南水北調(diào)東線大屯水庫表面變形安全監(jiān)測監(jiān)控指標(biāo)研究

張 哲

(中國南水北調(diào)集團(tuán)東線有限公司，北京 100070)

1 工程概況

南水北調(diào)東線一期工程自長江下游江都水利樞紐引長江水，通過13級泵站提級北送至東平湖，出東平湖后自流至德州、濟(jì)南等地。自2013年正式通水以來，已積累了較長系列的泵站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，具備開展安全監(jiān)測指標(biāo)研究的基本條件[1]。大屯水庫作為南水北調(diào)東線工程山東境內(nèi)的調(diào)蓄水庫之一，是山東省魯北輸水工程的重要組成部分，其主要任務(wù)是調(diào)蓄南水北調(diào)東線向德州市德城區(qū)和武城縣城區(qū)城市居民和工業(yè)供水的水量，保障南水北調(diào)東線魯北輸水工程完成供水目標(biāo)[2]。

2 研究思路及對象

2.1 研究思路

本文以南水北調(diào)東線工程大屯水庫圍壩體2015—2018年安全監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對大屯水庫運(yùn)行特點(diǎn)和監(jiān)測結(jié)果及圍壩體表面變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探索研究表面變形觀測特征值，確定長期運(yùn)行安全監(jiān)測監(jiān)控指標(biāo)[3]。

2.2 研究對象

關(guān)鍵部位：圍壩體。

關(guān)鍵安全監(jiān)測項(xiàng)目：垂直位移、水平位移。

3 變形監(jiān)測點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

大屯水庫布置有大壩內(nèi)外觀變形、滲流、土壓力、降水量及氣溫等監(jiān)測點(diǎn)。其中，表面變形觀測樁號0+960、1+810、2+810、3+910、4+910、5+910、6+910、8+010和8+910共9個斷面設(shè)有表面變形監(jiān)測點(diǎn)，每個斷面布設(shè)3個測點(diǎn)，用于運(yùn)行期表面位移觀測(見表1)，其中，各個斷面1號測點(diǎn)(如DTD1-1)位于壩體內(nèi)側(cè)，2號測點(diǎn)(如DTD1-2)位于壩體頂部，3號測點(diǎn)(如DTD1-3)位于壩體外側(cè)。

表1 大屯水庫圍壩體安全監(jiān)測表面變形觀測儀器設(shè)施統(tǒng)計

3.2 監(jiān)測資料分析

根據(jù)選取的大屯水庫工程關(guān)鍵部位及關(guān)鍵監(jiān)測項(xiàng)目，以大屯水庫圍壩體為對象，基于原型觀測資料，重點(diǎn)分析其時空變化規(guī)律和特點(diǎn)，分析探索各效應(yīng)量監(jiān)測數(shù)據(jù)與環(huán)境量變化的相關(guān)性。

各監(jiān)測成果的符號規(guī)定如下：表面垂直位移：下沉為正，反之為負(fù)，單位為mm；表面水平位移：向北為正，向東為正，反之為負(fù)，單位為mm。

3.2.1 垂直位移數(shù)據(jù)分析

垂直位移從2014年12月15日開始監(jiān)測，并以該日作為累計垂直位移的基準(zhǔn)日。本次分析的監(jiān)測資料截至2018年6月，每年監(jiān)測3～5次。特征值從2015年開始統(tǒng)計至2018年(見表2)。

表2 垂直位移安全監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：mm

由表2可知：

對垂直位移的特征值進(jìn)行分析，至2018年6月，壩體內(nèi)側(cè)垂直位移最大值在22.72～45.14mm，最大沉降發(fā)生在DTD7-1測點(diǎn)(6+910斷面)，最小沉降發(fā)生在DTD8-1(8+101斷面)；壩頂垂直位移最大值在17.81～47.17mm，最大沉降發(fā)生在DTD5-2測點(diǎn)(4+910斷面)，最小沉降發(fā)生在DTD6-2測點(diǎn)(4+910斷面)；壩體外側(cè)垂直位移最大值在8.89～35.60mm，最大沉降發(fā)生在DTD6-3(5+910斷面)，最小沉降發(fā)生在DTD5-3(4+910斷面)。其中，最大沉降值為47.17mm，發(fā)生在2018年的4+910斷面壩體頂部。

