锦屏一级大坝首次蓄水过程监测成果分析

杨 弘，董燕君

（1.雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都，610051；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙，410014)

1 工程概况

锦屏一级水电站位于四川省盐源县、木里县交界的雅砻江干流，开发任务以发电为主，结合汛期蓄水兼有防洪作用。水库正常蓄水位1 880 m，死水位1 800 m，正常蓄水位库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，为年调节水库。电站安装6台600 MW水轮发电机组。工程枢纽主要建筑物由混凝土双曲拱坝、坝身4个表孔+5个深孔+2个放空底孔、坝后水垫塘、右岸1条有压接无压泄洪洞及右岸引水发电系统等组成。

锦屏一级水电站混凝土双曲拱坝坝高305.00 m，为世界已建最高坝，其拱冠梁顶厚16.00 m，拱冠梁底厚63.00 m，最大中心角93.12°，顶拱中心线弧长552.23 m，分26个坝段浇筑，其中13号、14号坝段为河床坝段。锦屏一级水电站工程建设技术极具挑战，其显著的工程技术特征[1]为“五高一深”，即特高拱坝、高水头泄洪消能、高山峡谷、高陡边坡、高地应力、深部裂隙。锦屏一级高拱坝具有“四不对称”技术特性，即左右岸地形条件、地质条件不对称、拱坝体型不对称、拱坝应力与变形不对称。坝基地质条件复杂，左岸坝基高程1 810 m以上为砂板岩，左岸高程1 810 m以下及右岸为大理岩。左岸坝肩边坡及抗力体地质构造发育、岩体破碎，并发育有深部卸荷裂隙，为此在左岸坝基设置了高为155 m的置换处理大垫座，在左岸抗力体分5层进行洞室置换网格及高压固结处理；右岸坝基沿f13、f14进行置换斜井与洞室网格及高压固结灌浆处理。左岸坝肩边坡布置有框格梁、锚喷混凝土、锚杆、60～80 m长锚索、沿f42-1的三层抗剪洞等针对浅表局部的处理及针对潜在大滑块稳定问题的处理。坝基及帷幕还布置了大量的水泥-化学复合灌浆处理。

锦屏一级水电站于2005年11月12日正式开工，2009年10月23日大坝混凝土开始浇筑，2012年11月30日导流洞下闸蓄水，2013年8月首批2台机组投产发电，2013年12月23日拱坝浇筑到顶，2014年7月12日6台机组全部投产发电，2014年8月24日水库蓄水至正常蓄水位1 880 m。

2 枢纽主要监测仪器布置

锦屏一级水电站工程安全监测范围（对象）包括拱坝及其基础、枢纽区边坡、左岸基础处理工程、水垫塘和二道坝、引水发电系统、泄洪洞、导流洞堵头、近坝区变形体等，以及为监测工程提供基准的坝区变形监测控制网。专项监测项目有：大坝强震监测、水力学监测、雾化监测、闸门动力学监测等。在分期蓄水前分别将阶段水位以下所有监测仪器接入自动化系统，确保了蓄水过程中监测的频次和精度。重要部位安全监测项目布置如下。

2.1 大坝监测

主要监测项目包括坝体及坝基变形监测、渗流渗压监测、坝体横缝监测、坝基接缝监测、坝体及坝基温度监测、坝体应力应变观测、拱端压应力、上下游水位、库水温、气温、降雨量监测等。特殊监测项目包括大坝强震反应、孔口及闸墩钢筋应力、闸墩锚索应力、闸墩混凝土应变、孔口水力学和动力学等。

2.2 枢纽区边坡监测

坝区工程边坡主要监测内容包括表面变形监测、受开挖卸荷影响的浅部岩体内部变形及支护结构荷载监测、深部岩体变形监测、特定结构面的工作状态监测，并开展了涉及两岸山体一定范围内的谷幅变形监测、自然山体高位危岩体变形状态监测、雾化强度监测等。两岸坝肩边坡共布置7条谷幅测线，抗力体布置3条谷幅测线。

2.3 左岸基础处理监测

左岸基础处理工程主要监测内容包括灌浆影响区变形监测、抗力体固结灌浆平洞变形和结构应力监测、抗剪洞结构应力和变形监测、煌斑岩脉置换洞结构应力和变形监测、f5断层置换洞结构应力和变形监测，并设置相应的渗压监测等项目。

2.4 引水发电系统监测

引水发电系统工程主要监测内容包括围岩变形和支护结构应力监测。地下厂房三大洞室群围岩变形监测设置9个横断面和6个纵断面，围岩变形主要采用多点位移计监测。支护结构应力监测包括锚杆应力和锚索荷载，布置位置与多点位移计相对应。

