白蓮河抽水蓄能電站面板堆石壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)資料分析

甘孝清，楊 弘，寧 晶

（1.長江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所，湖北武漢，430010；2.中國水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南長沙，410014）

湖北白蓮河抽水蓄能電站上水庫面板堆石壩壩高62.5 m，在同類型大壩中屬于中等規(guī)模。150 m以下級(jí)別面板堆石壩在我國的發(fā)展已較為成熟，但面板堆石壩在蓄水和運(yùn)行過程中仍普遍存在面板開裂和滲漏的問題。湖北白蓮河抽水蓄能電站面板堆石壩于2009年正式蓄水，至今已運(yùn)行近4年，從安全監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)巡視的結(jié)果來看，大壩面板無明顯裂縫（除少量因2008年極端寒冷天氣造成的表面淺層凍裂外），大壩沉降穩(wěn)定，蓄水前后的沉降變化小于10 mm，大壩滲漏總量小于1.2 L/s，大壩防滲體系防滲效果良好，這在同類型大壩中是少見的。筆者簡要介紹其安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與安全監(jiān)測(cè)成果。

1 白蓮河面板堆石壩概況

湖北白蓮河抽水蓄能電站上水庫為新建水庫，其擋水建筑物由1座主壩和3座副壩組成。主壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程312.50 m，“L”型防浪墻頂高程313.70 m，最大壩高62.50 m，壩頂長度291.913m，壩頂寬6.0m，上、下游壩坡坡比均為1∶1.4。

壩體填筑自上游至下游依次為蓋重區(qū)、墊層區(qū)（含特殊墊層區(qū)）、過渡區(qū)、上游堆石區(qū)、下游堆石區(qū)及大塊石護(hù)坡。其中蓋重區(qū)為風(fēng)化土料；墊層區(qū)（2A）及過渡區(qū)（3A）坡比均為1∶1.4，水平寬度分別為3 m、4 m；過渡層下游側(cè)為上游堆石區(qū)（3B），在上游堆石區(qū)下游側(cè)設(shè)下游堆石區(qū)（3C），其上游坡比5∶1；壩下游面設(shè)厚為100 cm的干砌塊石護(hù)坡層。墊層料、過渡料、上游堆石區(qū)為弱風(fēng)化～新鮮花崗巖，下游堆石區(qū)為弱風(fēng)化花崗巖。

為保證主壩上游面的施工質(zhì)量，防止面板在水庫蓄水和運(yùn)行過程中產(chǎn)生過大變形導(dǎo)致開裂，大壩上游面防護(hù)采用了擠壓式混凝土邊墻新工藝進(jìn)行施工。擠壓式邊墻斷面為梯形，以鉸接的方式使邊墻可適應(yīng)墊層區(qū)的變形，其底部不會(huì)形成空腔，有效避免空腔對(duì)面板的不利影響。

面板為鋼筋混凝土等厚面板，厚度為40 cm。面板設(shè)垂直縫，共27條。其中張性垂直縫間距8.00 m，壓性垂直縫間距16.00 m。右岸設(shè)張性縫5條，左岸設(shè)張性縫15條，中間設(shè)壓性縫7條。面板采用中熱纖維混凝土，單層雙向配筋，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，抗?jié)B等級(jí)W10，抗凍標(biāo)號(hào)F100。

2 安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.1 壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)

壩體內(nèi)部沉降監(jiān)測(cè)共設(shè)置4套水管式沉降儀，分別布置在主壩0+110和主壩0+170兩個(gè)斷面的高程288.500 m和高程268.500 m處。壩體內(nèi)部橫向水平位移監(jiān)測(cè)共設(shè)置4套引張線式水平位移計(jì)，測(cè)點(diǎn)布置在與水管式沉降儀相同的位置。沿壩軸線方向的側(cè)向位移監(jiān)測(cè)共設(shè)置了2組土位移計(jì)，分別布置在高程274.000 m和高程290.000 m處?；炷撩姘鍝隙缺O(jiān)測(cè)則利用水管式沉降儀和引張線式水平位移計(jì)上游側(cè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)值近似推算面板撓度。壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)儀器布置見圖1。

