大石門水電站大壩安全監(jiān)測設(shè)計與資料分析

謝紅蘭 ，李 東 ，彭如平

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

0 引言

大石門水電站位于內(nèi)蒙古赤峰市西北部300km處的克什克騰旗（以下簡稱克旗）境內(nèi)，在西拉沐倫河干流上游，東經(jīng) 117°20′，北緯 40°03′。距下游已建成的胡家灣、龍口2個水電站距離分別為10和17 km。大石門水電站任務(wù)以發(fā)電、供水為主，兼顧旅游等綜合利用，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。水庫總庫容為 1.85億 m3，電站裝機容量為6000kW，工程規(guī)模為大（II）型。主要建筑物為瀝青混凝土心墻堆石壩、發(fā)電引水隧洞、豎井式溢洪道及電站廠房等建筑物。水庫工程等別為 II 等，主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級，臨時建筑物級別為4級，主要建筑物防洪標準為 100年一遇洪水設(shè)計，2000年一遇洪水校核，工程地震設(shè)防烈度為6 度。

大石門水電站壩頂高程為 1075.28 m，最大壩高為 63.78 m，壩頂長為 203.00 m，壩頂寬度為 6.00 m，壩底寬為 209.94 m，上、下游壩坡坡比分別為 1∶1.60，1∶1.75，均采用干砌石護坡。瀝青混凝土心墻頂高程為 1073.78 m，在高程為 1050.00 m 以上的寬度僅 0.50 m，兩側(cè)用 3.00 m 厚的砂礫石料過渡，心墻底部及兩岸與混凝土基座緊密連接。為掌握大壩特別是瀝青混凝土心墻的運行規(guī)律，根據(jù)相關(guān)安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，設(shè)置必要的監(jiān)測項目，安裝性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠的監(jiān)測儀器，反映大壩包括心墻的工作狀態(tài)；同時也要保證瀝青混凝土心墻的結(jié)構(gòu)、性能等不因安裝監(jiān)測儀器而受影響[1]。

1 安全監(jiān)測設(shè)計

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》《土石壩碾壓式瀝青砼面板和心墻設(shè)計準則》及《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的要求，進行安全監(jiān)測設(shè)計[2]。

1.1 表面變形觀測

表面變形觀測項目包括水平和垂直位移觀測，共設(shè)5個觀測斷面，即壩前 I 線6個、壩頂 II 線6個、馬道 III 線3個、馬道下 IV 線3個及心墻斷面4個測點，每個觀測斷面在兩岸山坡上設(shè)觀測基點，安裝強制對中基座和水準表芯，采用全站儀進行人工定期觀測。

1.2 內(nèi)部變形監(jiān)測

在最大壩高0+96斷面、1050.00 m 高程沿上下游方向設(shè)置3個測點的桿式位移計，分別測量心墻、3/4 壩體和 1/2 壩體的內(nèi)部水平位移，用 Ф8mm的不銹鋼連桿引到壩體表面。

在0+75和0+130斷面的 1047.00 ，1063.00 m高程，在0+96斷面的 1020.00，1032.00，1044.00，1056.00，1068.00 m 高程設(shè)置電位器式雙向位移計，分別測量心墻和過渡料之間的水平、垂直位移，實現(xiàn)自動監(jiān)測[3]。

1.3 滲流監(jiān)測

在0+ 75，0 +96和0+130斷面，分別在壩基、建基面、心墻后不同高程設(shè)置滲流測點，在心墻后縱斷面建基面上設(shè)置滲流測點，每個測點安裝埋設(shè)進口鋼弦式滲壓計，實現(xiàn)壩基、壩體滲流的自動監(jiān)測。

2 監(jiān)測資料及分析

為了能及時了解并掌握大壩運行狀況，設(shè)置了大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對安裝在大壩現(xiàn)場的監(jiān)測儀器的自動監(jiān)測，實時收集安全監(jiān)測數(shù)據(jù)， 根據(jù)9a 多來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對主要監(jiān)測項目進行數(shù)據(jù)處理與資料分析。

2.1 水位和氣溫監(jiān)測

2010年9月蓄水以來，大石門水電站上游庫基本在穩(wěn)定水位下運行，歷史最高水位為 1071.72 m，歷史最低水位為 1068.39 m，最大變幅為 3.33 m，上游庫水位過程線如圖1所示。電站大壩位置年平均氣溫為 1.32℃，歷史最高氣溫為 26.30℃，歷史最低氣溫為 -29.70℃，最大變幅為 56.00℃，氣溫過程線如圖2所示。

