三峽茅坪溪防護土石壩變形監(jiān)測成果分析

李鎮(zhèn)惠，羅 琛，駱建宇

（1．長江科學院，武漢 430010；2．葛洲壩股份有限公司測繪工程院，湖北宜昌 443002）

三峽茅坪溪防護土石壩變形監(jiān)測成果分析

李鎮(zhèn)惠1，羅 琛2，駱建宇1

（1．長江科學院，武漢 430010；2．葛洲壩股份有限公司測繪工程院，湖北宜昌 443002）

對三峽茅坪溪防護土石壩的變形規(guī)律和特點進行分析，大壩內部累積沉降1．26 m，約占壩高1．21%，外部變形最大沉降205 mm，最大水平位移85 mm，壩體水平和垂直位移均呈河床大、兩岸小的分布，水平和垂直位移均具有不可逆性。通過統(tǒng)計回歸分析可知：水平位移受水壓和時效影響，垂直位移不受水壓影響，主要受時效影響。大壩位移速率逐年減小，但仍未穩(wěn)定，大壩變形性態(tài)正常。

茅坪溪防護土石壩；變形監(jiān)測；成果分析

1 工程概況

茅坪溪防護土石壩位于三峽大壩軸線上游1．0 km處的長江右岸，是三峽工程的重要組成部分，與三峽大壩同屬一等Ⅰ級永久性建筑物，是一個無放空條件的土石壩。該大壩主要作用是保護茅坪溪流域內居民、耕地、工礦企業(yè)及緩解秭歸縣移民壓力。

茅坪溪大壩采用瀝青砼心墻堆石壩，大壩壩頂高程185．0 m，壩頂寬20．0 m，最大壩高104 m，壩頂長度1 070 m。大壩壩體由風化砂、石渣混合料、塊石過渡料、反濾料、墊層料等按不同分區(qū)填筑而成。大壩迎水面邊坡的坡度為1∶2．5～1∶3．0，在高程160，145，130 m處各設置3．0 m寬馬道一條，在高程110 m處設置2．5 m寬馬道一條。背水面邊坡坡度為1∶2．0～1∶2．5，在高程165，125 m處各設置3．0 m寬馬道一條，在高程110，145 m處各設置6．0 m寬馬道一條，其中在高程110．0 m，為防護大壩的排水棱體堆石區(qū)。

在樁號0＋126．80 m至1＋009．25 m段，壩體防滲采用全長882．45 m垂直瀝青砼心墻。心墻頂高程184 m，墻底最低高程91 m，心墻最大高度93 m，心墻厚度一般由頂部高程處的0．5 m漸變至高程94 m處的1．2 m，兩側近似1∶0．007 8斜坡面，心墻底部通過3．0 m高漸變形擴大段分別與砼基座連接，防滲墻兩側為砂卵石過渡層，上游寬2．0 m，下游寬3．0 m，該過渡料是作為心墻上下游垂直排水、施工時過渡層與瀝青砼心墻同步鋪筑上升。

大壩正常蓄水位為175 m高程，校核洪水位180．4 m，地震設防裂度為7度，均與三峽大壩相同。背水側茅坪溪設計洪水位（20年一遇）106．4 m，校核洪水位（100年一遇）為107．3 m，非常洪水（萬年一遇）考慮調蓄后為114．6 m。大壩建成后，茅坪溪的來水通過泄水建筑物流入長江。

茅坪溪防護土石壩規(guī)模巨大，大壩設計填筑工程量為1 213萬m3，瀝青砼4．94萬m3、砼防滲墻3．8萬m2、帷幕灌漿3．19萬m。

茅坪溪大壩分2個標段施工以大壩高程140 m為界，高程140 m以下工程為第一標段，1996年2月開始施工，2000年9月完工；第二標段是大壩高程140 m以上至壩頂高程185 m的施工，2001年1月開工，大壩于2003年6月底前填筑到設計高程185 m。

2 監(jiān)測儀器布置

為監(jiān)控茅坪溪防護土石壩的安全性態(tài)，布設了較完整的安全監(jiān)測系統(tǒng)，其中有變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應力應變和溫度監(jiān)測，以及強震監(jiān)測等內容。本文就變形監(jiān)測加以說明。

