流上，距上游旬陽(yáng)縣城和安康水電站分別約51 km和120 km，是漢江干流上游河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃中的第六座水電站。工程主要任務(wù)為發(fā)電，兼顧航運(yùn)。工程于2005年12月開(kāi)工，2009年12月下閘蓄水并投產(chǎn)發(fā)電，2016年3月完成竣工安全鑒定。

水電站壩址以上控制流域面積4.94萬(wàn)km2，總庫(kù)容約3.24億m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。水庫(kù)正常蓄水位217.30 m，死水位215.00 m，設(shè)計(jì)洪水位222.05 m，校核洪水位227.15 m（p=0.1%）。樞紐建筑物從左至右依次為安裝間、河床式廠房、縱向?qū)Α⑿购殚l、垂直升船機(jī)兼泄洪閘、右副壩等，全長(zhǎng)290 m，壩頂高程230.00 m，最大壩高72 m。

陜西蜀河水電站大壩首次定期檢查期間發(fā)現(xiàn)，混凝土壩壩頂垂直位移自2012年起開(kāi)始下沉，至2020年最大下沉量累計(jì)達(dá)6 mm，各測(cè)點(diǎn)下沉量基本一致，趨勢(shì)性位移未收斂，見(jiàn)圖1。有分析認(rèn)為：“大壩整體在逐年下降，產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是大壩地基堅(jiān)硬度及承載力逐年下降導(dǎo)致的”[1]。

圖1 壩頂垂直位移測(cè)值過(guò)程線Fig.1 Process line of verticaldisplacement of dam crest

工程實(shí)際中，混凝土重力壩垂直位移發(fā)生趨勢(shì)變化且運(yùn)行多年未收斂的情況較少，需要在排除觀測(cè)方法、基點(diǎn)穩(wěn)定、平差計(jì)算等觀測(cè)誤差的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其他監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。若經(jīng)核實(shí)，確實(shí)為大壩產(chǎn)生趨勢(shì)性沉降，則應(yīng)分析評(píng)判大壩結(jié)構(gòu)安全性的影響，如四川沙灣水電站蓄水以來(lái)閘壩發(fā)生趨勢(shì)性沉降，最大沉降達(dá)18 cm，根據(jù)測(cè)值及時(shí)分析評(píng)判并采取工程措施[2]。

2 壩基變形

大壩建基于弱～微風(fēng)化巖體上，以CⅢ類(lèi)巖體為主，局部為CⅣ類(lèi)，壩基巖性主要為白云母石英片巖、絹云母千枚巖，局部炭泥質(zhì)板巖。弱風(fēng)化白云母石英片巖變形模量0.980 GPa，弱風(fēng)化絹云母千枚巖變形模量1.171~6.225 GPa，平均值3.335 GPa。壩基順層斷層發(fā)育，規(guī)模較大的F3、F4斷層屬中緩傾角斷層，傾向上游，斷層破碎帶寬度變化較大，是控制壩基變形的主要結(jié)構(gòu)面。其中F3斷層的延伸長(zhǎng)度較大，破碎帶主要下伏于泄洪閘壩段和廠房壩段，壩基變形對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響較大，施工中對(duì)壩基地質(zhì)缺陷采取了深挖清除、刻槽置換混凝土、鋪設(shè)鋼筋等處理措施，并進(jìn)行壩基固結(jié)灌漿，處理后的壩基承載力及變形滿足設(shè)計(jì)要求。

蜀河大壩最大壩高72 m，屬于中高壩，基礎(chǔ)為弱～微風(fēng)化巖體，局部巖性偏軟，雖已針對(duì)性采取工程措施，但不能排除個(gè)別壩段產(chǎn)生趨勢(shì)性沉降的可能。從埋設(shè)在壩基的基巖變位計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)（圖2），壩基最大壓縮量2.8 mm，主要發(fā)生在儀器安裝初期，2010年以后測(cè)值基本保持不變，不存在趨勢(shì)性變化，經(jīng)綜合分析，壩基變形穩(wěn)定，可排除大壩基礎(chǔ)整體趨勢(shì)性壓縮變形的可能。

