江西江口水電站大壩變形監(jiān)測(cè)資料分析

吳忠明，朱錦杰

（1.浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州310014；2.國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州310014）

1 工程概況

江西江口水電站是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的工程。樞紐建筑物由大壩、進(jìn)水閘、發(fā)電引水系統(tǒng)、左岸溢洪道、右岸溢洪道及八座副壩組成。電站設(shè)計(jì)裝機(jī)容量4×8.8 MW。水庫控制流域面積3 900 km2，原設(shè)計(jì)正常蓄水位 72.00 m，校核洪水位76.00 m，總庫容8.9億m3，為一座大（2）型水庫。

大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，全長(zhǎng)467 m，壩頂高程78.37 m，壩頂寬度10.5 m，最大壩高33.37 m，防浪墻高0.6 m。上游壩坡為三級(jí)坡，在65.0 m和69.4 m高程分別設(shè)有1.5 m和1.0 m寬的馬道，自上往下的三級(jí)坡坡度分別為1∶2.5、1∶3.0和1∶3.5。下游壩坡采用兩級(jí)坡，坡度均為1∶3.0，在66.5 m高程處設(shè)有4.2 m寬的馬道。大壩河床段54.0 m高程以下為頂寬2 m、坡度1∶1.5的排水棱體，46.0 m高程設(shè)有寬度為17～27 m的水平反濾。壩基巖層為泥質(zhì)千枚巖，對(duì)建筑物有影響的斷層主要有f36、f37和f56等三條。

工程于1958年8月1日開工興建，1959年9月大壩攔洪蓄水，1961年各主體工程基本建成，1964年9月25日首臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，1981年4月機(jī)組全部發(fā)電。工程自建成投運(yùn)以來，由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)幾經(jīng)變動(dòng)，工程留有較多尾工和存在施工質(zhì)量問題，雖經(jīng)幾次續(xù)建和補(bǔ)強(qiáng)加固處理，仍存在較多隱患。為確保工程安全運(yùn)行，1987～1990年對(duì)工程進(jìn)行了全面的補(bǔ)強(qiáng)加固處理。

2 變形測(cè)點(diǎn)布置

大壩共布置4條觀測(cè)線來監(jiān)測(cè)大壩水平和垂直位移，分別位于平行于壩軸線上游28.5 m（上游排）、上游6.55 m（壩頂排）、下游27.0 m（下游一排）及38.0 m（下游二排）處。每條觀測(cè)線均布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)按觀測(cè)線＋測(cè)點(diǎn)斷面樁號(hào)進(jìn)行編號(hào)，見圖1。水平位移測(cè)點(diǎn)位于觀測(cè)墩頂部，垂直位移測(cè)點(diǎn)位于觀測(cè)墩底部。上游排和下游一、二排測(cè)線分別于1974～1975年陸續(xù)投入正式使用，壩頂排測(cè)線于1998年投入正式使用，每季度觀測(cè)1次。監(jiān)測(cè)量的正負(fù)號(hào)規(guī)定：水平位移：向下游為正，向上游為負(fù)；垂直位移：下沉為正，上抬為負(fù)。

3 監(jiān)測(cè)資料分析

3.1 水平位移

3.1.1 特征值分析

圖1 大壩變形測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Distribution of dam deformation monitoring points

（1）截至2011年4月，大壩向上游最大水平位移為20.3 mm（1＋146測(cè)點(diǎn)），向下游最大水平位移為79.2 mm（4＋386測(cè)點(diǎn)）。

（2）上游排、壩頂排、下游一排和二排各測(cè)點(diǎn)近三年平均變化速率分別在-0.23～0.50 mm/y、-0.77～1.27 mm/y、-0.60～1.57 mm/y 和-0.17～1.13 mm/y 之間。

3.1.2 過程線分析

典型測(cè)點(diǎn)的水平位移測(cè)值過程線如圖2所示。

圖2 典型測(cè)點(diǎn)水平位移過程線Fig.2 Graphs of the dam horizontal displacement measured by typical monitoring points