2．1 水平位移監(jiān)測布置

（1）在上游馬道高程160 m，壩頂185 m、壩下游高程145，136，110 m馬道上，利用視準線測量壩體上下游x方向的水平位移。

（2）在樁號0＋580，0＋700，0＋850等3個斷面布設鉆孔測斜儀，測量壩體上下游x方向和壩軸線y方向的水平位移，0＋580，0＋700每個斷面布設4孔測斜儀，0＋850布設3孔測斜儀，共計11孔。

（3）在上述3個斷面高程137m，各布置2條銦鋼絲位移計測量瀝青砼心墻水平位移。

2．2 垂直位移測量布置

利用三峽工程全網測點作為工作基點，對壩體和壩基進行水平和垂直位移監(jiān)測，垂直位移監(jiān)測采用一等精密水準測量方法測量。測點布置為：

（1）基礎廊道內布置10個測點，測量基礎廊道的垂直位移。

（2）在上述布置水平位移測點處同時進行垂直位移測量。

（3）利用測斜管外布置電磁式沉降環(huán)，測量壩體沉降位移，每孔間隔3．0 m布置一個沉降環(huán)，共布置261個沉降環(huán)。

（4）在壩體高程119，136，164 m布設水管式沉降儀，測量壩體沉降，布置在防滲墻下游壩體，每個斷面布置3～5個測點，共布置29個測點。

3 監(jiān)測成果分析

茅坪溪大壩從2003年5月后經歷了高程135，156，172．8，175 m多次蓄水，蓄水期間發(fā)現(xiàn)壩體的垂直位移與水位無關，僅水平位移與水位有關，蓄水前后水平位移變化為10～14 mm［1］，現(xiàn)將監(jiān)測成果分述如下。

3．1 垂直位移分析

3．1．1 基礎廊道垂直位移變化

高程84．0 m基礎廊道的垂直位移目前累計值在23．28～28．61 mm之間，每次蓄水前后垂直位移變化多在±1．0 mm以內?；A廊道垂直位移主要為時效位移，其次為壩體自重引起的位移。選河床中部0＋700斷面、LD05MP3測點進行統(tǒng)計回歸分析，該方程相關系數(shù)R為0．982 2，標準差σ為1．45 mm，方程顯著性檢驗F＝501．8，方程常數(shù)項為0．12 mm?；A廊道垂直位移觀測值與計算值及殘差過程線見圖1所示，垂直位移分量過程線見圖2。從圖中可知：

（1）觀測值與計算值變化趨勢一致，殘差一般在±2σ（2．9 mm）以內，個別測點達3．49 mm。

（2）自重位移分量為5．24 mm，2003年6月大壩已填筑到設計高程185 m，由于壩基底寬近500 m，壩體引起沉降較小是可能的，2003年6月實測沉降11．4 mm，其中自重位移5．24 mm，時效位移5．95 mm。

圖1 茅坪溪大壩壩基廊道LD5mp_a垂直位移觀測值和計算值及殘差過程線Fig．1 Process lines of observed and calculated vertical disp lacem ent and their residual error at LD5m p_ain the gallery of M aopingxi dam foundation

圖2 茅坪溪大壩壩基廊道LD5mp_a垂直位移分量過程線Fig．2 Process lines of deadweight component and aging component of the vertical disp lacement at LD5mp_a in the gallery of M aopingxi dam foundation

（3）135 m蓄水后，時效位移繼續(xù)增大，到2012年7月時效位移18．3 mm，蓄水后增大12．35 mm。

（4）由于觀測值每年根據全網中工作基點的改變而修正，導致成果波動較大。

3．1．2 壩體垂直位移

（1）利用斷面測斜管外的電磁沉降環(huán)，測得壩體在施工期和運行期的沉降過程，到2012年7月壩體累積沉降1 262 mm（IN06MP），大壩施工完成期2003年6月壩體沉降1 116 mm，與設計計算值1 170 mm相近。投入運行后，沉降速率減緩，到2012年7月沉降增加146 mm，而運行期設計計算的累積沉降值950 mm，比施工完建期1 170 mm小。土石壩是松散顆粒體碾壓而成，不具備像混土壩體那樣具有彈性體，其變形是不可逆的，沒有回復的彈性性能，因實測成果是可信的，其壩體沉降率為壩高的1．21%，符合土石壩沉降率1%～2%的變化規(guī)律，壩體累積沉降和壩體填筑高程過程線見圖3。從圖3中可知壩體沉降隨大壩填筑升高而增大，當壩體填筑到設計高程后，2003年6月沉降到達1 170 mm，以后變化較小。

