马来西亚沐若水电站首次蓄水期变形监测成果分析

【摘要】马来西亚沐若水电站（Murum）属大（I）型水利枢纽工程，电站地处热带季风气候区。本文主要对沐若碾压混凝土重力坝在建设期及首次蓄水期超过校核洪水位期间的变形情况做一点探讨，以供相关工程项目参考。

【关键词】水平位移；正倒垂；变形监测；蓄水期；沐若

前言

对于水利工程，在大量的工程实践和科研活动中，变形监测占有重要的位置，其主要建筑物即坝体在蓄水后的稳定直接关系到人民的生命财产安全。因此，对于首次蓄水的沐若水电站重力坝，在首次蓄水期的变形观测工作就显得尤为重要，其变形限值及变形规律不仅是检验设计标准和施工质量的直接依据，更是电站运行期坝体稳定与否的基础保障。

1、概述

1.1 项目概况

沐若水电站地处马来西亚的砂捞越州，坝址位于拉让（Rajang） 河流域源头的沐若河上，坝址控制流域面积约为2750 km2，是拉让河上游梯级开发中的第2个梯级电站。

工程分成两大部分，即大坝区和厂房区，两区域相距约9.0km。大坝区由碾压混凝土重力坝、导流洞、生态流量引水发电系统等组成；碾压混凝土重力坝轴线为曲线形式，坝体分23个坝段，总长度432.12m；坝顶高程EL546.0m，坝体设计高度146.0m，坝基宽度为139.3m，最大坝宽122.0m（10#坝段）。

工程主要任务是发电，水库正常蓄水位EL540.0m，死水位EL515.0m，年径流量120亿m3，总库容120.43亿m3，调节库容54.75亿m3。引水发电厂房装机4台，单机容量为236MW，总装机容量944MW。

1.2 水文地质概况

沐若水电站所处河流流域属热带季风气候，相对湿度全年不低于85%，全年最低气温高于18℃，全年最高平均气温30.7℃，最低平均气温23.2℃。流域发生降雨的频率大于100天/年，年平均降雨量约为4456mm。

沐若电站大坝坝基岩体工程地质类别主要有3类，即Ⅱ、Ⅲ与Ⅳ类。坝区两岸山体较单薄，地层陡倾，岩性以砂岩、页岩、泥岩及其组合为主。坝基跨越三类岩石，即砂岩类，页岩、泥岩、粉砂岩类，砂岩与页岩、泥岩、粉砂岩的组合岩类。由于这三类岩体物理力学性状差异较大，因此坝基可能存在较为突出的不均匀变形问题，坝址区工程地质条件较差。有必要对坝体采取一定的监测手段。

2、变形监测项目布置

2.1 表面变形监测

沐若大坝区变形监测采用前方交会法对坝体水平位移测点进行变形测量。根据设计方案，坝体水平位移外部观测点布置在坝顶，由于首次蓄水时坝顶还未浇筑，因此，选择在坝体2/3高度处即EL510.0m处的典型坝段的下游面布设4个混凝土观测墩，设强制归心盘，分布于2#、6#、10#、14#坝段，其编号分别为TD02、TD06、TD10、TD14。具体布置见图1。

2.2 正倒垂线监测

沐若大坝共布置5条倒垂线、7条正垂线。布置在2#、6#、10#、14#及19#坝段。各坝段分别布置一套倒垂装置，其中6#、14#坝段各布设两条正垂线装置，10#坝段布设3条正垂线装置。正垂线测量装置分段悬挂，即坝顶至EL500.0廊道、EL500.0廊道至坝基。与倒垂线组合使用，可以观测大坝在蓄水期间不同高程的绝对水平位移量。具体布置见图1。

为监测重力坝坝体整体沉降情况，在各坝段坝顶EL546.0m各布置一个精密水准测量点，在左岸勘探平硐0+120.0m处基岩布置一个工作基点LS1，在下游1.5KM基岩稳定处布置一个水准基点LE1，LE1采用钢管标，钻孔24米至基岩面，灌浆并做隔热处理。

坝基基础廊道共布置17个精密水准测量点，分布在8#-12#坝段坝基廊道，自上游至下游各纵向廊道分别布置一个水准点。具体布置见图示2。

3、监测成果统计与分析

根据多年水文资料统计，沐若水电站大坝区年降雨量大于4400mm。大坝自2013年9月21日蓄水开始，2013年12月蓄水位即达到顶层廊道EL500.0高程处（坝体2/3高度），2014年11月17日达到设计水位EL540.0，2015年2月9日蓄水位达到EL542.78，首次超过校核洪水位EL542.46。从蓄水开始至达到设计水位历时14个月，超过校核洪水位历时仅17个月。