圖1 內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)斷面布置圖Fig.1 Monitoring section arrangement plan inside the dam

2.2 表面變形監(jiān)測(cè)

根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主壩共布設(shè)4條視準(zhǔn)線進(jìn)行水平位移觀測(cè)，計(jì)20個(gè)測(cè)點(diǎn)、8個(gè)端點(diǎn)。其中，壩頂迎水面視準(zhǔn)線設(shè)于面板高程308.000 m，背水面3條視準(zhǔn)線分布于壩頂、高程290.000 m馬道和高程270.000 m馬道。主壩垂直位移觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)結(jié)合視準(zhǔn)線觀測(cè)進(jìn)行，采用剖面方式布設(shè)，即在每個(gè)視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)處同時(shí)布設(shè)1個(gè)垂直位移觀測(cè)點(diǎn)，共布20個(gè)測(cè)點(diǎn)，見圖2。

2.3 混凝土面板監(jiān)測(cè)

混凝土面板監(jiān)測(cè)儀器布置綜合考慮邊坡地形情況，按特殊部位和適當(dāng)?shù)拈g距共布置了5個(gè)監(jiān)測(cè)部位（面板），分高程307.000m、288.500m、268.500m、256.500 m集中布置。混凝土面板所布置的監(jiān)測(cè)儀器主要有二或三向應(yīng)變計(jì)組、無應(yīng)力計(jì)、鋼筋計(jì)、測(cè)縫計(jì)、溫度計(jì)等，一般為成組（2～4種儀器）布置，其測(cè)值與變化情況可互為對(duì)照、綜合分析，以確定監(jiān)測(cè)成果的有效性、合理性與準(zhǔn)確性。

圖2 表面位移測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Distribution of monitoring points for surface displace?ment observation

面板周邊縫采用3向測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)，共6套，分別布置于連續(xù)或轉(zhuǎn)折的趾板、擋墻以及地質(zhì)、地形條件復(fù)雜的周邊縫處。

面板監(jiān)測(cè)儀器布置見圖3。

圖3 混凝土面板監(jiān)測(cè)儀器布置圖Fig.3 Arrangement plan of concrete panel monitoring instrument

2.4 滲流監(jiān)測(cè)

為了監(jiān)測(cè)壩基（趾板基礎(chǔ)）防滲施工效果以及壩基的滲流情況，結(jié)合地質(zhì)地形條件與相關(guān)監(jiān)測(cè)布置，在主壩防滲帷幕下游側(cè)的基礎(chǔ)部位布置了3個(gè)滲透壓力監(jiān)測(cè)橫斷面。一般每個(gè)斷面在防滲帷幕后等距布置3-4支滲壓計(jì)。

在主壩右壩肩防滲帷幕后布置6個(gè)繞壩滲流地下水位觀測(cè)孔，主壩左壩肩擋墻附近布置3個(gè)繞壩滲流地下水位觀測(cè)孔。

混凝土面板周邊縫的滲漏監(jiān)測(cè)采用分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)新技術(shù)，它是通過測(cè)量光纖（光纜）沿線環(huán)境溫度場(chǎng)的變化監(jiān)測(cè)滲漏情況。

在大壩下游坡腳設(shè)置1座矩形量水堰，監(jiān)測(cè)面板堆石壩總滲漏量。

3 主要監(jiān)測(cè)成果分析

3.1 大壩沉降

至2011年12月底，壩體實(shí)測(cè)最大沉降為330.39 mm，發(fā)生在主壩0+170、288.5 m高程的V2-3測(cè)點(diǎn)，沉降量約為壩高的0.53%，與國內(nèi)同類型面板堆石壩相比，主壩沉降量較小。上水庫蓄水前，大壩沉降已基本趨于穩(wěn)定。2009年8至11月首次蓄水期間，大壩沉降增加約8 mm左右。蓄水至設(shè)計(jì)水位后，大壩沉降再次趨于穩(wěn)定，如圖4所示。