（2）通過電磁式沉降環(huán)監(jiān)測，壩體沉降沿高程分布見圖4，圖中反映不同日期不同高程的垂直位移分布，圖中反映壩高1／3～2／3部位沉降量較大，在550～700 mm之間。圖中3個日期還反映高程135，156，175 m蓄水后的沉降分布沉降位移隨時間延長仍有少量增加。

圖3 茅坪溪大壩填筑與累積沉降過程線Fig．3 Process lines of accumulative settlement and construction height of the M aopingxi dam

（3）水管式沉降儀測得壩體最大沉降為826．4 mm，2012年2月20日測得高程119．23 m距壩軸線6．0，36．0 66．0，96．0，126 m處的沉降分別為712．4，826．4，804．4，554．4，343．34 mm，反映出靠上游沉降大、下游沉降小的分布特點，高程136 m沉降在410．3～746．3 mm之間，高程164 m沉降在339．4～491．4 mm之間，其分布與高程119．23 m相同，上游大，小游小。水管式最大沉降率為壩高的0．79%。

圖4 沉降環(huán)沉降量沿高程分布圖Fig．4 Settlements of the settlement-rings along the elevation

（4）測斜管測得壩頂x方向累計水平位移在134～210 mm之間，y方向累計位移在136～174．7 mm之間。

3．1．3 壩頂垂直位移

在135m蓄水后，2003年7月建立壩體垂直位和初始值，到2012年7月最大累積沉降為195．25 mm，高程156，172．8，175．0 m蓄水前后，垂直位移變化在±1．0 mm以內變化，未反映水壓對沉降變形的影響，主要反映時效位移，其垂直位移分布見圖5。圖5中反映河床中部垂直位移較大，兩岸逐漸減小，2008年11月、2009年11月、2010年11月、2011年11月蓄水后的垂直位移逐年增大，仍未完全穩(wěn)定。

3．2 水平位移分析

3．2．1 壩體表面水位位移

大壩下游高程110，136，145，185 m的馬道上，均布置視準線測點測量壩體水平位移。目前測得壩體最大水平位移為84．82 mm，產生在斜坡段高程136 m，TP／LD02MP034測點所測（首次觀測日期為2001年1月），高程110 m水平位移在16．37～35．58 mm之間，高程145 m水平位移在30．25～83．23 mm之間，壩頂水平位移在4．35～77．84 mm。水平位移分布見圖6，圖中反映水平位移仍是河床中部位移較大，兩岸上位移逐漸減小，2008年11月、2009年11月、2010年11月的位移有逐年增大趨勢；同時反映175 m蓄水后，2010年11月和2011年11月的水平位移分布相近。

圖5 壩頂185．0 m垂直位移分布圖Fig．5 Distribution of vertical displacements at dam crest EL．185．0m after water impoundment to different elevations

圖6 壩頂185．0 m水平位移分布圖Fig．6 Distribution of vertical displacements at dam crest EL．185．0m after water impoundment to different elevations

3．2．2 壩體內部水平位移

（1）測斜管測得壩頂x方向累計水平位移在134～210 mm之間，y方向累計位移在136～174．7 mm之間。河床0＋700斷面IN06MP03測得施工完建時2003年6月的水平位移為100 mm，目前為211．66 mm，從完建后水平位移增量為111．66 mm。設計計算施工期的水平位移155 mm，比實測值100 mm大，完建后運行期水平位移為289 mm，也比目前值211．66 m大，其設計位移增量134 mm，也比實測111．66 mm大些。壩頂實測水平位移見圖7中IN06MP03過程線。

（2）鋼絲位移計測得瀝青砼心墻高程137 m的水平位移目前在95．31～113．11 mm之間，由于2002年2月才取得首次值，但完工時2003年6月水平位移較小，在22．15～32．37 mm之間，135 m蓄水后，到目前位移在95．31～113．33 mm之間，其位移增量在71．22～87．24 mm，設計計算成果施工完成時的水平位移為15 mm，運行期水平位移為285 mm［2］，計算成果與實測值仍有較大差異，其原因可能是設計計算參數(shù)與實際情況不符所致，其位移過程線見圖6中的ID0301MP03。