對垂直位移的年變幅進(jìn)行分析，從27個測點(diǎn)來看，共有19個測點(diǎn)年變幅最大值出現(xiàn)在2015年，占比70.4%，1個測點(diǎn)年變幅最大值出現(xiàn)在2016年，6個測點(diǎn)年變幅最大值出現(xiàn)在2017年，1個測點(diǎn)年變幅最大值出現(xiàn)在2018年；從9個監(jiān)測斷面來看，共有4個斷面的全部3個測點(diǎn)年變幅最大值均出現(xiàn)在2015年。以上情況反映出，垂直位移沉降年變幅最大值為2015年，說明蓄水初期沉降量相對較大。

對年度垂直位移變幅進(jìn)行分析，2015年最大變幅為13.23mm，發(fā)生在DTD7-1測點(diǎn)(6+910斷面壩體內(nèi)側(cè))；2016年最大變幅為7.01mm，發(fā)生在DTD4-2測點(diǎn)(3+910斷面壩頂)；2017年最大變幅為9.23mm，發(fā)生在DTD5-2測點(diǎn)(4+910斷面壩頂)；2018年最大變幅為14.55mm，發(fā)生在DTD7-1測點(diǎn)(6+910斷面壩體內(nèi)側(cè))。變幅較大的2015年和2018年，最大值分別出現(xiàn)在當(dāng)年的4月和3月，正是水庫大量抬升階段。

對年均值進(jìn)行分析，至2018年6月，27個測點(diǎn)的累計沉降量的年均值逐漸增長，最大增長出現(xiàn)在2017—2018年的DTD5-2測點(diǎn)(4+910斷面壩頂)，增量為12.83mm，其他時間內(nèi)年增長量約在6～10mm，各年變化速率較為均衡。

對垂直位移的時空規(guī)律進(jìn)行分析，各斷面3個測點(diǎn)中，庫區(qū)內(nèi)側(cè)(1號測點(diǎn))和壩頂測點(diǎn)(2號測點(diǎn))的累計沉降量非常接近，過程線幾乎重合，這兩個測點(diǎn)的沉降量略大于庫區(qū)外側(cè)測點(diǎn)(3號測點(diǎn))，但3個測點(diǎn)的沉降速率基本保持一致。從2014年12月至2018年6月，各斷面沉降尚未趨穩(wěn)，年平均沉降速率約在4～13mm，其中2015年5—7月、2017年3—6月和2018年3—6月三個時間段內(nèi)的沉降速率較大，對比庫內(nèi)水位來看，這三個時間段內(nèi)庫水位正大幅增長，增幅為5～8m，說明壩體垂直位移除了隨時間緩慢均勻下沉外，還受水庫蓄水影響。

3.2.2 水平位移數(shù)據(jù)分析

水平位移從2014年12月15日開始監(jiān)測，本次分析的監(jiān)測資料截至2018年6月，每年監(jiān)測2～4次。特征值從2015年統(tǒng)計至2018年(見表3)。

表3 水平位移安全監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：mm

由表3可知：

對水平位移的特征值進(jìn)行分析，累計向北位移最大值為-9.6～26.95mm，其中向北最大位移出現(xiàn)在2017年3月的DTD4-3測點(diǎn)(3+910斷面壩體外側(cè))，向南最大位移出現(xiàn)在2018年3月的DTD5-3測點(diǎn)(4+910斷面壩體外側(cè))。累計向東位移最大值為-5.4～32.45mm，其中向東最大位移出現(xiàn)在2017年6月的DTD1-1測點(diǎn)(0+960斷面壩體內(nèi)側(cè))，向西最大位移出現(xiàn)在2017年6月的DTD4-3測點(diǎn)(3+910斷面壩體外側(cè))。

對水平位移最大年變幅數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，南北向最大年變幅45.6mm，發(fā)生在DTD4-1測點(diǎn)(3+910斷面壩體內(nèi)側(cè))；東西向最大年變幅62.1mm，發(fā)生在DTD1-1測點(diǎn)(0+960斷面壩體內(nèi)側(cè))。

對水平位移均值進(jìn)行分析，各斷面南北向位移均值在-17.24～13.39mm區(qū)間內(nèi)，東西向位移均值在-21.04～14.18mm區(qū)間內(nèi)，兩個方向的位移均值量級基本相當(dāng)。