圖1 2010—2019年上游庫水位過程線

圖2 2010—2019年氣溫過程線

2.2 滲流監(jiān)測

2.2.1 壩體滲流

壩體滲流方面，從歷史所有壩體滲流監(jiān)測點數(shù)據(jù)看，各個測點的變幅大部分在 3.50 m 之內(nèi)，最大變幅為 4.49 m，由于上游水位變化不大，各測點壓力水頭隨上游水位有小幅跟隨性變動，說明各測點傳感器工作狀態(tài)良好，反應(yīng)靈敏，壩體內(nèi)部滲流狀態(tài)較之前無異常[4]，3個監(jiān)測斷面多點數(shù)據(jù)過程線如圖 3～5 所示。

圖3 2010—2019年0+75斷面壩體滲流監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線

圖4 2010—2019年0+96斷面壩體滲流監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線

圖5 2010—2019年0+130斷面壩體滲流監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線

通過對比上游庫水位和各斷面心墻下游測點壓力水頭監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可得，二者水位相差較大，監(jiān)測斷面壩體上各個測點水位隨時間變化不明顯，一方面由于上游庫水位隨時間變化不大，另一方面是因為心墻的防滲效果較好。上述分析結(jié)果表明，各監(jiān)測壩段瀝青混凝土心墻的防滲效果整體較好，壩體滲流狀態(tài)是基本穩(wěn)定的。

2.2.2 壩基滲流

壩基滲流方面，從歷史所有壩基滲流監(jiān)測點數(shù)據(jù)看，壩基上各測點變幅大部分都在 1.60 m 之內(nèi)，最大變幅不超過 3.00 m，壩基滲流監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線如圖6所示。

圖6 2010—2019年壩基滲流監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線

通過對壩基測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)及過程線分析可得，測點水位隨時間變化較小，受庫水位影響較小，并且呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，說明壩基滲流狀態(tài)是基本穩(wěn)定的。

2.3 變形監(jiān)測

2.3.1 壩體水平位移

壩體水平位移方面，從歷史所有水平位移監(jiān)測點數(shù)據(jù)看，壩體水平位移測點變幅在 20.0 mm 之內(nèi)，壩體水平位移（向下游為正，向左岸為正，反之為負）受氣溫的影響呈現(xiàn)年周期性變化規(guī)律，當溫度升高時，壩體向上游位移，當溫度降低時，壩體向下游位移，且有不斷減小的趨勢，說明心墻水平位移狀態(tài)是基本穩(wěn)定的[5]。壩體水平位移監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線如圖7所示。

圖7 2010—2019年壩體水平位移監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線

2.3.2 心墻與過渡料間水平位移

心墻與過渡料間水平位移的變幅隨測點高程的增加而增大，最大變幅約為 4.8 mm，測值比較穩(wěn)定，不具備周期性，其原因是由于上游庫水位變化不大，對心墻與過渡料間水平位移的影響不太明顯，另外受溫度的影響也較小。心墻與過渡料間水平位移監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線如圖 8～10 所示。

2.3.3 心墻與過渡料間垂直位移

心墻與過渡料間垂直位移的變幅大部分在 3.5 mm以內(nèi)，同時隨測點高程的增加而增大，隨時間變化略有減小，且有趨于穩(wěn)定的趨勢，受庫水位的影響不太明顯，另外，溫度對垂直位移的影響也不明顯。心墻與過渡料間垂直位移監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線如圖 11～13 所示。

圖8 2010—2019年0+75斷面心墻與過渡料間水平位移監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線

圖9 2010—2019年0+96斷面心墻與過渡料間水平位移監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線

圖10 2010—2019年0+130斷面心墻與過渡料間水平位移監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線

圖11 2010—2019年0+75斷面心墻與過渡料間垂直位移監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線

圖12 2010—2019年0+96斷面心墻與過渡料間垂直位移監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線

圖13 2010—2019年0+130斷面心墻與過渡料間垂直位移監(jiān)測多點數(shù)據(jù)過程線

3 結(jié)語

通過對大石門水電站大壩近10a 的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和分析，可以看出：除極個別儀器損壞或有不穩(wěn)定現(xiàn)象外，絕大部分監(jiān)測儀器和自動化系統(tǒng)工作正常，運行穩(wěn)定、可靠，大壩的滲流總體趨勢相對穩(wěn)定，大壩的變形狀態(tài)特別是瀝青混凝土心墻基本正常，符合大壩安全狀態(tài)的基本規(guī)律，說明大壩運行穩(wěn)定，其工作狀態(tài)是安全的[6]。

大石門水電站大壩安全監(jiān)測儀器和自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)準確、連續(xù)，提高了監(jiān)測精度，減輕了觀測人員的勞動強度，減少了人為誤差，提高了工作效率，為大石門水電站安全運行與管理發(fā)揮了重要作用。