槐樹(shù)關(guān)水庫(kù)大壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

高雅彬楊赟王春霞焦林可李生彬

(1.蘭州博文科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730101；2.臨夏回族自治州水利科學(xué)研究院，甘肅 臨夏 731199；3.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 槐樹(shù)關(guān)水庫(kù)概況

槐樹(shù)關(guān)水庫(kù)位于甘肅省臨夏州境內(nèi)，樞紐區(qū)主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、左岸溢洪道、右岸輸水洞等?；睒?shù)關(guān)水庫(kù)大壩工程屬四級(jí)小(Ⅰ)型工程，其主要永久性建筑物包括大壩、溢洪道、輸水泄洪洞等，屬于4級(jí)建筑物，主要建筑物按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核。其他次要及臨時(shí)性建筑物均屬于5級(jí)。水庫(kù)正常蓄水位2543.896m，興利庫(kù)容398.98m3，設(shè)計(jì)洪水位2545.520m(50年一遇)，校核洪水位2547.920m(500年一遇)，總庫(kù)容591.00萬(wàn)m3，死水位2522.655m，死庫(kù)容71.08萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容120.94萬(wàn)m3。設(shè)計(jì)供水能力為5.0萬(wàn)m3·d-1?；睒?shù)關(guān)水庫(kù)擔(dān)負(fù)下游50萬(wàn)人口的飲水功能。

自2015以來(lái)，除壩體滲流量觀測(cè)資料較為全面，嚴(yán)重缺乏其他安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2020年，該壩被某水利科學(xué)院評(píng)價(jià)為“二類壩”，屬于在一定控制運(yùn)行條件下才能安全運(yùn)行的大壩，本文通過(guò)對(duì)大壩的表面和內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與庫(kù)水位進(jìn)行分析以評(píng)估大壩的穩(wěn)定性。

2 項(xiàng)目監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.1 壩體表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

大壩表面變形監(jiān)測(cè)主要分為橫向和縱向2部分。利用全站儀、可動(dòng)覘標(biāo)、固定覘標(biāo)等設(shè)備，通過(guò)三角網(wǎng)和水平線2種方法進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)。在豎向位移的監(jiān)測(cè)中，采用水準(zhǔn)法，使用高精度的水平儀進(jìn)行測(cè)量。

依據(jù)《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL 60-1994)[1]的要求，并考慮到該項(xiàng)目的具體情況，擬在大壩防浪墻與面板連接處及大壩下游坡面布置4排15個(gè)固定位移標(biāo)點(diǎn)，按A1～A15的順序設(shè)置固定位移點(diǎn)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能監(jiān)控到橫向和縱向的位移。依據(jù)樞紐區(qū)的觀測(cè)坐標(biāo)分布，在壩體左、右2個(gè)邊坡上分別設(shè)置了6個(gè)觀測(cè)基點(diǎn)，其中LS1～LS6是6個(gè)水平位移工作基點(diǎn)，XH1～XH6是6個(gè)校核基點(diǎn)，如圖1所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置信息如表1所示。

圖1 表面位移測(cè)點(diǎn)安裝位置圖

表1 大壩表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置信息

2.2 壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)

根據(jù)大壩歷史檢測(cè)資料，在大壩的主監(jiān)測(cè)斷面(壩橫0+061.750)的2525.00m高程布置1套水平和垂直位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別為4個(gè)測(cè)點(diǎn)；水平位移監(jiān)測(cè)采用引張線水平位移計(jì)，儀器編號(hào)為EX1～EX4，EX1為壩橫0+061.750，壩縱0-31；EX2為壩橫0+061.750，壩縱0-27；EX3為壩橫0+061.750，壩縱0；EX4為壩橫0+061.750，壩縱0+17。高程均為2525.000m。垂直位移監(jiān)測(cè)采用水管式沉降儀，儀器編號(hào)為ES1～ES4，ES1為壩橫0+061.750，壩縱0-31；ES2為壩橫0+061.750，壩縱0-27；ES3為壩橫0+061.750，壩縱0；ES4為壩橫，0+061.750壩縱0+17。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 內(nèi)部位移測(cè)點(diǎn)安裝位置圖