圖2 基巖變位計(jì)測(cè)值過(guò)程線Fig.2 Curve of monitoring data by bedrock extensometer

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性分析

3.1 壩頂垂直位移監(jiān)測(cè)情況

大壩垂直位移采用幾何水準(zhǔn)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，壩頂共布置13個(gè)幾何水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為L(zhǎng)D1～LD13。工作基點(diǎn)布置在壩頂左右岸灌漿廊道內(nèi)，基點(diǎn)編號(hào)BM05和BM06。工作基點(diǎn)位移采用壩址區(qū)高程控制網(wǎng)校核。垂直位移采用DNA03水準(zhǔn)儀及配套水準(zhǔn)尺按一等水準(zhǔn)測(cè)量要求施測(cè)，初始值取得時(shí)間為2012年1月，觀測(cè)頻次為1次/月，采用支水準(zhǔn)往返測(cè)路線進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)線路為：壩左工作基點(diǎn)BM06→轉(zhuǎn)點(diǎn)1→轉(zhuǎn)點(diǎn)2→LD13→LD12→…→LD1→壩右工作基點(diǎn)BM05（作轉(zhuǎn)點(diǎn)處理），往返測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)垂直位移幾何水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)與壩體牢固結(jié)合，測(cè)點(diǎn)能反映壩頂?shù)膶?shí)際變形情況，測(cè)點(diǎn)有保護(hù)裝置。水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺每年送檢，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

3.2 觀測(cè)精度分析

3.2.1 理論精度

壩頂幾何水準(zhǔn)路線理論精度受水準(zhǔn)測(cè)量中偶然誤差和系統(tǒng)誤差影響。據(jù)DL/T 2155—2020《大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)規(guī)程》，一測(cè)站單程所測(cè)高差的中誤差為Md，一等水準(zhǔn)取±0.106 mm。往返測(cè)時(shí)垂直位移中誤差M w=M d/2；其余路線M w=M d。

對(duì)支水準(zhǔn)線路，最弱點(diǎn)為最遠(yuǎn)點(diǎn)，最弱點(diǎn)測(cè)站數(shù)等于起測(cè)點(diǎn)至該點(diǎn)的單程測(cè)站數(shù)。最弱點(diǎn)的高程中誤差計(jì)算式為：

式中，R為最弱點(diǎn)測(cè)站數(shù)。

垂直位移量是兩次測(cè)得高程值之差，故得垂直位移中誤差。

經(jīng)計(jì)算，蜀河大壩壩頂水準(zhǔn)路線最弱點(diǎn)高程中誤差±0.31 mm。大壩壩頂水準(zhǔn)路線垂直位移中誤差±0.43 mm，均小于±1 mm，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 實(shí)測(cè)精度

壩頂垂直位移設(shè)置兩個(gè)工作基點(diǎn)：BM05和BM06，分別位于壩頂左右岸灌漿廊道內(nèi)，設(shè)置兩個(gè)工作基點(diǎn)應(yīng)該是原設(shè)計(jì)打算采用附合水準(zhǔn)觀測(cè)。實(shí)際觀測(cè)采用支水準(zhǔn)往返測(cè)，平差采用BM06作為起算點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，BM05未作為工作基點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，只作為普通轉(zhuǎn)點(diǎn)。

對(duì)2019年11月至2020年10月的10次觀測(cè)原始記錄的精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各次大壩垂直位移測(cè)量的往返測(cè)不符值最大為0.51 mm，小于規(guī)范要求的往返測(cè)不符值±1.24 mm，各測(cè)次大壩垂直位移測(cè)量往返測(cè)不符值均滿足一等水準(zhǔn)的要求，觀測(cè)精度良好。