圖7 壩體和心墻水平位移過程線Fig．7 Process lines of the horizontal displacements of the dam and the core-wall

3．3 茅坪溪大壩壩頂變形數(shù)學模型分析

3．3．1 壩頂垂直位移數(shù)學模型分析

壩頂垂直位移和水平位移的首次值觀測均是在135．0 m蓄水后2003年7月才建立，從壩頂垂直位移過程線反映，位移與蓄水和年溫度變化無關，因此垂直位移分析時認為主要為時效變形，時效因子選用ln（t＋1），（1－e－0．01t），t／100，t／（t＋365）等因子進行統(tǒng)計數(shù)學模型分析，通過多種方案計算，求得最佳數(shù)學模型方程為

式中Y為位移（mm），其它符號同前。

該方程相關系數(shù)R＝0．999 5，標準差σ＝1．51 mm，方程顯著性檢驗F＝26 591．67，遠大于統(tǒng)計要求值2．1，說明方程非常顯著。所選時效因子重要性系數(shù)均大于1，在－1．39～76．63之間，其中線性時效因子t／100的重要性系數(shù)最大，為76．63，說明所選時效因子合理。壩頂垂直位移觀測值與計算值及殘差過程線見圖8，時效分量過程線見圖9。從圖8、圖9可知：

（1）觀測值與計算值基本一致，擬合較好，相關系數(shù)達到0．999 5，殘差一般在±2σ范圍內。

（2）時效因子t／100和LN（t＋1）的重要性系數(shù)分別為76．63和－1．39，其最大位移分量分別為122 mm和－8．24 mm。

（3）時效因子t／t＋365的重要性系數(shù)為21．51，其最大位移分量為57．6 mm。

（4）時效因子（1－e－0．01t）的重要性系數(shù)為7．27，其最大位移分量為25．6 mm。

圖8 茅坪溪大壩壩頂LD10_11垂直位移觀測值和計算值及殘差過程線Fig．8 Process lines of observed and calculated vertical disp lacement and their residual error at dam crest LD10_11

圖9 茅坪溪大壩壩頂LD10_11垂直位移時效分量過程線Fig．9 Process lines of aging com ponent of vertical displacement of dam crest LD10_11 of the M aopingxi dam

（5）從壩頂垂直位移過程線反映，垂直位移仍未穩(wěn)定，2011年年位移變化仍有11 mm，根據預報方程，預計2012年12月累計垂直位移為202．92 mm。

3．3．2 壩頂水平位移數(shù)學模型分析

壩頂水平位移監(jiān)測也是在135 m蓄水后，2003年7月才開始觀測，位移過程線反映，156，172．8，171．4，175 m蓄水前后，水平位移均有增大，說明水壓對位移有影響，故在因子選取時考慮日平均、旬平均、月平均水位的1次、2次、3次方，其次選用時效因子，通過多種方案計算，求得壩頂水平位移最佳數(shù)學模型方程為

式中：h1，hx，hm分別為觀測時的日平均、旬平均、月平均水位（m）；h10，hx0，hm0分別為首次值觀測時的日平均、旬平均、月平均水位（m）；其它符號同前。

該方程相關系數(shù)R＝0．997 1，標準差σ＝2．01 mm，方程顯著性檢驗F＝2 991．65，遠大于統(tǒng)計要求值2．1，說明方程非常顯著。方程中水位因子的重要性系數(shù)分別為2．37，－3．73， 7．73，8．54，－5．98，時效因子t／1 000和1－e－0．011t的重要性系數(shù)分別為60．51，6．83。時效因子t／1 000的重要性系數(shù)最大為60．51。該方程觀測值和計算值及殘差過程線見圖10，位移分量過程線見圖11。從圖10、圖11可知：

（1）觀測值和計算值兩者基本一致，殘差一般在±2σ范圍內，個別為5．56 mm。

（2）時效位移分量較大，最大為81．4 mm，時效位移還未收斂。

（3）2008年172．8 m蓄水前后，2009年171．4 m蓄水前后及2010年175．0 m蓄水前后和2011年175．04 m蓄水前后，其計算位移增量分別為15．2，11．7，12．9，14．4 mm，與觀測值位移增量14．4， 10．9，12．9，11．6 mm相近。