對水平位移的時空規(guī)律進(jìn)行分析，各斷面水平位移總體平穩(wěn)，相鄰測值變幅較大，但沒有趨勢性。

4 監(jiān)控指標(biāo)分析

4.1 監(jiān)控指標(biāo)分析

4.1.1 垂直位移監(jiān)控指標(biāo)分析

根據(jù)前述資料分析成果，圍壩體垂直位移測次不多，每年僅3～5個測次，且目前各處沉降變形尚未完全穩(wěn)定，因此不適合使用置信區(qū)間法及典型監(jiān)測效應(yīng)量的小概率法建立監(jiān)控指標(biāo)。通過對比發(fā)現(xiàn)，圍壩斷面沉降雖尚未趨穩(wěn)，但沉降量與水位增幅及速率有較大關(guān)系?？紤]到庫內(nèi)水位已有兩個年份到達(dá)設(shè)計最大水位29.8m，分別為2017年5月23日18時以及2018年6月6日22時，因此，針對圍壩體表面垂直位移監(jiān)測項(xiàng)目，選取歷史不利工況下的最大沉降速率建立監(jiān)控指標(biāo)。

進(jìn)一步分析大屯水庫庫內(nèi)水位發(fā)現(xiàn)，庫水位分別在2015年、2017年和2018年出現(xiàn)三次顯著抬升(見表4)。由表4可知，三次抬升中，水位增幅最大為2017年的第二次抬升，增長量為7.84m，歷時53天；平均每日增幅最大為2018年的第三次抬升，庫水位平均每日增幅0.166m。

表4 大屯水庫庫內(nèi)水位三次抬升特征值統(tǒng)計

垂直位移監(jiān)測基本為每個季度一次，如2015年監(jiān)測日為4月15日和7月15日，2017年和2018年均為每年的3月15日和6月15日。垂直位移監(jiān)測的兩個測次均已覆蓋了水位的增長起始與結(jié)束日。因此，通過統(tǒng)計水位抬升期間垂直位移的平均變化速率，取三個年份內(nèi)的最大變化速率作為監(jiān)控指標(biāo)。

4.1.2 水平位移監(jiān)控指標(biāo)確定及分析

圍壩斷面表面水平位移測次較少，每年觀測2～4次。基于已有觀測成果發(fā)現(xiàn)，各斷面水平位移總體平穩(wěn)，雖相鄰測值變化較大，但沒有趨勢性。因此，針對圍壩體表面水平位移監(jiān)測項(xiàng)目，采取控制變化極值的思路，選取運(yùn)行期間各方向變形極值作為其監(jiān)控指標(biāo)。

4.2 研究結(jié)論

大屯水庫圍壩表面沉降受庫內(nèi)高水位影響較明顯，在2015年、2017年和2018年三年的通水運(yùn)行期間庫內(nèi)水位接近或達(dá)到設(shè)計最高水位29.8m，對應(yīng)時段內(nèi)的沉降速率明顯升高。目前各部位沉降變形尚未趨穩(wěn)，最大沉降約47mm，2018年最大沉降增幅14.55mm。經(jīng)對9個斷面27個測點(diǎn)4年來垂直位移最大值、最大變幅和年均變化量進(jìn)行比對分析，結(jié)合水庫水位變化特征，最終選取2015年、2017年和2018年三年的最大變化速率作為監(jiān)控指標(biāo)。

大屯水庫圍壩水平位移總體平穩(wěn)，雖相鄰測值變化較大，但沒有趨勢性。各斷面東西向位移均值在-21.04～14.18mm，南北向位移均值在-17.24～13.39mm。兩個方向的位移均值量級基本相當(dāng)。經(jīng)對9個斷面27個測點(diǎn)4年來水平位移最大值、最大變幅和均值進(jìn)行比對分析，選取各方向變形極值作為其監(jiān)控指標(biāo)。

5 結(jié) 語

南水北調(diào)東線一期工程于2002年12月27日開工建設(shè)，2013年11月15日全線通水。隨著運(yùn)行期間各階段安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累，分析各建筑物安全運(yùn)行性態(tài)，開展關(guān)鍵部位安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)指標(biāo)研究工作，能夠有效指導(dǎo)后續(xù)工程運(yùn)行的風(fēng)險防控和維修養(yǎng)護(hù)，是南水北調(diào)東線工程安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要參考。同時，本文有關(guān)研究，對于通過信息化手段管理水利工程項(xiàng)目具有指導(dǎo)作用，對于南水北調(diào)未來安全監(jiān)測發(fā)展具有一定借鑒作用，對于維護(hù)南水北調(diào)“四條生命線”重要使命、切實(shí)履行“三個安全”責(zé)任具有現(xiàn)實(shí)意義。