蓄水位超过校核洪水位后緊急启动大坝安全应急预案，并同时消减库容，至2015年6月观测日止，库水位基本维持在死水位附近，未再有超过校核洪水位情况发生。本文主要针对蓄水开始至蓄水超过校核洪水位后半年期间的变形监测数据做一点探讨。

3.1 表面变形成果分析

坝体下游面水平位移变形测点于蓄水前取得基准值并于蓄水期间持续观测，观测采用前方交会法进行观测，观测频率每月至少一次。至2015年6月止，各测点沿左右岸方向变形基本无大的变化，主要变形来自上下游方向的位移。其变化趋势线见下图3，正值表示向下游方向移动。

从上图变化趋势可以看出，蓄水位在达到EL500.0水平位移变形测点布设高程处前，测点基本无明显位移变化，自蓄水位超过EL500.0（坝体2/3高度）后，各点水平位移变化开始呈明显向下游位移变化的趋势，至2015年2月9日，蓄水位超过校核洪水位时，各点向下游位移量均达到最大值，其中位移变化相对较大的点为河床坝段的TD10和TD06，向下游位移绝对量分别为33.44mm、30.13mm；变化量相对较小的为岸坡坝段的TD02和TD14，向下游位移绝对量分别为19.44mm、15.56mm。

从测点变形规律来看，随着库水位上升到测点埋设高程EL500.0m（即坝体2/3高度）处后，大坝的变形呈现整体向下游位移趋势，且河床坝段变化较岸坡坝段变化大。符合一般变化规律，在库水位稳定后其变形也趋于稳定，无明显变化或突变情况。

3.2 正倒垂线成果分析

3.2.1 倒垂线成果分析

沐若电站大坝倒垂装置分别布置在2#、6#、10#、14#、19#坝段，倒垂孔钻孔深度均为50米；蓄水前全部安装完并取得基准值。自蓄水开始至超过校核洪水位及其后半年期间坝体变形趋势如图所示，正值表示向下游方向移动。

从各倒垂数据变化规律分析：在蓄水前期，水位到达EL500.0（坝体2/3高度）处前，坝基基本稳定，有略向上游方向位移的趋势，变化量不超过1.0mm；水位达到EL500.0高程后，坝基整体均有向下游位移现象。各坝段变化均在8.0mm左右，均未超过设计限值10.0mm。其中位移变化最小为右岸的19#坝段，向下游位移量为4.75mm，分析原因为右岸有完整基岩的岩石，岩石基础承受了部分荷载，较其他坝段坝基稳定性更佳。蓄水位于2015年2月达到校核洪水位后，坝基位移达到最大值，当库水位稳定在EL540.0m后，变形亦趋于稳定。因此判断，变形主要集中在水位到达EL500.0至EL542.0期间，随水位的升高变形逐步加剧，并在库水位维持在一定水位时变形收敛。

3.2.2 正垂线成果分析

各坝段正垂线根据廊道布置分层悬挂。受土建工作影响，EL500.0m至EL546.0的正垂未及时安装，未能在蓄水前取得基准值，因此，根据各分段数据整理出EL500.0m高程处坝体的绝对位移变形情况，自蓄水开始至超过校核洪水位及其后半年期间坝体变形趋势如图所示，正值表示向下游方向移动。

从正垂数据变化分析：在蓄水前期，坝体基本稳定，有略向上游方向位移的趋势，变化量不超过1.0mm；当水位达到EL500.0高程后，大坝整体均有向下游位移现象，当蓄水位于2015年2月达到校核洪水位时，10#、6#、14#坝段坝体在EL500.0高程相对坝基的位移量分别为25.34mm、19.41mm、10.9mm。再与相应坝段倒垂线数据进行结合，得出10#、6#、14#坝段坝体在EL500.0高程的向下游的绝对位移分别为33.38mm、27.96mm、19.92mm，其最大位移量均未超过设计限值48.0mm。

同时，与坝体下游面EL510.0m处埋设的TD10、TD06、TD14变化量33.44mm、30.13mm、19.44mm进行比较，其位移方向及位移量基本相同。证实了两项监测手段的可靠性和精确性。当库水位保持在EL541.0左右期间，坝体位移变形无明显变化，變形趋于收敛。