2.5 近坝区变形体监测

近坝区变形体监测范围包括解放沟左岸变形体、三滩右岸III号、II号变形体、水文站滑坡体和呷爬滑坡体，主要监测内容包括地表变形、变形体内部变形和地下水位监测等。

3 分期蓄水过程

锦屏一级水电站高拱坝初期蓄水时，在300 m高水头的库水作用下，近坝区域内的水文地质条件将发生改变，坝肩边坡及拱坝抗力体的稳定性、拱坝结构的安全性及坝基渗透稳定性将经受初次蓄水的极大考验。因此，锦屏一级水电站特高拱坝首次蓄水按照“分期蓄水、监测反馈、逐步检验、动态调整”的原则，根据坝体中后期导流规划及电站死水位、正常蓄水位的情况，按库水位1 700 m、1 800 m、1 840 m、1 880 m分四阶段分期蓄水，在各阶段水位适当停留，依据安全监测资料分析成果，对枢纽工程的安全性及库岸稳定性进行评价，动态指导特高拱坝分期安全蓄水至正常蓄水位。锦屏一级水电站分期蓄水过程见图1。

4 锦屏一级大坝工程监测成果

4.1 拱坝变形监测

4.1.1 水平变形

2012年11月30日第一阶段蓄水开始至2014年10月13日，坝体径向累计位移在1.82～42.48 mm之间（其中，11号坝段1 778 m高程累计位移量最大）。自2014年7月3日第四阶段蓄水前至10月13日，坝体径向向下游最大位移变化量为31.27 mm，为位于11号坝段1 885 m高程的PL11-1，其累计位移量为34.46 mm；2014年8月24日首次蓄至正常蓄水位运行至10月13日，径向向下游最大位移变化量为4.84 mm，为位于9号坝段1 885 m高程的PL9-1，累计位移量为30.98 mm。总体来看，坝体径向位移与库水位变化紧密相关，库水位上升时坝体向下游变形，各高程拱圈在蓄水后位移变化整体呈现出从两岸到中部坝段向下游变形逐渐增大的“单峰型”特征。库水位稳定后，变形渐趋平稳；目前，高水位已经持续1个多月，各测点径向存在一定的时效变形，高高程较大。典型坝段径向位移与坝前水位历时过程线见图2。

2012年11月30日第一阶段蓄水始至2014年10月13日，坝体垂线各测点切向位移分布总体以河床坝段为界，左岸坝段向左岸变形、右岸坝段向右岸变形，量值相对较小；切向位移累计量介于-4.96～7.41 mm之间，其中，向右岸变形最大的为19号坝段1 885 m高程，向左岸变形最大的为9号坝段1 885 m高程。自2014年7月3日第四阶段蓄水前至10月13日，切向位移变化量在-4.60～7.34 mm范围内；2014年8月24日首次蓄至正常蓄水位运行至10月13日，切向位移变化量在-0.32～0.77 mm之间。库水位稳定后，变形渐趋平稳，时效变形小。典型坝段切向位移与坝前水位历时过程线见图3。

图2 13号坝段各高程径向位移历时过程线Fig.2 Radial displacement on different elevations of dam block No.13

图3 13号坝段各高程切向位移历时过程线Fig.3 Tangential displacement on different elevations of dam block No.13

表1给出了实测值与反馈分析的对比。

4.1.2 垂直变形

自2011年5月始测以来，坝体垂直变形以拱冠处为轴左右岸基本对称；目前最大沉降量11.90 mm（1 664 m高程廊道）。2014年8月24日首次蓄至正常蓄水位运行至10月13日，上游水位基本稳定在1 879 m，坝体大部分测点均表现为少量上抬变形，以拱冠处为轴左右岸基本对称，变化量在-2.00～0.20 mm之间，量值不大。基础廊道双金属标均有一定量值的抬升，但量值较小，介于-1.18～0.17 mm之间，与水准测量规律一致。

4.1.3 坝体弦长

第一阶段蓄水开始至2014年10月8日，弦长变化量介于-8.16～-1.19 mm之间，以收缩为主，但量值较小。第四阶段蓄水开始至正常蓄水位，各高程弦线总体呈不同程度拉伸；水位稳定后，1 778 m弦长变化量表现为轻微收缩变形，1 885 m、1 829 m、1 730 m、1 664 m高程呈少量拉伸变形；弦长变形与坝前水位历时过程线见图4。