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 壩體表面變形監(jiān)測(cè)分析

根據(jù)歷史監(jiān)測(cè)資料得知，水平位移值為正表示向下游向左岸變形，反之向上游向右岸；垂直位移為正表示大壩下沉，反之代表上升。變形監(jiān)測(cè)的目標(biāo)是通過(guò)獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，從而找出變形產(chǎn)生的原因，幫助人們認(rèn)識(shí)并分析導(dǎo)致變形的因素和規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行有效的預(yù)防、控制、處理，最終達(dá)到保證觀測(cè)對(duì)象安全的目的[2]。

3.1.1 壩體表面水平位移

壩體表面水平位移自2022年2月15日開(kāi)始監(jiān)測(cè)，其中A1～A10的表面水平位移利用水平位移工作基點(diǎn)LS3和LS4高程(1985系)的平均值減去XH3校核基點(diǎn)的高程得到，A11～A13的水平位移利用水平位移工作基點(diǎn)LS5的高程減去校核基點(diǎn)XH5的高程得到，A14～A15的水平位移利用水平位移工作基點(diǎn)LS6的高程減去校核基點(diǎn)XH6的高程得到。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，壩體表面水平位移觀測(cè)值均在-2～3cm，表明壩體水平位移在時(shí)效因素的影響下，壩體的不同部位出現(xiàn)緩慢變形且趨于穩(wěn)定，因?yàn)閴误w水平位移受沉降影響，這也表明壩體沉降均勻穩(wěn)定，符合面板堆石壩一般沉降規(guī)律。大壩水平位移隨時(shí)間和空間的分布情況如圖3、圖4所示。

圖3 壩體表面水平位移時(shí)間分布

圖4 壩體表面水平位移空間分布

由圖3可知，壩頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1～A10的水平位移為均正值，表明壩頂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移向下游變形，這是由于受蓄水引起的時(shí)效變形的影響。而大壩下游坡面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移均為負(fù)值，即下游坡面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均向上游變形，這表明在壩低處可能由于粘土產(chǎn)生的干縮，水平位移表現(xiàn)出向上游變形的趨勢(shì)。大壩水平位移水平增長(zhǎng)，沒(méi)有突增的趨勢(shì)，表明大壩隨著時(shí)間發(fā)生緩慢的變形，但總體在可控范圍之內(nèi)。由圖4可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A14～A15監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于下游坡面高程最低，水平位移值的絕對(duì)值最小，表明大壩水平位移沿下游方向，變形逐漸減小，同時(shí)反映了土石壩的一般變形規(guī)律，即測(cè)點(diǎn)高程越高，壩體填筑高度越大，由運(yùn)行期間水平荷載引起的位移越大[3]。

3.1.2 壩體表面沉降

本次壩體垂直監(jiān)測(cè)自2022年2月15日開(kāi)始監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第1次測(cè)量的高程減去第2次測(cè)量的高程得到沉降量，結(jié)果為正值表示沉降，反之代表上升，2022年3月17日得到1組沉降量。本次沉降量加上一次的累計(jì)沉降量得到本次監(jiān)測(cè)的累計(jì)沉降量，正值代表沉降，反之代表上升，2022年4月28日得到第1組累計(jì)沉降量。近來(lái)觀測(cè)值經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的累計(jì)沉降量隨時(shí)間和空間分布情況如圖5、圖6所示。