3.3 工作基點(diǎn)穩(wěn)定性分析

BM05和BM06采用壩址區(qū)高程控制網(wǎng)校核，2009年10月20日高程控制網(wǎng)建成并取得初始值，采用DNA03水準(zhǔn)儀按一等水準(zhǔn)精度進(jìn)行觀測(cè)。首先從國(guó)家水準(zhǔn)網(wǎng)二等水準(zhǔn)點(diǎn)Ⅱ安+29（高程系統(tǒng)為吳淞高程系）引測(cè)至水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)雙金屬標(biāo)及水準(zhǔn)基點(diǎn)，連續(xù)觀測(cè)2次，按一等水準(zhǔn)要求平差計(jì)算合格后取均值作為初始值。首次觀測(cè)閉合差為1.1 mm，每公里偶然中誤差為0.24 mm，滿足一等水準(zhǔn)測(cè)量要求。2014年12月采用DiNi12電子水準(zhǔn)儀按國(guó)家一等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求施測(cè)。水準(zhǔn)控制網(wǎng)觀測(cè)時(shí)首先觀測(cè)校核點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)的鋼標(biāo)及鋁標(biāo)，以基準(zhǔn)點(diǎn)的鋼標(biāo)作為起始點(diǎn)，連續(xù)觀測(cè)2次，平差計(jì)算合格后取均值作為高程控制網(wǎng)恢復(fù)后的首次觀測(cè)結(jié)果。

2015年11月、2016年12月、2017年11月、2018年12月、2019年11月和2020年11月對(duì)高程控制網(wǎng)復(fù)測(cè)，其中BM06由于引測(cè)轉(zhuǎn)點(diǎn)損壞，2016—2019年未復(fù)測(cè)。復(fù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。由表可知：工作基點(diǎn)BM06各次復(fù)測(cè)值與首次測(cè)值之差較大，2014年12月和2015年11月復(fù)測(cè)時(shí)位移量分別為4.5 mm和4.0 mm，BM06出現(xiàn)了較大上抬變形。2020年11月復(fù)測(cè)結(jié)果表明，BM06累計(jì)上抬量為6.50 mm，目前該點(diǎn)仍處于緩慢上抬狀態(tài)，左岸存在炭泥質(zhì)板巖出露，工作基點(diǎn)上抬可能是由于炭泥質(zhì)板巖遇水膨脹造成的。工作基點(diǎn)BM05各次復(fù)測(cè)值與首次測(cè)值之差較小，最大為1.2 mm，BM05總體穩(wěn)定。

表1 工作基點(diǎn)校測(cè)結(jié)果（單位：m）Table 1 Results of calibration of benchmark points

表2 工作基點(diǎn)歷次校測(cè)與首次測(cè)值差（單位：mm）Table 2 Difference between previous calibrations and first mea?surement of benchmark points

左觀測(cè)平洞工作基點(diǎn)BM06目前累計(jì)上抬位移6.5 mm，與大壩沉降變形的量值基本吻合，壩頂垂直位移2009—2020年沉降6 mm左右，因此，分析大壩垂直位移測(cè)值趨勢(shì)性沉降增大應(yīng)該是工作基點(diǎn)BM06不穩(wěn)定引起。

3.4 起算基點(diǎn)調(diào)整

從以上分析得出，大壩垂直位移趨勢(shì)性變化是由工作基點(diǎn)BM06上抬引起的，經(jīng)過(guò)多年復(fù)測(cè)，水準(zhǔn)線路中另一個(gè)工作基點(diǎn)BM05是穩(wěn)定的，因此可以將歷次水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)以BM05為基準(zhǔn)點(diǎn)重新計(jì)算壩頂水準(zhǔn)測(cè)值。重新計(jì)算后繪制壩頂垂直位移過(guò)程線，見(jiàn)圖3。大壩垂直位移測(cè)點(diǎn)位移無(wú)明顯趨勢(shì)性變化，測(cè)值明顯呈年周期變化，氣溫升高上抬，氣溫降低下沉，能反映大壩垂直位移的實(shí)際變化情況。

圖3 以BM05作為工作基點(diǎn)計(jì)算的壩頂垂直位移測(cè)值過(guò)程線Fig.3 Process line of vertical displacement of dam crest taking BM05 as the benchmark point