4.1.4 接缝与横缝观测

2012年11月30日至2014年10月13日，基岩与坝体接缝开合度变化量在-1.53～0.32 mm之间，开合度累计值介于-1.81～1.63 mm之间，其中，35.6%的测点接缝呈拉伸变形，64.4%的呈压缩变形；坝踵接缝主要呈拉伸变形（占61.1%），开合度变化量在-0.32～0.32 mm之间；坝趾接缝主要呈压缩变形（占78.9%），开合度变化量在-1.53～0.26 mm之间。

坝体横缝在前三阶段蓄水过程中受水推力、接缝灌浆等影响变化较为复杂；2014年5月完成最后一层灌区的接缝灌浆后，第四阶段蓄水至10月13日，拱坝横缝测缝计位移变化量在-0.34～0.30 mm范围内；2014年8月24日首次蓄至正常蓄水位运行至10月13日，开合度变化量在-0.23～0.25 mm之间。

4.2 渗流渗压监测

4.2.1 渗压监测

截至2014年10月13日，坝基帷幕后折减系数α1＝0.00～0.36，排水孔后折减系数α2＝0.00～0.08，符合坝基扬压力分布一般规律，且都小于设计值。历次蓄水帷幕后的折减系数总体变化不大，帷幕整体效果较好。但在蓄水过程中也出现了局部渗压偏大情况，这些点位主要位于大坝左岸与垫座交接基础部位，经过补充灌浆或打孔降压等措施后，均降至正常水平内，说明了这些点位主要是由于局部微裂隙造成的压力集中，对帷幕不会造成较大影响。如PDZ-1（1 820 m高程）的折减系数在第四阶段蓄水期间持续增长（2014年9月14日折减系数为0.42），通过增设排水孔处理后，当前折减系数已降至0.25，如图5所示。

表1 坝体径向位移与1 880 m变形监控指标对比Table 1 Comparison between radial displacement and monitoring index of displacement at elevation 1 880 m

图4 坝体弦长位移-坝前水位历时过程线Fig.4 Relation between chord length displacement and water level

图5 渗压计PDZ-1渗透压力过程线Fig.5 Osmotic pressure by PDZ-1 osmometer

左右岸帷幕灌浆平洞和排水洞从第一阶段蓄水到2014年10月13日，水位变化量介于-2.91～48.13 m之间，折减系数小于0.4和0.2的设计控制标准。整体呈现出帷幕后水位变化量大于排水孔后，低高程水位变化量大于高高程的变化特征，符合绕坝渗流变化规律。左、右抗力体绕坝渗流水位孔水位上升量总体在2.5 m以内，蓄水前后变化量不大。

4.2.2 渗流监测

目前，大坝各层帷幕、排水廊道及各层抗力体平洞总渗流量为64.94 L/s。其中，渗流量主要位于左岸1 595 m高程排水廊道，其渗流量为41.96 L/s，从首测至2014年10月13日，左岸1 595 m高程排水廊道渗流量增大5.91 L/s；左岸1 664 m高程排水廊道渗流量为8.55 L/s；左岸1 730 m高程排水廊道渗流量为2.65 L/s；右岸1 595 m高程排水廊道渗流量为5.76 L/s。其余大坝各层帷幕灌浆廊道、排水廊道、抗力体平洞渗流量基本小于2 L/s，且蓄水期间无明显变化。

4.3 应力应变

拱坝坝踵总体处于受压状态，坝踵垂直向压应力随库水位上升逐渐减小，垂直压应力最大为-6.52 MPa（12号坝段），两岸坝段径切向压应力随库水位上升逐渐增大；建基面坝中总体处于受压状态，径切向和垂直向压应力变化略有增大，垂直压应力最大为-5.09 MPa（9号坝段）；坝趾总体处于受压状态，坝趾垂直向、径向和切向压应力均随着库水位的上升逐渐增大，其中垂直向压应力最大为-4.50 MPa（9号坝段）；拱坝基本处于受压状态，局部出现受拉，拉应力均小于设计控制指标。

4.4 左岸边坡监测

4.4.1 边坡表面变形观测

左岸坝肩边坡地表和浅部变形，高程1 960 m以上最大矢量位移164.12 mm；第四阶段蓄水始至今，上下游方向位移变化量在-5.6～2.7 mm之间，累计位移量介于-54.3～-13.4 mm范围内；向河床方向位移变化量在-2.3～9.9 mm之间，累计位移量介于30.2～-139.2 mm范围内；垂直方向位移变化量介于-8.7～3.3mm之间，累计位移量介于-29.8～83.4 mm范围内。变形规律与蓄水前基本一致，与蓄水过程无明显相关性。