圖5 壩體表面沉降時(shí)間分布

圖6 壩體表面沉降量空間分布

由圖5可知，測(cè)量過(guò)程與水位關(guān)系不明顯，過(guò)程線整體呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明水庫(kù)基礎(chǔ)縱向位移隨時(shí)間仍有增加的趨勢(shì)，但增值逐漸變小，大壩趨于穩(wěn)定。由圖6可知，空間分布上表面沉降以河床區(qū)間觀測(cè)點(diǎn)為主，如A2、A4、A9、A13，沉降量比兩岸壩肩附近的觀測(cè)點(diǎn)大。在同一高度的各觀測(cè)點(diǎn)中，下沉量最大的位于壩體中心軸線觀測(cè)點(diǎn)，如A3、A8、A12點(diǎn)，呈現(xiàn)在同一高程各測(cè)點(diǎn)當(dāng)中沉降量最大的位于壩中軸線的測(cè)點(diǎn)。水庫(kù)蓄水初期，壩體沉降速度較快，隨后進(jìn)入穩(wěn)定期，壩體沉降速度減慢。

沉降作為堆石壩觀測(cè)變形的重要指標(biāo)之一，實(shí)踐證明，主要受應(yīng)力狀態(tài)與時(shí)間的影響，施工期間沉降的影響因數(shù)有填土的高度和時(shí)間，運(yùn)行期間的沉降則隨時(shí)間和水庫(kù)水位的變化而變化[4]。將大壩表面變形中垂直位移的變化與庫(kù)水位利用Pearson線性相關(guān)函數(shù)作相關(guān)性分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 防浪墻與面板連接處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與庫(kù)水位相關(guān)性

由圖7可知，除A9以外的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位A1～A10與庫(kù)水位呈現(xiàn)不同程度的正相關(guān)，而大壩下游坡面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)與庫(kù)水均呈負(fù)相關(guān)，即防浪墻與面板連接處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨庫(kù)水位的升高沉降量增加，而大壩下游坡面處隨庫(kù)水位的升高沉降量減小，可能因?yàn)閴蔚吞幈O(jiān)測(cè)點(diǎn)受庫(kù)水位上升導(dǎo)致壩體內(nèi)滲流浸潤(rùn)線升高，更多的土體被滲水浸泡膨脹，導(dǎo)致壩體濕脹出現(xiàn)上升，庫(kù)水位下降后，浸潤(rùn)線下降，壩體出現(xiàn)向下的沉降。觀察面板連接處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位之間的相關(guān)性，A9與其余面板連接處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均呈負(fù)相關(guān)，與其周圍各監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)不同規(guī)律的沉降，需對(duì)A9點(diǎn)位加強(qiáng)監(jiān)測(cè)；大壩下游坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)A11、A12、A13之間的相關(guān)系數(shù)為1，A14與A15的相關(guān)系數(shù)為0.95，說(shuō)明大壩下游坡面沿壩縱連接緊密結(jié)實(shí)。

3.2 壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 壩體內(nèi)部水平位移

壩體內(nèi)部水平位移通過(guò)JTM-J7200型引張線式水平位移計(jì)測(cè)量，其工作原理是在設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)高程水平鋪設(shè)能自由伸縮并經(jīng)防銹處理的鍍鋅鋼管，從各設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)引出線膨脹系數(shù)很小的不銹銦鋼絲，至觀測(cè)房固定標(biāo)點(diǎn)，經(jīng)導(dǎo)向滑輪，在引出線末端掛重錘，被測(cè)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生變形，帶動(dòng)錨固板移動(dòng)并通過(guò)固定在伸縮接頭中的鋼絲卡頭傳遞給測(cè)量鋼絲，牽動(dòng)游標(biāo)讀出位移變化數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)的位移大小等于某時(shí)刻t的讀數(shù)與初始讀數(shù)之差，加相應(yīng)觀測(cè)房?jī)?nèi)固定標(biāo)點(diǎn)的位移量。固定標(biāo)點(diǎn)的水平位移由壩兩端以視準(zhǔn)線法(或其它方法)測(cè)出。

位移量的一般計(jì)算公式：

ΔL=ΔS-bh+ΔD

(1)