（1）在壩體自重、碾壓及固結(jié)作用下，土體側(cè)向壓力導(dǎo)致土壩上游排各測(cè)點(diǎn)略向上游方向位移；下游一排和下游二排各測(cè)點(diǎn)向下游方向位移；運(yùn)行期間，在上游水壓力作用下，上游有的測(cè)點(diǎn)維持穩(wěn)定狀態(tài)，有的趨向下游位移，但量不大。壩頂各測(cè)點(diǎn)水平位移數(shù)值變化不大，在-10～10 mm之間變化，表明壩頂水平位移在向上游方向和向下游方向之間擺動(dòng)。大壩壩體表面不同部位的水平位移符合土石壩的一般變化規(guī)律。

（2）除壩頂各測(cè)點(diǎn)的水平位移表現(xiàn)出一定的、不規(guī)則的周期性變化外，其余3條觀測(cè)線上的測(cè)點(diǎn)，水平位移均無明顯的周期性變化。氣候變化對(duì)土壩水平位移有一定影響，但影響不大。

（3）水平位移存在較大時(shí)效位移，下游一排和下游二排的3＋266、3＋326、3＋386、4＋326、4+386測(cè)點(diǎn)的水平位移有向下游方向增大的趨勢(shì)，2005年后已趨于穩(wěn)定，見圖3。其它測(cè)點(diǎn)的水平位移基本穩(wěn)定。

3.1.3 空間分布分析

以2011年4月測(cè)值作水平位移分布圖，如圖4所示。由圖可知：上游排的測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為向上游位移，最大位移為17.5 mm；壩頂各測(cè)點(diǎn)于1998年進(jìn)行改造，重新取初值，位移量值較小，表現(xiàn)為兩岸測(cè)點(diǎn)向上游位移，河床部位測(cè)點(diǎn)略向下游位移；下游一排、二排測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)為向下游位移，由于主河道位于右側(cè)，大壩右側(cè)沉降大，由沉降引起的水平位移右岸測(cè)點(diǎn)明顯大于左岸測(cè)點(diǎn)，最大向下游位移為79.2 mm（4+386測(cè)點(diǎn)）。

圖4 水平位移分布圖Fig.4 Horizontal displacement distribution map

3.2 垂直位移

3.2.1 特征值分析

（1）截至2011年4月，大壩最大垂直位移為117.0 mm（3＋386測(cè)點(diǎn)）。

（2）上游排、壩頂排、下游一排和二排各測(cè)點(diǎn)近三年平均沉降速率分別在 0～0.56 mm/y、0.67～1.56 mm/y、0.11～1.33 mm/y和0.11～1.00 mm/y之間。

（3）大壩于1958年8月開工興建，1959年9月大壩攔洪蓄水，1961年各主體工程基本建成。1987～1990年，對(duì)大壩進(jìn)行了全面的補(bǔ)強(qiáng)加固處理，此時(shí)，大壩垂直位移已完成大半部分。上游排和下游一、二排各測(cè)點(diǎn)于1974～1975年陸續(xù)投入正式使用，故實(shí)測(cè)位移反映的是運(yùn)行期的位移。實(shí)測(cè)最大垂直位移為117.0 mm，為壩高的0.35%；2002年1月～2011年4月累計(jì)最大沉降量為14.0 mm，與壩高比值不到0.05%；近三年的最大年平均沉降速率為1.67 mm。表明大壩經(jīng)過近50 a運(yùn)行，垂直位移雖仍有下沉的趨勢(shì)，但已穩(wěn)定。

3.2.2 過程線分析

（1）上游排各測(cè)點(diǎn)的垂直位移表現(xiàn)出一定的年周期性變化，年最大下沉量基本出現(xiàn)在低溫季節(jié)，年最小下沉量基本出現(xiàn)在高溫季節(jié)。

（2）壩頂各測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)出下沉趨勢(shì)性變化，但下沉速率較小。

（3）下游一排和二排大部分測(cè)點(diǎn)的垂直位移變化較小，基本穩(wěn)定，但3+266、3+326、3+386、4+326、4+386測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的下沉趨勢(shì)性變化，見圖5，目前這些測(cè)點(diǎn)的下沉速率在逐年減小。

圖5 部分測(cè)點(diǎn)垂直位移過程線Fig.5 Graphs of the dam vertical displacement measured by part monitoring points