4.4.2 边坡浅、深部变形监测

左岸边坡通过埋设多点位移计、石墨杆收敛计等开展边坡的浅、深部变形观测。第一阶段蓄水始至2014年10月5日期间，位移变化量在4.76～10.03mm之间。第四阶段蓄水始至10月5日，位移计孔口位移变化量在-0.70～1.05 mm之间，监测锚杆应力变化量在-4.43～6.26 MPa之间，锚索测力计变化介于-39.28～26.04 kN之间；左岸平洞及排水洞布置的石墨杆收敛计合计位移变化量在-1.54～1.82 mm之间；整体来看，左岸边坡变形主要发生在边坡开挖期，与蓄水过程无明显相关性，目前边坡总体稳定。PD44平洞石墨杆收敛计位移历时过程线见图6。

图6 PD44平洞深部测点位移历时过程线Fig.6 Displacement of deep measure point at PD44 adit

4.4.3 谷幅观测成果

谷幅观测主要沿大坝上游至下游方向依次布置3条重要测线，即PDJ1～TPL19（1 917m高程，上游）、TP11～PD44（1 930 m高程，上游靠近坝肩）及PD42～PD21（1 930 m高程，下游）。图7所示为3条测线的变化过程。以大坝下游侧PD42～PD21谷幅线为例：第一阶段蓄水始至2014年9月27日，跨江段变化量为-12.92 mm，呈收缩变形趋势；第四阶段蓄水始至2014年9月27日，跨江段变化量为-1.70mm，呈收缩变形趋势。目前谷幅整体呈压缩变形，变化趋势与蓄水前基本一致，变形趋缓但尚未收敛。

4.5 近坝库岸

锦屏一级近坝库区分布有解放沟左岸、三滩右岸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号变形体及呷爬、水文站古滑坡体。在整个四阶段蓄水过程中，呷爬、水文站滑坡体整体稳定，只在前缘出现局部牵引式滑塌。解放沟变形体在前三阶段蓄水过程中整体保持稳定，但在第四阶段蓄水过程中，临近水面坡体出现变形；解放沟左岸边坡表面横河向变形历时过程线见图8。三滩右岸Ⅱ、Ⅲ号变形体从第一阶段蓄水后至今，表面变形监测点水平位移在4.6～98.0 mm之间，垂直位移在40.2～167.5 mm之间。低高程部位测点变形明显，高高程部位测点变化相对较小；三滩变形体存在整体下滑可能。三滩右岸变形体向河床方向位移历时过程线见图9。

5 结语

锦屏一级大坝第四阶段蓄水至1 880 m期间及蓄水后，坝体径向以向下游变形为主，切向变形方向基本为：偏左岸坝段指向左岸、偏右岸坝段指向右岸，量级较小。拱坝整体处于受压状态，应力变化符合一般规律。坝后弦长整体以微压缩变形为主，坝体横缝开合度基本无变化。蓄水前后渗流渗压变化不大，扬压力分布符合一般规律，均小于设计控制标准。左岸边坡变形规律与前期一致，深部变化不明显，左岸边坡整体稳定。水位稳定在1 880 m附近1个多月后，大坝及坝基时效变形微小，应力应变、渗流渗压基本无变化。

图7 谷幅变形过程线Fig.7 Variation of valley width

图8 解放沟左岸边坡表面变形历时过程线Fig.8 Surface deformation of left slope of Jiefang gully

图9 三滩右岸变形体向河床方向位移历时过程线Fig.9 Displacement toward the river bed of deformation body at the right bank of Santan

左、右岸边坡整体稳定，但左岸1 915 m高程排水洞，1 930 m高程的PD42、PD44勘探平洞的石墨杆收敛计深部观测及主要的几条跨江谷幅测线尚未完全收敛，需要持续关注。

近坝库岸三滩I号、II号、III号变形体蓄水过程变形加剧，已制定了应急预案并开展了演练。呷爬、水文站、解放沟变形体整体稳定，但临水部位局部塌滑。库区巡视未见影响大坝安全的大规模库岸变形、失稳现象，新增滑坡体采取搬迁措施后对水库安全运行影响不大。下阶段水库水位下降过程中将对库岸变形体和滑坡体密切加强监测与巡视检查，持续关注其进一步发展变化趋势，确保工程与沿岸居民的安全。

[1]王继敏，段绍辉，郑江.锦屏一级拱坝建设关键技术问题[C].水库大坝建设与管理中的技术进展——中国大坝协会2012学术年会论文集.郑州：黄河水利出版社，2012.