面板堆石壩安全監(jiān)測分析

馬杰 王衛(wèi)

摘 要：從大壩安全監(jiān)測工作現(xiàn)狀入手，結合平寨水庫面板堆石壩安全監(jiān)測資料，分析壩體在施工期和運行初期的變形和應力變化規(guī)律，對壩體的穩(wěn)定性和安全性進行評價，并從設備設施完善、監(jiān)測資料分析能力提升等方面提出建議。研究成果可為平寨水庫及其他同類型大壩的安全評價提供參考。

關鍵詞：平寨水庫；安全監(jiān)測；資料分析；面板堆石壩

中圖法分類號：TV698.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

1 研究背景

安全監(jiān)測是水庫大壩安全管理工作的重要組成部分，關乎工程安危。水利部于2016年組織開展了全國水庫大壩安全監(jiān)測設施建設與運行現(xiàn)狀調(diào)查，結果顯示大中型水庫在監(jiān)測設施建設、人員配備及相關制度建設方面有明顯進步，基本實現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)布設，自動化監(jiān)測水平有所提高；但也存在著監(jiān)測設備不完善、監(jiān)測數(shù)據(jù)分散、資料分析薄弱和專業(yè)技術力量不足等問題，無法充分發(fā)揮安全監(jiān)測系統(tǒng)的作用。因此，為了充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)的作用，為大壩安全運行提供保障，需要綜合運用監(jiān)測資料做好資料整編分析工作。本文以平寨水庫為例，分析壩體安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，從資料整編分析角度為水庫的安全運行管理提供參考。

2 平寨水庫工程概況及壩體監(jiān)測設施布置

2.1 水庫工程概況

平寨水庫壩址位于貴州省六盤水市六枝特區(qū)，烏江支流三岔河上游平寨至木底下寨之間的峽谷河段。水庫壩址以上集水面積為3 492 km2，多年平均徑流總量19.77億m3，總庫容10.89億m3，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大（1）型水庫工程。水庫正常蓄水位1 331 m，對應庫容10.34億m3，壩后電站，裝機容量136 MW，多年平均發(fā)電量3.393億kW·h。

2.2 主要監(jiān)測斷面及監(jiān)測設施布置

在大壩有代表性的部位選取三個斷面作為監(jiān)測斷面：①原河床大壩最高處，此斷面為承受水壓力最大部位；②右岸坡處，該部位面板為受拉區(qū)，面板受力較復雜；③左岸地形變化較大的部位，該部位面板為受拉區(qū)，面板受力較復雜。

根據(jù)規(guī)范要求，在上述3個斷面上綜合性地布置了各類監(jiān)測項目儀器及設備，對混凝土面板應力、堆石體變形、壩基滲流滲壓等重要物理量進行監(jiān)測，并建立監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

（1）壩體表面變形。設有6條視準線（視準線四～視準線九）、30個綜合位移標點進行水平向及垂直向位移觀測。后經(jīng)自動化升級改造，新建自動監(jiān)測基準點2個、位移點12個。

（2）壩體內(nèi)部變形。設有9條測線35套引張線水平位移計及47套水管式沉降儀進行水平向及垂直向位移觀測。

（3）壩體土壓力。設有3個斷面19支土壓力計進行土壓力監(jiān)測。

（4）面板變形、溫度及應力應變。設有13支溫度計進行面板溫度監(jiān)測；3組兩向應變計組，6組三向應變計組進行面板混凝土應變監(jiān)測；50支鋼筋計進行面板鋼筋應力監(jiān)測；10套脫空計進行面板與壩體間的脫空及錯動監(jiān)測；30支單向測縫計進行面板豎直縫監(jiān)測；3套兩向測縫計及8套三向測縫計進行周邊縫監(jiān)測；29套電平器進行面板撓度監(jiān)測。

3 安全監(jiān)測分析

3.1 堆石體表面變形

壩體表面各高程點上下游方向上表現(xiàn)為向下游方向位移，最大位移值29.2 mm，發(fā)生在1 331.5 m高程、壩橫0-007.5 m樁號處測點LDG2（見圖1），向上游最大位移值15.8 mm，發(fā)生在1 272.5 m高程、壩橫0-007.5 m樁號處測點LDG7。各測點變幅在8.7～30.1 mm之間；壩體表面各高程點左右岸方向上表現(xiàn)為向右岸方向位移，各測點變幅在化范圍為7.0～13.8 mm之間；壩頂下游及下游壩坡各個表面變形監(jiān)測點的位移測值存在一定幅度的波動但均較小，壩體表面變形正常。

