基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的施工運(yùn)營(yíng)期大壩安全穩(wěn)定性研究

徐立君

(塔里木河流域巴音郭楞管理局 開(kāi)都-孔雀河管理處開(kāi)都河中游管理站,新疆 和靜 841305)

0 引 言

水庫(kù)大壩是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中重要的水利工程,其安全穩(wěn)定性是人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障[1]。由于受到多種內(nèi)部和外部因素的影響,如水壓力、地質(zhì)條件、人為因素等,可能對(duì)大壩的穩(wěn)定性造成影響[2]。因此,在工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間,對(duì)水庫(kù)大壩的安全穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估是非常必要的。

隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)據(jù)處理方法的不斷提高,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠提供更加準(zhǔn)確和全面的信息,使大壩的安全穩(wěn)定性評(píng)估更加精準(zhǔn)和科學(xué)。為了評(píng)估大壩的穩(wěn)定性,許多學(xué)者對(duì)水庫(kù)大壩的工程和水文地質(zhì)特征的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究。如鐘共青[3]分析了王家廠水庫(kù)壩基的水文地質(zhì)特征,為該水庫(kù)壩基的處理提供了充分依據(jù)。王志紅等[4]通過(guò)觀測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn),獲得了某水電站的水文地質(zhì)參數(shù),建立了三維數(shù)值計(jì)算模型,并分析了滲透變形類(lèi)型、滲流場(chǎng)和水力梯度特征,然后評(píng)估了壩基滲透穩(wěn)定性問(wèn)題,為其提供了防滲處理依據(jù)。張慶虎等[5]以新安江等多座大壩為例,分析了大壩運(yùn)行過(guò)程中存在的水文地質(zhì)問(wèn)題,指出地下水是影響大壩穩(wěn)定的重要因素,需要采取積極的防治措施,以避免壩體的腐蝕和軟化等問(wèn)題。

上述研究主要聚焦于具體問(wèn)題,沒(méi)有綜合分析整個(gè)系統(tǒng)的特征和相互關(guān)系,其結(jié)論可能局限在某些特定情境下,而無(wú)法適用于其他大壩或環(huán)境。還有一些研究側(cè)重于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和處理,據(jù)此評(píng)估大壩的運(yùn)行狀態(tài)和安全風(fēng)險(xiǎn)。如宋子龍等[6]提出了一種集線式水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并使用該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行了安全監(jiān)測(cè),結(jié)果表明,該系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求,具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性好、可靠性強(qiáng)等多項(xiàng)實(shí)用優(yōu)勢(shì)。但基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的施工運(yùn)營(yíng)期水庫(kù)大壩安全穩(wěn)定性研究,仍然相對(duì)匱乏。

因此,本文選擇某水庫(kù)大壩為研究對(duì)象,對(duì)施工運(yùn)營(yíng)期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,評(píng)估大壩的安全穩(wěn)定性,預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 項(xiàng)目概況

研究區(qū)長(zhǎng)期存在著水資源緊缺的問(wèn)題,導(dǎo)致居民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到影響。為了緩解這一現(xiàn)狀,計(jì)劃新建一座水庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)大量的雨水和地下水,以滿足地區(qū)的日常用水和灌溉需要。為了探究基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的施工運(yùn)營(yíng)期水庫(kù)大壩安全穩(wěn)定性,本文選取該水庫(kù)為研究對(duì)象。根據(jù)相關(guān)資料,該水庫(kù)大壩的基本信息見(jiàn)表1。

表1 新建水庫(kù)大壩的基本信息

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇及監(jiān)測(cè)設(shè)施布置

在對(duì)該水庫(kù)大壩布置傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)之前,首先使用有限元軟件對(duì)大壩進(jìn)行施工和運(yùn)行全過(guò)程的仿真分析,確定大壩在不同工況下結(jié)構(gòu)最薄弱部位的變形和應(yīng)力分布情況,有助于設(shè)計(jì)實(shí)際監(jiān)測(cè)方案,并根據(jù)仿真模擬結(jié)果,制定針對(duì)性的監(jiān)測(cè)內(nèi)容。運(yùn)營(yíng)期的仿真分析結(jié)果表明,大壩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到的圍壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大壩上部結(jié)構(gòu),因此大壩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的位移往往小于上部結(jié)構(gòu)。此外,在大壩運(yùn)營(yíng)期,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)存在不均勻變化,具體出現(xiàn)在壩基和防滲墻相連部位以及大壩坡腳。