圖4 壩體沉降變化過程線圖Fig.4 Graph of dam settlement

壩體沉降空間分布如圖5和圖6所示。同一高程內(nèi)，河床中部的壩體沉降量比靠近右岸部位的沉降量大。同一斷面內(nèi)，288.5 m高程的沉降量比268.5 m高程的沉降量大。同一斷面同一高程處，壩體中部的沉降量比上、下游側(cè)的沉降量大。主壩沉降符合土石壩的沉降規(guī)律。從橫斷面沉降分布來看，壩體上游、中部及下游的不均勻沉降較小。從壩軸線縱斷面沉降分布來看，左岸沉降與右岸沉降基本呈對(duì)稱分布，兩岸的不均勻沉降亦較小。

3.2 混凝土面板監(jiān)測(cè)

3.2.1 面板鋼筋應(yīng)力

面板鋼筋應(yīng)力變化過程見圖7，最大拉應(yīng)力為18.80 MPa，最大壓應(yīng)力為29.00 MPa，目前大多數(shù)部位的鋼筋承受壓應(yīng)力，位于庫底的兩個(gè)鋼筋計(jì)承受拉應(yīng)力。面板鋼筋應(yīng)力與面板溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，溫度升高時(shí)，鋼筋應(yīng)力降低，溫度降低時(shí)，鋼筋應(yīng)力增加。上水庫蓄水期間，鋼筋應(yīng)力出現(xiàn)了一個(gè)驟升的過程，但上升幅度不大，約12 MPa左右，之后趨于平穩(wěn)，目前隨面板混凝土溫度呈正弦規(guī)律變化。

圖5 主壩壩體沉降分布圖（壩軸線縱斷面）Fig.5 Distribution diagram of main dam body（vertical section of axis of the dam）

圖6 主壩壩體沉降分布圖（橫斷面）Fig.6 Settlement distribution of dam body(cross section)

圖7 面板鋼筋應(yīng)力變化過程線Fig.7 Graph of steel stress in the panel

3.2.2 面板混凝土應(yīng)力應(yīng)變

面板混凝土應(yīng)變變化見圖8，目前最大壓應(yīng)變?yōu)?36.41με，最大拉應(yīng)變?yōu)?73.24με，這與國內(nèi)同類型面板堆石壩相比較，拉、壓應(yīng)變均較小。混凝土應(yīng)變的變化規(guī)律與混凝土溫度呈正相關(guān)關(guān)系，應(yīng)變隨混凝土溫度升高而增加，隨混凝土溫度降低而減小，說明面板混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變主要受溫度影響，而受外界水壓荷載影響較小。

圖8 面板混凝土應(yīng)變變化過程線Fig.8 Graph of strain of the panel concrete

結(jié)合無應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)成果分析計(jì)算混凝土應(yīng)力得，平行于面板的水平向和順坡向方向的壓應(yīng)力值分別為0.18 MPa和0.29 MPa，垂直于面板方面的壓應(yīng)力值為0.23 MPa，低于設(shè)計(jì)值0.6 MPa。

3.2.3 面板接縫及周邊縫

主壩面板垂直縫的最大開度為2.28 mm，最大閉合度為2.78 mm。蓄水對(duì)面板垂直縫開合度影響不大，其主要受溫度影響：溫度升高，混凝土膨脹，開合度減?。粶囟冉档?，混凝土收縮，開合度增加。

周邊縫變形監(jiān)測(cè)成果見圖9，開合度x方向、面板相對(duì)趾板的剪切位移y方向蓄水前變化較小，且一直比較穩(wěn)定。蓄水期間水平位移有少量增加（小于2 mm），目前最大水平位移值為4.87 mm，與設(shè)計(jì)值16.2 mm相比較低，之后趨于穩(wěn)定。面板相對(duì)趾板的沉降z(mì)方向）在蓄水期間變形增長較快，由4 mm左右驟增至10 mm左右，但仍小于設(shè)計(jì)值14.9 mm。蓄水完成后，z方向剪切位移趨于穩(wěn)定。