大壩高程1 331.5 m布設測點LDG1～LDG5，最大沉降194.1 mm，發(fā)生在LDG2測點；高程

1 302.5 m布設測點：LDG6～LDG8，最大下沉位移值182.5 mm，發(fā)生在LDG7測點；高程1 272.5 m布設測點LDG9～LDG11，最大下沉位移值145.4 mm，發(fā)生在LDG10測點；大壩高程1 242.0 m布設測點LDG12，下沉位移值110.5 mm（見圖2），以上各測點均位于最大壩高斷面樁號橫0-007.5 m處。各測點均表現(xiàn)為下沉趨勢，同一高程壩體中部沉降量大于左右壩段沉降量，各測點沉降量均未超過設計蓄水后允許沉降量351 mm，變形規(guī)律正常。

3.2 堆石體內(nèi)部變形

3.2.1 水平位移

較蓄水前，各測點均表現(xiàn)為向下游位移趨勢。墊層區(qū)變化范圍為14.9～82.2 mm，過渡層區(qū)為19.8～67.5 mm，主堆石區(qū)為19.9～69.5 mm，次堆石區(qū)為18.7～26.9 mm。向下游最大位移值為89.1 mm，位于高程1 242.0 m墊層區(qū)SE5測點（壩橫0-007.5 m，縱0-086.9 m），同一斷面的其他測點數(shù)值相對較小，但整體測值有逐漸增大趨勢，應關注測值變化情況。

3.2.2 垂直位移

各測點均表現(xiàn)為下沉趨勢，最大沉降量為581.6 mm（見圖3），位于高程1 272.5 m測點SG18（壩橫0-007.5 m，縱0-044.0 m），較蓄水前下沉32.9 mm。位于高程1 207.0 m次堆石區(qū)測點SG8運行期變幅為76.0 mm，較蓄水前下沉71.2 mm。結合各完好測點所在部位及其沉降測值過程線來看，主、次堆石體沉降變形基本穩(wěn)定，且受庫水位影響很小。

3.3 面板變形

3.3.1 脫空變形

錯動變形變幅最大發(fā)生在TKJ6（高程1 327.0 m，壩橫0-005.0 m），變幅11.6 mm。最大值發(fā)生在TKJ6（高程1 327.0 m，壩橫0-005.0 m），測值為10.3 mm，發(fā)生時間為2021年8月16日；最小值發(fā)生在TKJ4（高程1 239.0 m，壩橫0-050.0 m），測值為-1.7 mm，發(fā)生時間為2015年4月12日。

脫空變形變幅最大發(fā)生在TKJ9（高程1 327.0 m，壩橫0-050.0 m），變幅5.5mm。最大值發(fā)生在TKJ4（高程1 239.0 m，壩橫0-050.0 m）測值為11.8 mm，發(fā)生時間為2015年5月4日；最小值發(fā)生在TKJ2，測值為-2.4 mm，發(fā)生時間2020年1月22日。

從變形分布來看，位于1 327 m高程的TKJ6、TKJ9測點脫空位移變幅較大，TKJ6測點錯動位移變幅最大。開合度在低溫時有輕微張開趨勢，在高溫時主要為閉合，受庫水位變化的影響較小。

3.3.2 周邊縫

水平趾板處ZBJII-1（高程1 179.0 m，壩橫0-041.0 m）測點較蓄水前測值有明顯斜向下位移趨勢，開合變化與蓄水前測值相比變化較小，表現(xiàn)為閉合趨勢。

左岸的沉降最大值發(fā)生在ZBJIII-3（高程1260.0 m，壩橫0-127.0 m）測點，測值為21.4 mm；反映剪切變形最大值發(fā)生在ZBJIII-5（高程1295.0 m，壩橫0-165.0 m）測點，測值為9.4 mm；開合度最大測值發(fā)生在ZBJIII-3測點，測值為7.3 mm。較蓄水前左岸面板與周邊縫的各向位移測值均有增大，應結合大壩現(xiàn)場檢查加強觀測。

3.3.3 豎直縫

高程1 260 m各支測縫計最大開度發(fā)生在J12測點（壩橫0+012.0 m，壓性縫區(qū)域），測值為1.4 mm，發(fā)生時間為2015年4月27日，變幅為1.8 mm。最小測值發(fā)生在J11測點（壩橫0-024.0 m，壓性縫區(qū)域），測值為-7.0 mm，發(fā)生時間在2019年10月25日，目前仍處于壓縮狀態(tài)，變幅為3.4 mm。高程1 295 m各支測縫計最大開度發(fā)生在J22測點（壩橫0+064.0 m，張性縫區(qū)域），測值為0.6 mm，發(fā)生時間在2016年2月3日，變幅為7.9 mm；最小測值發(fā)生在同一測點，測值為-7.3 mm，發(fā)生時間為2020年9月8日，目前仍處于壓縮狀態(tài)。高程1 327 m各支測縫計最大開度發(fā)生在J30（壩橫0+096.0? m，張性縫區(qū)域），測值為2.9 mm，發(fā)生時間為2021年1月14日，變幅為3.2 mm；最小測值發(fā)生在J27（壩橫0-024.0 m，壓性縫區(qū)域），測值為-7.7 mm，發(fā)生時間為2020年5月9日，該測點變幅為7.7mm。目前仍處于壓縮狀態(tài)。