大壩滲流和滲壓監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)大壩的滲流和滲壓情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩的滲漏和變形,及時(shí)采取安全措施,保證壩體安全。為了全面掌握大壩不同位置的滲流和滲壓分布情況,根據(jù)實(shí)際的工程情況與施工地理位置,在大壩壩體上設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,分別為0+170、0+220、0+270和0+320m,監(jiān)測(cè)斷面的間距為50m。為了監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部的穩(wěn)定性,在4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面和防滲墻上共布置48個(gè)滲壓計(jì)。此外,在大壩壩體的4個(gè)監(jiān)測(cè)橫斷面上,針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)斷面位置,選擇3個(gè)不同的監(jiān)測(cè)層面,每個(gè)監(jiān)測(cè)層面布置3支滲壓計(jì),以監(jiān)測(cè)壩基內(nèi)部水分的分布和滲透力的變化情況,及時(shí)判斷壩基的穩(wěn)定性。為了及時(shí)了解墻前后滲壓的變化,并對(duì)防滲墻的效果進(jìn)行評(píng)估,在防滲墻前后1.5m處,埋設(shè)2支滲壓計(jì),具體見(jiàn)圖1。

圖1 大壩橫斷面滲流計(jì)布置圖

為了監(jiān)測(cè)壩體表面的位移變化情況,確保大壩的安全性能,避免大壩的位移變化引發(fā)壩體的破壞和水災(zāi)事故。本次研究設(shè)置20個(gè)視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn),通過(guò)徠卡TM50全站儀和DNA03水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量,并結(jié)合使用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,簡(jiǎn)稱GNSS)技術(shù)對(duì)大壩壩體表面位移進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)。

水體在流經(jīng)壩體時(shí),可能會(huì)發(fā)生滲流現(xiàn)象,可能會(huì)給壩體帶來(lái)很多隱患。為了確保大壩的穩(wěn)定性和安全性,必須實(shí)施繞壩滲流監(jiān)測(cè)。因此,在大壩的兩岸和下游坡頂,共布置8根測(cè)壓管,以監(jiān)測(cè)壩體周邊的繞流情況。

3 監(jiān)測(cè)資料分析

大壩的豎向位移及沉降是大壩的重要安全指標(biāo),本次大壩表面位移監(jiān)測(cè)自2022年9月開(kāi)始至2023年3月結(jié)束。通過(guò)視準(zhǔn)線法測(cè)得的大壩各位置變形量見(jiàn)表2。

表2 視準(zhǔn)線法測(cè)量結(jié)果

由表2可知,大壩在整體穩(wěn)定性方面表現(xiàn)較為良好。其中,最大豎向沉降量出現(xiàn)在大壩樁號(hào)為0+270m的壩頂位置,為19.7mm,表明大壩的結(jié)構(gòu)存在一定的不均勻性,需要進(jìn)行工程處理和監(jiān)測(cè)。壩頂上的豎向沉降量較大,為15.3mm,這是由大壩附近的山體和土壤層的沉降和變形所導(dǎo)致;一、二級(jí)馬道的豎向沉降量比壩頂沉降量小,主要是由大壩下方土體變形所導(dǎo)致,建議監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的工程處理。

通過(guò)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù),測(cè)量大壩壩頂表面各處沉降量,見(jiàn)圖2。

圖2 基于GNSS技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖2可知,使用GNSS技術(shù)測(cè)量的大壩壩頂表面各處沉降量,與視準(zhǔn)線法測(cè)得的大壩各位置變形量存在一定的差異,兩種方法具體對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 兩種測(cè)量方法對(duì)比圖

由圖3可知,整體上,使用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)測(cè)量的壩頂沉降量均大于采用視準(zhǔn)線法測(cè)量的壩頂沉降量結(jié)果。其中,兩種測(cè)量方法得出的結(jié)果偏差在0.75～1.25mm之間,而最大沉降量偏差出現(xiàn)在壩頂樁號(hào)為0+220m處?？傮w而言,一般使用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的測(cè)量誤差在5mm以內(nèi),因此兩種測(cè)量方法符合實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