式中，ΔL為被測(cè)結(jié)構(gòu)物的位移量，mm；ΔS為位移計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量值相對(duì)其基準(zhǔn)值的變化量，mm；ΔD為觀測(cè)房?jī)?nèi)固定標(biāo)點(diǎn)相對(duì)其基準(zhǔn)值的變化量，mm；b為位移計(jì)銦鋼絲的線膨脹系數(shù)，b≈0.8×10-6；h為銦鋼絲的有效安裝長(zhǎng)度，mm。

壩體內(nèi)部水平位移自2022年3月17日開(kāi)始監(jiān)測(cè)，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在同一斷面和高程并沿下游走向分布。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水平位移隨時(shí)間和空間分布情況如圖8、圖9所示。

圖8 壩體內(nèi)部水平位移時(shí)間分布

圖9 壩體內(nèi)部水平位移空間分布

由圖8可知，壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)中各測(cè)點(diǎn)水平位移值在-4～8mm，隨時(shí)間逐漸減小并趨于穩(wěn)定，水平位移基本呈現(xiàn)向上游變化的趨勢(shì)，且與庫(kù)水位變化沒(méi)有明顯的關(guān)系，大壩隨時(shí)間趨于穩(wěn)定。與表面變形監(jiān)測(cè)中下游坡面處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移向上游變化的趨勢(shì)相一致，說(shuō)明大壩下游處表面和內(nèi)部的水平位移緊密相關(guān)。由內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位安裝圖可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位填筑高度為EX1>EX4>EX3>EX2，圖9監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，向上游變形的水平位移值為EX2>EX3>EX4>EX1，說(shuō)明大壩向下游的水平位移規(guī)律與填筑高度相一致，即填筑高度越大，向下游的水平位移越大。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)EX1位于上游壩體墊層內(nèi)，滲透系數(shù)為1.000e-03m·s-1，EX2位于上游壩體的過(guò)渡層，滲透系數(shù)為6.200e-06m·s-1，EX3位于主堆石區(qū)的壩軸處，滲透系數(shù)為2.900e-05m·s-1，EX4位于次堆石區(qū)，滲透系數(shù)為2.660e-05m·s-1。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中EX1滲透系數(shù)最大且受庫(kù)水位的影響也最大，因其受上游蓄水荷載的影響從而在這4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中向上游變形的位移最小。

3.2.2 壩體垂直位移

采用水管式沉降儀對(duì)壩體內(nèi)部垂直位移進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，該儀器廣泛用于土石壩的安全監(jiān)測(cè)。水管式沉降儀觀測(cè)壩體內(nèi)部沉降是利用液體在連通管的水面最終會(huì)形成同一水平面的原理制成。如果大壩內(nèi)部某測(cè)量點(diǎn)沒(méi)有沉降發(fā)生，觀測(cè)房測(cè)量管水位不會(huì)產(chǎn)生變化；反之，如果設(shè)在壩體內(nèi)部的測(cè)頭隨壩體下降，則壩面測(cè)量管水位也跟隨下降，從而判斷出內(nèi)部某一測(cè)點(diǎn)相對(duì)于觀測(cè)房的沉降值。壩體內(nèi)部垂直位移自2022年3月17日開(kāi)始監(jiān)測(cè)，累計(jì)沉降量為觀測(cè)房基準(zhǔn)點(diǎn)沉降(觀測(cè)房基準(zhǔn)點(diǎn)高程減去觀測(cè)房起始基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)高)加上測(cè)壓管讀數(shù)差(測(cè)壓管起始讀數(shù)減去測(cè)驗(yàn)管讀數(shù))。利用累計(jì)沉降量比上測(cè)點(diǎn)下土層起始厚度得到的累計(jì)沉降率來(lái)度量大壩內(nèi)部的垂直位移，壩體內(nèi)部垂直位移分布隨時(shí)間和空間分布的情況如圖10、圖11所示。