3.2.3 空間分布分析

以2011年4月測(cè)值作垂直位移分布圖，如圖6所示。由圖可知：上游排和壩頂排的沉降較小，由于主河道位于右側(cè)，壩體沉降右岸略大于左岸，最大沉降量為37.2 mm（1+386測(cè)點(diǎn)）。下游一排、二排沉降分布規(guī)律一致，右岸測(cè)點(diǎn)的沉降量明顯大于左岸測(cè)點(diǎn)，最大沉降量為117.0 mm（3+386測(cè)點(diǎn)）。

圖6 垂直位移分布圖Fig.6 Vertical displacement distribution map

3.3 回歸分析

影響土壩壩體位移除內(nèi)在因素外，主要受外在荷載或環(huán)境量影響，歸結(jié)為水位、氣溫、降雨量變化及土壩固結(jié)的時(shí)效。為了進(jìn)一步弄清這些因素對(duì)壩體位移的影響程度，掌握不可逆位移的變化趨勢(shì)，尚需對(duì)部分測(cè)點(diǎn)建立數(shù)學(xué)模型，采用統(tǒng)計(jì)模型法進(jìn)行定量分析。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸模型，對(duì)3+386、4+386典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行逐步回歸計(jì)算，計(jì)算中取顯著性水平α=0.05，回歸計(jì)算精度成果見表1。由表1可知，各回歸方程精度較高，復(fù)相關(guān)系數(shù)在 0.95～0.99，標(biāo)準(zhǔn)差在1.16～2.23 m之間，統(tǒng)計(jì)量F值大于臨界F*值（等于4左右）。

表1 典型測(cè)點(diǎn)的回歸計(jì)算精度成果表Table 1 :Regression calculation results of typical monitoring points

水位、氣溫和降雨分量對(duì)大壩水平和垂直位移影響不顯著。

時(shí)效分量是影響大壩水平和垂直位移的主要因素。

（1）近三年，3+386、4+386測(cè)點(diǎn)的水平時(shí)效位移發(fā)展速率分別為0.95 mm/y、1.04 mm/y，變化速率較小，水平時(shí)效位移基本已趨穩(wěn)定。

（2）3+386、4+386測(cè)點(diǎn)在各時(shí)段（1990～1995年、1996～2000年、2001～2005年、2006～2010年期間）的垂直時(shí)效位移量（下沉總量）及下沉速率見表2。由表可知，3+386測(cè)點(diǎn)的下沉速率由2.47 mm/y減小為 1.68 mm/y，4+386 測(cè)點(diǎn)的下沉速率由 1.98 mm/y減小為1.34 mm/y，表明3+386、4+386測(cè)點(diǎn)的下沉趨勢(shì)明顯減緩，隨著時(shí)間的推移各測(cè)點(diǎn)下沉量逐年減小，并趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

（1）運(yùn)行期間，在上游水壓力作用下，上游壩坡有的測(cè)點(diǎn)維持穩(wěn)定狀態(tài)，有的趨向下游位移，但量不大。下游壩坡測(cè)點(diǎn)向下游位移，壩頂測(cè)點(diǎn)水平位移變化不大，在-10～10 mm之間變化。各測(cè)點(diǎn)的垂直位移均呈下沉變化，隨時(shí)間增長(zhǎng)有所增加，但速率逐漸減小。壩體不同部位的水平和垂直位移符合土石壩的一般變化規(guī)律。

表2 典型測(cè)點(diǎn)的垂直時(shí)效位移量和下沉速率Table 2 :Time-effect and rate of vertical displacement of typical monitoring points

（2）時(shí)效分量是影響大壩水平和垂直位移的主要因素。隨著時(shí)間的推移，時(shí)效位移變化速率逐漸減小，各測(cè)點(diǎn)的時(shí)效位移趨于收斂，大壩變形趨于穩(wěn)定。

（3）大壩實(shí)測(cè)水平、垂直位移數(shù)值在合理范圍內(nèi)，無異常突變，位移分布合理。目前大壩處于正常工作狀態(tài)，工程安全運(yùn)行。

[1]DL/T5259-2010,土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2003.