滲壓測(cè)量可以確定大壩的滲透性,了解滲漏的位置和滲漏的程度。及時(shí)處理滲漏,有助于減少滲漏點(diǎn)周?chē)恋氐乃饔?控制大壩的壩體龜裂和沉降。本次水庫(kù)大壩滲壓測(cè)量,隨著大壩施工期,施工人員將滲壓計(jì)埋入鉆孔或洞隙中開(kāi)始,滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為每7天記錄一次,整個(gè)監(jiān)測(cè)期間共持續(xù)12個(gè)月。本次設(shè)置的4個(gè)監(jiān)測(cè)橫斷面的水位高程變化具體情況見(jiàn)圖4。

圖4 監(jiān)測(cè)橫斷面水位高程變化情況

由圖4可知,不同監(jiān)測(cè)斷面滲壓變化情況存在差異。但總體來(lái)說(shuō),在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間,大壩進(jìn)行預(yù)蓄水后,該地區(qū)的地下水位升高,滲壓計(jì)測(cè)值開(kāi)始出現(xiàn)增加趨勢(shì),但在一定范圍內(nèi)波動(dòng)不定。具體表現(xiàn)為:各監(jiān)測(cè)斷面在防滲墻前后都出現(xiàn)了水頭上升的情況,表明滲壓出現(xiàn)了增大的情況。而通過(guò)防滲墻中的滲壓計(jì)可知,整體上墻內(nèi)滲壓計(jì)水頭差明顯變小,表明防滲墻起到了明顯的隔水效果。此外,通過(guò)監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn),排水體前的滲壓計(jì)開(kāi)頭一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)少量水頭,排水體后的滲壓計(jì)受前期集水廊道的水倒灌影響,曾出現(xiàn)實(shí)測(cè)水壓力增大現(xiàn)象,但隨后逐漸消散。

通過(guò)對(duì)繞壩滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)和判斷壩體、壩基及岸坡等地方的滲流問(wèn)題,進(jìn)行準(zhǔn)確的安全評(píng)估。本次水庫(kù)大壩繞壩滲流量測(cè)量也是隨著大壩施工期,施工人員將滲壓計(jì)埋入下游護(hù)坡頂部以及壩頂與山體連接處開(kāi)始,滲流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同樣是每7天記錄一次,整個(gè)監(jiān)測(cè)期間共持續(xù)9個(gè)月。本次監(jiān)測(cè)的繞壩滲流量具體變化情況見(jiàn)圖5。

圖5 基于GNSS技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖5可知,在整個(gè)測(cè)量期間,右岸壩頂后側(cè)的繞壩滲流量小幅度增加,這是由于降雨、山體水源和地下水位變化等外部因素引起的。右岸壩后一級(jí)馬道側(cè)滲流量在整個(gè)測(cè)量期間存在較小幅度的波動(dòng)變化,這是由于季節(jié)變化、降雨等自然因素或工程施工、支護(hù)、排水等人為因素導(dǎo)致。右岸邊壩前迎水面和右岸壩后二級(jí)馬道側(cè)滲流量整個(gè)測(cè)量期間都沒(méi)有較為顯著的繞滲現(xiàn)象,這是由于這兩個(gè)部位地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水位、滲透性等因素相對(duì)穩(wěn)定而未產(chǎn)生明顯變化。

4 結(jié) 論

為了探究基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的施工運(yùn)營(yíng)期水庫(kù)大壩安全穩(wěn)定性,通過(guò)視準(zhǔn)線法、GNSS技術(shù)以及埋設(shè)滲壓計(jì)的方法,對(duì)大壩在運(yùn)營(yíng)期的穩(wěn)定性進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。結(jié)論如下:

1)該水庫(kù)大壩整體穩(wěn)定性表現(xiàn)良好,但局部存在不穩(wěn)定性,需進(jìn)行相應(yīng)的工程處理與監(jiān)測(cè)。

2)使用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)測(cè)量壩頂沉降量,與視準(zhǔn)線法測(cè)量壩頂沉降量的測(cè)量結(jié)果存在一定誤差,但兩種方法的測(cè)量誤差在允許范圍內(nèi)。

3)不同監(jiān)測(cè)斷面滲壓變化情況存在差異,整體而言,墻內(nèi)滲壓計(jì)水頭差變小,表明防滲墻起到了隔水作用。右岸壩頂后側(cè)繞壩滲流量小幅度增加,右岸壩后一級(jí)馬道側(cè)滲流量在整個(gè)測(cè)量期間存在較小幅度的波動(dòng)變化。

基于以上分析認(rèn)為,水庫(kù)大壩整體穩(wěn)定性良好,但仍需加強(qiáng)對(duì)大壩周?chē)刭|(zhì)環(huán)境和結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)與分析。