通過監(jiān)測資料分析，面板壓性縫較蓄水前基本表現(xiàn)為壓縮狀態(tài)。水面以下面板溫度相對穩(wěn)定，變形過程相對平緩；水面以上面板溫度受氣溫影響較大，基本隨氣溫的升高，縫隙呈閉合趨勢，反之呈張開趨勢。目前面板與趾板間周邊縫的各向位移測值變化均不大。結合大壩現(xiàn)場檢查與運行表現(xiàn)，總體認為面板與趾板間周邊縫基本運行正常。

3.4 大壩堆石體應力

堆石體應力在-0.011～0.899 MPa之間，變幅在0.045～0.58 MPa之間，各層土壓力計測值變幅較小，過程線變化較為平穩(wěn)。通過壩體外部、堆石體內(nèi)部布設的變形監(jiān)測點、水管沉降儀、水平位移計等變形及應變監(jiān)測設施的監(jiān)測資料分析，綜合認為面板頂部及壩體堆石體的表面變形、堆石體內(nèi)部沉降及水平位移變形趨于穩(wěn)定，未見異常突變現(xiàn)象，堆石體目前總體運行正常。

3.5 面板應力應變及溫度

3.5.1 鋼筋應力

高程1 204 m鋼筋計最大拉應力發(fā)生在測點R4（縱向，壩橫0-007.5 m），測值為1.4 MPa，發(fā)生時間為2015年4月27日，最大壓應力發(fā)生在測點R1（橫向），測值為-235.2 MPa，發(fā)生時間為2017年11月6日；高程1 216 m鋼筋計最大拉應力在測點R10（縱向，壩橫0-007.5 m），測值為22.3 MPa，發(fā)生時間為2015年4月18日，最大壓應力發(fā)生在測點R7（橫向，壩橫0-007.5 m），測值為-189.7 MPa，發(fā)生時間為2021年6月25日；高程1 239 m鋼筋計最大拉應力在測點R20（縱向，壩橫0+028.0 m），測值為4.0 MPa（見圖4），發(fā)生時間為2015年8月31日，最大壓應力發(fā)生在測點R17（橫向，壩橫0-007.5 m），測值為-149.5 MPa ，發(fā)生時間為2021年6月19日。

一期面板鋼筋基本表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，低高程處鋼筋壓應力值大于高高程處鋼筋，同一高程處中部斷面（壩橫0-007.5 m）鋼筋應力總體上大于兩側(cè)。從歷時過程看，壓應力隨時間變化逐漸增加。

二期面板高程1 249 m鋼筋計最大拉應力發(fā)生在測點R28（縱向，壩橫0+028.0 m），測值為32.4 MPa，發(fā)生時間為2015年8月22日。最大壓應力發(fā)生在測點R23（橫向，壩橫0-007.5 m），測值為-91.5 MPa，發(fā)生時間為2020年10月26日，相同部位縱向鋼筋最大壓應力為-89.8 MPa。

高程1 273.5 m鋼筋計最大拉應力發(fā)生在測點R33（橫向，壩橫0-007.5 m），測值為29.8 MPa，發(fā)生時間為2016年2月16日。最大壓應力發(fā)生在測點R36（縱向，壩橫0+068.0 m），測值為-100.4 MPa，發(fā)生時間為2021年8月20日。相同部位橫向最大壓應力為-15.4 MPa；高程1 325.0 m鋼筋計最大拉應力發(fā)生在測點R42（縱向，壩橫0-007.5 m），測值為58.5 MPa，發(fā)生時間為2016年3月18日。最大壓應力發(fā)生在測點R40（縱向，壩橫0-007.5 m），測值為-29.9 MPa，發(fā)生時間為2016年7月12日。相同部位橫向鋼筋最大壓應力為-12.9 MPa；高程1 327.0 m鋼筋計最大拉應力發(fā)生在測點R46（縱向，壩橫0-100.0 m），測值為36.1 MPa，發(fā)生時間為2016年4月4日。最大壓應力發(fā)生在測點R48（縱向，壩橫0-007.5 m），測值為-57.9 MPa，發(fā)生時間為2020年5月11日。相同部位橫向鋼筋最大壓應力為-10.9 MPa。