3.3 垂直位移成果分析

由于蓄水开始时坝顶受土建工作约束未形成，坝顶精密水准基准值蓄水前无法取得，坝体绝对沉降观测有所滞后。因此，此处仅讨论坝基上下游的相对沉降，即坝基扰度观测。

根据坝基水准点埋设分布，拟定以坝基宽度最大的10#坝段最下游点BM04DB10为相对沉降参考基点。施测采用DNA03电子自动安平水准仪。观测过程中，仪器的操作及各项限差执行《国家一、二等水准测量规范》，观测人员及往返测路线保持相对固定。

10#坝段为坝体中间部位，承受水荷载及其他相对其他坝段较大。观测成果以10#坝段为典型观测断面进行分析，沉降趋势见图示。沉降量为正值表示坝基下沉。

从沉降数据变化分析：坝基沉降观测于蓄水前半年取得基准值，蓄水期间前每月至少观测一次。根据其数据变化规律发现在蓄水位在EL500.0之前坝基上游相对下游均呈逐步下沉现象，即坝基向上游方向倾斜，各部位相对下游固定点的沉降量比较均衡且均不超过1.0mm；分析为前期坝基主要受库区静水库容荷载的影响。2014年1月22日，当蓄水位超过EL510.0高程（坝体2/3高度）后，坝基上游相对下游呈抬升趋势，即坝基向下游方向倾斜，各沉降点上升幅度逐步增大，至蓄水位达到校核洪水位时变化达到最大值，从趋势图看出，越靠近坝基上游的点（BM01DB10）抬升越大，最大抬升超过7.0mm，坝基中游部位沉降点（BM02DB10&BM03DB10）基本是上游沉降点抬升值的一半，符合坝基作为一个完整刚性体的倾斜特征。自蓄水位稳定在EL541.0左右时，其相对沉降基本趋于稳定，变形收敛。

4、结论

1）首次蓄水期，水位未达到EL500.0之前，通过各坝段倒垂线监测数据及各底层廊道沉降点监测数据分析可以看出：坝基主要因静水库容的自重作用使库底变形而产生向上游转动；待水位超过EL500.0后，结合正倒垂监测数据及EL510.0下游坝面埋设的观测墩监测数据分析可以看出：水库水压力及坝底的扬压力使坝基反向向下游转动，同时水库净水压力作用到坝体上使坝体产生完全变形，产生向下游的水平位移变形。

2）通过各监测项目的数据比较，可以看出各监测手段监测到的变形趋势及变形数值是基本吻合的，侧面印证了各监测手段的正确性，同时印证了坝体变形趋势的精确性。在首次蓄水期间水位即达到校核洪水位的情况下，各测点变形数值均未超过设计限值，证明了大坝设计的可靠性及施工质量的过硬。

3）通过监测数据的分析，可以看出引起重力坝变形的因素很多，包括水位变化、自然条件、地质条件、坝体的结构等等。主要的变形规律表现在：重力坝的水平位移变形与水位有直接的关系，变幅随坝高而加大，同一坝段监测断面，扰曲呈抛物线状，测点高的位移变幅大；对于不同坝段，中间河床部位坝段变幅大，岸坡坝段的变幅小；坝基软弱破碎的坝段位移变幅大，坝基坚硬完整的变幅小。

4）对国内大部分重力坝体来说，冬夏季上下游坝面的温差易引起坝体季节性偏移，故温度分析是一项重要的内容。但对于沐若水电站重力坝而言，由于其地处热带季风气候条件，常年平均气温基本无温差，本文仅讨论首次蓄水至校核洪水位期间的变形情况，时间跨度短，而坝基的倾斜基本与温度无关，主要受水位的影响，因此本文的变形分析未考虑温度因素的影响。

5）对于大坝安全监测来说，是一个长期的、持续的过程。本文仅讨论重力坝在首次蓄水期的变形情况，对于后期的坝体变形有必要进行持续观测。

参考文献：

[1]赵志仁等.大坝安全监测设计[M].郑州：黄河水利出版社， 2003.7.

[2]马来西亚沐若水电站工程地质勘察报告.武汉：长江勘测规划设计研究院，2010.

作者简介：

陈军（1981-），男，工程师，中国水利水电第八工程局有限公司科研设计院。