圖10 茅坪溪大壩壩頂AL10_15水平位移觀測值和計算值及殘差過程線Fig．10 Process lines of observed and calculated horizontal displacement and their residual error at dam crest AL10_15 of the M aopingxi dam

圖11 茅坪溪大壩壩頂AL10_15水平位移分量過程線Fig．11 Process lines of aging component and water pressure com ponent of horizontal disp lacement at dam crest AL10_15 of the M aopingxi dam

（4）根據數(shù)學模型方程，預計2012年12月15日和2013年12月15日在175．0 m水位作用下，其水平位移分別為94．14 mm和101．96 mm。

（5）方程常數(shù)項為－0．51 mm，與基準值0相差不大。

上述成果是根據2012年7月份前資料進行統(tǒng)計分析，如今后實測成果與計算值有差異，仍應根據實測成果對數(shù)學模型進行修正，然后進行預測，以監(jiān)控大壩安全。

4 結 論

通過變形監(jiān)測成果分析，可以得到以下結論：

（1）茅坪溪防護土石壩的下游表面最大水平位移為84．82 mm，最大垂直位移為209．93 mm，其垂直位移大于水平位移的特征，符合土石壩的變形規(guī)律。

（2）沉降環(huán)測得壩體從施工開始到175 m蓄水后，壩體累積沉降1 262 mm，其沉降率為壩高的1．21%。

（3）水管式沉降儀測得壩體最大沉降826．4 mm，其沉降率為壩高的0．79%。

（4）壩體垂直位移未反映水壓影響，主要反映時效位移，目前垂直位移仍未穩(wěn)定。

（5）壩體水平位移受水壓和時效影響，時效位移是主要的。

（6）垂直和水平位移都是不可逆變形，這是土石壩變形特點。

（7）壩體水平和垂直位移均呈河床中部位移大、兩岸逐漸減小的分布。

（8）目前壩頂水平位移在4．35～77．84 mm之間，垂直位移在26．8～195．25 mm之間。

（9）茅坪溪大壩變形規(guī)律合理，測值可信，目前大壩變形性態(tài)正常。

［1］ 三峽集團公司安全監(jiān)測中心．長江三峽水利樞紐2011年試驗性蓄水安全監(jiān)測成果分析［R］．宜昌：三峽集團公司安全監(jiān)測中心，2012．（Safety Monitoring Center of China Three Gorges Corporation．Analysis on the Safety Monitoring Results During Trial Impoundment of Three Gorges Project in 2011［R］．Yichang：Safety Monitoring Center of China Three Gorges Corporation，2012．（in Chinese））

［2］ 長江水利委員會．長江三峽水利樞紐茅坪溪防護土石壩工程第一標段合同項目完工驗收設計報告［R］．武漢：長江水利委員會，2001．（Changjiang Water Re-sources Commission．Report of the Completion and Acceptance of the First Section of Maopingxi Protective Earth and Rockfill Dam of the Three Gorges Project［R］．Wuhan：Changjiang Water Resources Commission，2001（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Analysis on Deformation M onitoring Results for M aopingxi Protective Earth and Rock fill Dam in the Three Gorges

LIZhen-hui1，LUO Chen2，LUO Jian-yu1
（1．Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Surveying and Mapping Engineering Institute of China Gezhouba Group，Yichang 443002，China）

The regularities and characteristics of the deformation of Maopingxi protective earth and rockfill dam in the Three Gorges are analyzed in the present paper．Data display that the internal cumulative settlement of the dam is 1．26m，about1．21%of the dam height．Themaximum external settlement is 205mm，and the maximum horizontal displacement is 85mm．The horizontal and vertical displacement values in the center of the river are great while at both banks are small．It’s known that the horizontal and vertical displacement are irreversible．Bymeans of statistical regression analysis，it is found that the horizontal displacement is affected by water pressure and aging effect，while the vertical displacement ismainly affected by aging effect instead ofwater pressure．The displacement rate of the dam has been decreasing year after year，but is still unstable．The dam is in normalworking state．

Maopingxi protective earth and rockfill dam；deformation monitoring；analysis on results

TV698．1

A

1001－5485（2013）02－0097－06

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．021

2012－12－03

李鎮(zhèn)惠（1954－），男，江蘇淮陰人，工程師，主要從事工程安全監(jiān)測技術研究工作，（電話）13972018967（電子信箱）1047170868＠qq．com。