通過監(jiān)測資料分析，二期面板高程1249.0m、1273.5m面板鋼筋表現(xiàn)為受壓狀態(tài)。從應力分布來看除R36測點外，其余相同部位橫向鋼筋和縱向鋼筋應力差別不大，低高程鋼筋壓應力值大于高高程鋼筋。

3.5.2 混凝土應變

3組雙向應變計分別布置在壩橫0-007.5 m樁號，高程分別為1 204.0 m、1 273.5 m和1 327.0 m。橫向（順坡向）最大壓應變?yōu)?312.3×10-6，位于高程1 204.0 m；縱向（壩軸向）最大拉應變?yōu)?9.4×10-6，最大壓應變?yōu)?305×10-6，位于1 273.5 m高程。從歷時過程線看，應變變化較為平穩(wěn)，雙向應變計、無應力計測值與溫度密切相關。

壩橫0-100.0 m樁號，橫向（順坡向）最大壓應變?yōu)?465.6×10-6，位于高程1 273.5 m；縱向（壩軸向）最大壓應變?yōu)?248.3×10-6，位于高程1 327.0 m；面板法向最大壓應變?yōu)?140.1×10-6，位于高程1 305.0 m。

壩橫0+068.0 m樁號，橫向（順坡向）最大壓應變?yōu)?380.4×10-6，位于高程1 273.5 m；縱向（壩軸向）最大壓應變?yōu)?541.3×10-6，位于高程1 305.0 m；面板法向最大壓應變?yōu)?195.3×10-6，位于高程1 305 m。

通過監(jiān)測資料分析，混凝土自由體積形變已基本穩(wěn)定。面板混凝土較蓄水前呈現(xiàn)拉應變增大趨勢，各測點混凝土應變與測點溫度呈正相關關系，水面以下測點溫度相對穩(wěn)定，應變變化僅受水荷載的影響，變幅相對較?。凰娓浇耙陨蠝y點受氣溫的影響較大，變幅相對較大，混凝土應變受溫度的影響明顯。

4 結論與建議

（1）大壩運行期內(nèi)面板壓性縫較蓄水前基本表現(xiàn)為受壓狀態(tài)。水面以下面板溫度相對穩(wěn)定，變形過程相對平緩；水面以上面板溫度受氣溫影響較大，變形與溫度的相關性較強。由于水平趾板處部分監(jiān)測儀器失效，監(jiān)測數(shù)據(jù)未能全面反映趾板處面板變形。隨著大壩運行時間的不斷增長，水面以下的止水設施在水壓力的長期作用下將發(fā)生形變，若變形量過大會對壩體安全產(chǎn)生不利影響，須加強對周邊縫及止水設施的安全檢查，保證止水設施的完好，以確保壩體的安全運行。

（2）平寨水庫運行管理單位總體可以按要求展開日常監(jiān)測工作，但仍存在部分年度監(jiān)測資料未整編、發(fā)生特殊工況時未加密觀測、人工觀測與自動化比測工作不到位等問題，應加強監(jiān)測隊伍建設，提高監(jiān)測人員的業(yè)務素質(zhì)和專業(yè)水平，確保監(jiān)測工作規(guī)范化、制度化，保證觀測質(zhì)量。

（3）大壩現(xiàn)有監(jiān)測設備因雷擊損壞較多，為保證自動化系統(tǒng)的正常運行和大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的可靠性、連續(xù)性，應加強對自動化監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場通訊、供電以及避雷設施的保護。

目前大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能科技逐漸成熟，高精度北斗外觀變形監(jiān)測、無人機航測、智能巡檢等信息化程度越來越高，管理單位應進一步加強大壩安全監(jiān)測新技術的運用，建設水庫一體化管理系統(tǒng)，提高大壩安全管理水平。

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Safety Monitoring and Analysis of Concrete Face Rockfill Dam：A Case Study on Pingzhai Reservoir

Ma Jie ，Wang Wei

（River and Lake Protection and Construction Operation Safety Center，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：The variation regularities of the deformation and stress of a concrete face rockfill dam of Pingzhai Reservoir in construction period and initial stage of reservoir storage operation are analyzed based on the safety monitoring data，and the stability and safety of the dam body are evaluated. Suggestions are put forward from aspects of improving equipment and facilities and strengthening the analysis capability of monitoring data. The research is expected to offer reference for the safety evaluation of Pingzhai Reservoir and other similar dams.

Key words：Pingzhai Reservoir；safety monitoring；data analysis；concrete face rockfill dam