4 大壩變形性態(tài)分析

壩頂垂直位移測(cè)值過(guò)程線見(jiàn)圖3，壩頂垂直位移測(cè)點(diǎn)年變幅分布見(jiàn)圖4。對(duì)國(guó)內(nèi)壩高70~90 m的混凝土重力壩垂直位移年變幅數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3。由圖表可見(jiàn)：

圖4 壩頂垂直位移年變幅分布Fig.4 Annualvariation of vertical displacement of dam crest

（1）從變化趨勢(shì)看，近年來(lái)壩頂各壩段垂直位移變化穩(wěn)定，無(wú)明顯的趨勢(shì)性變化。

（2）壩頂垂直位移隨溫度呈年周期變化，溫升上抬，溫降下沉，符合一般混凝土壩垂直位移變形規(guī)律。

（3）壩頂各壩段垂直位移最大年變幅在4.5~14.8 mm。從變幅的分布看，右岸泄洪閘壩段垂直位移變幅較小，左岸廠房壩段壩頂垂直位移變幅較右岸大些，河床中部廠房表孔6號(hào)閘墩部位最大年變幅為14.8 mm。壩頂垂直位移變幅分布狀態(tài)符合工程特點(diǎn)。

（4）根據(jù)國(guó)內(nèi)最大壩高70~90 m的混凝土重力壩的垂直位移年變幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表3），除五強(qiáng)溪最大年變幅達(dá)14.0 mm以外，其余大壩垂直位移最大年變幅均在10.0 mm以內(nèi)。蜀河水電站廠房壩段垂直位移變幅與同類(lèi)工程對(duì)比偏大，主要與廠房壩段廠內(nèi)溢流結(jié)構(gòu)布置有關(guān)，但變幅量值基本在合理范圍。

表3 混凝土重力壩壩頂垂直位移最大年變幅統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of maximum annual variation of vertical dis?placement of dam crest

（5）從相對(duì)位移看，壩頂相鄰壩段測(cè)點(diǎn)同步性較好，出現(xiàn)峰谷的時(shí)間基本接近，變化情況相似，表明大壩垂直位移變化較為協(xié)調(diào)，各壩段壩頂未發(fā)現(xiàn)明顯的不均勻沉降，混凝土結(jié)構(gòu)未見(jiàn)破損，壩段之間結(jié)構(gòu)縫未見(jiàn)明顯錯(cuò)抬（圖5）。

圖5 壩頂結(jié)構(gòu)縫變形情況Fig.5 Deformation of structural joint on dam crest

5 結(jié)語(yǔ)

（1）蜀河水電站大壩壩頂垂直位移測(cè)值表現(xiàn)為趨勢(shì)性沉降，是由于水準(zhǔn)工作基點(diǎn)BM06不穩(wěn)定造成的。可以采用穩(wěn)定的工作基點(diǎn)BM05作為起算點(diǎn)重新計(jì)算壩頂垂直位移結(jié)果。

（2）重新計(jì)算后的垂直位移結(jié)果顯示，蓄水以來(lái)蜀河大壩垂直位移測(cè)值穩(wěn)定，垂直位移變形規(guī)律及分布規(guī)律符合混凝土壩一般規(guī)律，年變幅較同類(lèi)工程偏大，與廠內(nèi)溢流的結(jié)構(gòu)布置有關(guān)，年變幅屬于合理范圍。

（3）根據(jù)壩頂垂直位移、基巖變位觀測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果分析，大壩變形性態(tài)正常。

（4）大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析前，首先要對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性進(jìn)行甄別，尤其是對(duì)于異常測(cè)值，應(yīng)采取多種方法驗(yàn)證，不要急于得出大壩存在異常變形的結(jié)論。分析過(guò)程中也應(yīng)緊密結(jié)合工程的水文地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行環(huán)境綜合分析，對(duì)異?，F(xiàn)象給出合理的解釋?zhuān)瑸闇?zhǔn)確評(píng)價(jià)大壩結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)行性態(tài)提供依據(jù)。