圖10 壩體內(nèi)部垂直位移時(shí)間分布

圖11 壩體內(nèi)部垂直位移空間分布

圖10監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，盡管測(cè)值過(guò)程線與水位的關(guān)系不明顯，但總體上呈現(xiàn)出上升并趨于穩(wěn)定。這表明壩基垂直位移隨著時(shí)間的推移仍然在增大，增幅有所減小，而壩體沉降則趨于穩(wěn)定。由圖11可知，壩基垂直位移主要受到自重影響，其分布規(guī)律沿著各個(gè)壩段也呈現(xiàn)出河床段較大、邊坡壩段較小的趨勢(shì)，這與壩高變化基本一致。數(shù)據(jù)趨于平緩數(shù)值逐漸變小，同時(shí)EL.2525.000m高程的ES1～ES4 4個(gè)測(cè)點(diǎn)斷面同時(shí)期沉降速率基本相同，表明沉降速率符合堆石壩一般變形規(guī)律。

因?yàn)閴误w變形隨庫(kù)水位變化有一定的滯后性[5]，因此將壩體滯后的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與正常監(jiān)測(cè)時(shí)間的庫(kù)水位進(jìn)行Pearson線性相關(guān)性分析，探究大壩變形規(guī)律。

由表2可知，變形監(jiān)測(cè)相對(duì)庫(kù)水位監(jiān)測(cè)時(shí)間滯后2個(gè)時(shí)段時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水平位移與庫(kù)水位均呈正相關(guān)關(guān)系，在庫(kù)水位和壩體變形監(jiān)測(cè)同步時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與庫(kù)水位均呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明大壩的變形相對(duì)于庫(kù)水位變化具有滯后性，且大概滯后2個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)較少，得到的結(jié)論較模糊，因此后續(xù)需加強(qiáng)對(duì)大壩變形的監(jiān)測(cè)，分析比較數(shù)據(jù)，得到較可靠的結(jié)論。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移與庫(kù)水位相關(guān)系數(shù)表

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究結(jié)果表明，表面變形監(jiān)測(cè)中壩體水平位移分布與壩體填筑高度相關(guān)，高程越大，位移越大。壩體表面沉降均勻、穩(wěn)定，垂直位移隨吋間仍有增大趨勢(shì)，但數(shù)據(jù)趨于平緩且數(shù)值逐漸變小，符合面板堆石壩一般沉降規(guī)律。表面變形監(jiān)測(cè)中壩體頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)與庫(kù)水位呈正相關(guān)關(guān)系，即庫(kù)水位升高壩體沉降增大，庫(kù)水位減小，壩體沉降量減小，這一點(diǎn)也與張博等對(duì)豐滿大壩的垂直位移監(jiān)測(cè)結(jié)果相一致[6]。而大壩下游坡面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)與庫(kù)水位呈負(fù)相關(guān)，可能因?yàn)閴蔚吞幈O(jiān)測(cè)點(diǎn)受庫(kù)水位上升導(dǎo)致壩體內(nèi)滲流浸潤(rùn)線升高，更多的土體被滲水浸泡膨脹出現(xiàn)壩體上升，庫(kù)水位下降造成浸潤(rùn)線下降，從而壩體出現(xiàn)沉降。內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)中，大壩向下游變形的水平位移規(guī)律與填筑高度相一致，即填筑高度越大，向下游的水平位移越大。壩體垂直位移隨時(shí)間仍有增大趨勢(shì)，但增幅減小，壩體沉降趨于穩(wěn)定，內(nèi)部沉降較庫(kù)水位變化滯后2個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段，滯后的內(nèi)部沉降位移與庫(kù)水位呈正相關(guān)。大壩變形監(jiān)測(cè)是土石壩的重要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，大壩位移是大壩工作性態(tài)的綜合反映，是判斷大壩安全與否重要標(biāo)準(zhǔn)[7]。本文通過(guò)對(duì)大壩表面和內(nèi)部的變形監(jiān)測(cè)，挖掘土石壩變形規(guī)律，揭示其變形特性及安全形態(tài)，對(duì)大壩的安全運(yùn)行具有重要意義。