圖9 周邊縫變形過程線圖Fig.9 Graph of deformation of peripheral joint

3.3 大壩滲流

3.3.1 壩基滲壓

蓄水到設(shè)計(jì)水位后滲透壓力已趨于穩(wěn)定，目前各測(cè)點(diǎn)滲透壓力值均不大，主壩壩基平均滲透壓力為0.03 MPa，最大滲透壓力為0.08 MPa。水庫蓄水后，距帷幕6 m的滲透壓力隨庫水位上升稍有增加，平均增幅約0.02 MPa，距帷幕21 m以后的滲透壓力基本無變化。

3.3.2 繞壩滲流

當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)，地下水位觀測(cè)孔內(nèi)的水位有所上升，上升幅度約為5～10 m，雨后經(jīng)過3-5天時(shí)間，水位恢復(fù)至降雨前的水平。另外，通過對(duì)長時(shí)間無降雨的地下水位觀測(cè)資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)若長時(shí)間無降雨發(fā)生，地下水位基本維持上水庫蓄水前的水平，水位變動(dòng)在1 m以內(nèi)，與庫水位無相關(guān)性。這說明上水庫蓄水后無繞壩滲流的現(xiàn)象發(fā)生。

3.3.3 周邊縫滲漏

周邊縫分布式光纖兩次監(jiān)測(cè)成果見圖10，光纖溫度分兩個(gè)區(qū)：（1）庫水位以下的光纖溫度約在6～15℃內(nèi)變化，與庫水溫度基本一致；（2）庫水位以上的光纖溫度，變化幅度較大，約為3～30℃，與地表溫度基本一致，夏天溫度較高，冬天溫度較低。庫水位以下的光纖溫度接近，沒有溫度突變的部位，說明不存在因庫水入滲改變壩體溫度的現(xiàn)象，可初步判定周邊縫無滲漏。

3.3.4 總滲漏量

面板堆石壩總滲流量較小，目前實(shí)測(cè)最大總滲流量1.56 L/s，見圖11。與同類面板堆石壩相比，總滲漏量小很多。由圖11可看出，總滲流量與庫水位沒有明顯相關(guān)性，實(shí)測(cè)總滲流量主要受季節(jié)性降雨影響，雨季總滲流量相應(yīng)增加。據(jù)分析，主要是因壩后兩岸壩肩山體內(nèi)的地下水匯入量水堰引起。

圖10 周邊縫分布式光纖監(jiān)測(cè)成果圖Fig.10 Monitoring result by distributed optical fiber at the pe?ripheral joint

圖11 主壩滲漏量變化過程線Fig.11 Graph of leakage volume

4 結(jié)語

（1）白蓮河抽水蓄能電站上水庫面板堆石壩監(jiān)測(cè)包括大壩內(nèi)部變形、表面變形、面板變形、面板應(yīng)力應(yīng)變、大壩滲流等，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目全面，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)部位明確，布置合理，符合國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可滿足施工期、蓄水期和運(yùn)行期安全監(jiān)測(cè)的需要。

（2）安全監(jiān)測(cè)成果表明，面板堆石壩的內(nèi)部變形、表面變形不大且已趨于穩(wěn)定，大壩最大沉降量330.39 mm，約為壩高的0.54%，在國內(nèi)同類型面板堆石壩中沉降量較??；壩體壩基總滲漏量很小，實(shí)測(cè)最大總滲漏量為1.56 L/s；滲透壓力不大、分布合理，無繞壩滲漏現(xiàn)象；混凝土面板結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變和接縫變形均在設(shè)計(jì)范圍以內(nèi)；面板堆石壩工作性態(tài)正常。

（3）安全監(jiān)測(cè)成果一定程度上反映了大壩施工質(zhì)量，從壩體變形、面板應(yīng)力、大壩滲漏的監(jiān)測(cè)成果可以看出，壩體填筑和面板施工質(zhì)量均較優(yōu)。

[1]劉劍鳴,楊泓.湖北白蓮河抽水蓄能電站安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)報(bào)告[R].中國水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.2005.

[2]甘孝清.湖北白蓮河抽水蓄能電站安全監(jiān)測(cè)資料分析報(bào)告(2011年度)[R].長江科學(xué)院.2012.