某抽水蓄能电站施工期上库主坝内部变形分析

张腾蛟，沈 慧

[南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏省南京市 211100]

0 引言

抽蓄电站与常规水电站相比存在明显的区别：抽水蓄能电站为了完成其抽水—发电的循环，必须有上、下两个水库，并且具有水库水位变幅大、升降频繁，水库防渗要求高，进/出水口为双向水流等特点[1]，所以水库大坝的建设施工有很高的要求。鉴于以上特点，在施工期对水库大坝进行监测评价，保证工程安全显得很有必要。在众多的评价手段中，原型监测评价是最为直观、可信的方法之一[2]，采用原型监测对大坝进行安全评价受到了广泛的重视。大坝原型监测能够对大坝安全评判提供重要的评判依据[3]。

本文基于原型监测，通过沉降、水平位移两方面分析某抽水蓄能电站施工期上库主坝内部变形情况，并且与普通面板坝类比，总结出不同变形规律。

1 项目概况

某抽水蓄能电站枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、发电厂房及下水库等4部分组成。上水库主要建筑物由1座主坝、2座副坝、库岸及库底防渗系统组成。上水库正常蓄水位291.00m，死水位254.00m，调节库容1195.9万m3，库口面积0.39km2。主坝为钢筋混凝土面板堆石坝；2座副坝位于水库南北两侧垭口处，均为钢筋混凝土面板堆石坝；上水库的防渗体系由挡水大坝和库岸的钢筋混凝土面板、库底开挖和石渣回填后上覆的土工膜防渗体系组成。环库轴线总长（含坝顶部分）2417.05m。工程为一等大（1）型工程，上水库挡水建筑物、输水建筑物、地下厂房和开关站等主要建筑物按1级建筑物设计，次要建筑物按3级建筑物设计。

本工程上水库主坝与一般面板坝相比在地形上存在明显差异：主坝与副坝连接形成整体，并且与山体衔接形成整体建设成为上水库。上游面挡水蓄水，下游面临空，坝基地形倾向下游。

图1 主坝典型断面测点布置示意图Fig．1 Typical dam section arrangement of the measuring points

2 上库主坝典型断面监测仪器布置及内部变形成果分析

上水库主坝坝体采用钢丝水平位移计（编号EX）监测坝体内部水平位移，采用水管式沉降仪（编号VS）监测坝体内部沉降，监测仪器布置在179、207、236、265m高程部位，典型监测断面具体沉降监测断面布置示意图如图1所示。水平位移测点与沉降测点同位置、同步布设。

坝体内部沉降成果为水管式沉降仪测值与坝后观测房沉降量叠加后的绝对沉降量。经过分析，典型监测断面各高程沉降均已趋稳，其中236m高程测点于2014年9月达到设计控制指标值（沉降速率小于5mm/月），265m高程测点于2014年10月达到设计控制指标值（沉降速率小于5mm/月），中间相隔1个月左右。过程线如图2、图3所示。

图2 265m高程沉降过程线图Fig．2 Time-history of 265m elevation settlement

图3 236m高程沉降过程线图Fig．3 Time-history of 236m elevation settlement

典型断面坝轴线最大沉降量为69.6cm，但最大沉降量位于坝轴线下游侧典型断面179m高程处，最大沉降量为87.9cm，约为最大坝高的0.5%，如图4所示。考虑到坝基地形倾向下游，且最下部存在一沟底排水层，可能是造成179m高程以下坝体压缩量较大的原因。另一方面，倾向下游的地形也使得典型断面的最大沉降量均偏离坝轴线而发生于下游侧。

对于水平位移，钢丝水平位移计测值为测点相对于观测房的变化量。坝体2015年6月最大水平位移量为35.8cm，位于179m高程处，如表1所示。水平位移主要形成于主坝填筑期间，截至2015年6月水平位移变化趋势减缓。从分布来看，在237m以上高程的坝体相对于坝后观测房总体向上游位移，量值不超过5.3cm。在208m以下高程，坝轴线的上游侧坝体均向上游侧位移，而坝轴线下游侧的坝体由于受到坝后压脚的作用，向下游位移的量值相对较小，典型断面向下游侧最大位移为10cm。

图4 典型断面沉降分布图（测值单位：cm）Fig．4 Settlement distribution diagram of typical section

表1 坝体内部相对水平位移测值统计（截至2015年6月）Tab.1 Relative horizontal displacement in the dam body （as of June 2015） 单位：cm

因坝后观测房建成且具备观测条件的时间较晚，未获得坝后表面变形的绝对值，上述分析结论基于相对位移测值。为进一步了解主坝的绝对水平位移规律，采用坝后观测房当前坐标相对于施工放样坐标的变化量，估算出坝后表面向下游的绝对位移最大值约为45cm左右，位于179m高程处，如图5所示。再与对应的相对位移叠加后可知，主坝整体均向下游位移，向下游位移的最大值为55cm，出现在典型断面179m高程处，基本符合正常变形规律。

3 与一般面板坝施工期变形规律对比

本工程上水库主坝与一般面板堆石坝相比，建设的坝基地形结构存在一定的差异。一般面板堆石坝建设在较为平坦的河谷处，坝基地形一般不会向一边倾斜，而本工程坝基地形倾向下游，导致了在施工期坝体变形规律与一般面板堆石坝变形规律略有不同。

在施工期一般面板堆石坝内部沉降在坝体填筑初期变形速率相对较大，坝体填筑完毕，沉降相对平缓后趋于稳定，坝轴线处沉降变形相对较大；水平位移基本相对以坝轴线为界限，上游向上游位移，下游向下游位移，位移量基本对称于坝轴线。[5-6]

例如，新疆某工程混凝土面板堆石坝沉降量最大的点为坝0+334m断面、2428m高程V7-5处（坝轴线处），最大沉降为359mm，约占坝高0.31%。水平位移上游侧测点向上游变形，下游测测点向下游变形，变形量与坝轴线基本对称，向上游最大水平位移为19.72mm，测点距离坝轴线84m，向下游最大水平位移为41.55mm，测点距离坝轴线32m[7]。云南兰坪县水库面板坝前期沉降较快，随着坝体的增高和时间推移，沉降速率逐渐降低，坝轴线沉降最大，依次向坝轴线两侧减小，基本对称于坝轴线。对于水平位移，坝体上游侧石体向上游方向移动，下游侧石体向下游侧移动，越靠近坝体边缘处位移量越大，向上游侧最大位移为162.2mm，向下游侧位移最大为73.7mm[8]；北疆某面板砂砾石坝沉降主要发生在填坝施工期，当填土在高程956m后，沉降量趋于平缓，位于坝轴线上的测点V2-2沉降量最大，沉降109mm，约占坝高的0.16%。水平变形相对以坝轴线，上游测点向上游位移，最大位移量为67.28mm，下游测点向下游位移，最大位移量为15.20mm[9]；白水坑水库混凝土面板堆石坝最大坝高处沉降量最大，向两岸逐渐减小，最大沉降量（B4测点）为280.67mm，约占坝高的0.28%。水平位移基本沿坝轴线向两边变形[10]。

图5 179m高程水平位移过程线图Fig．5 Time-history of 179m elevation horizontal displacement

本工程上水库主坝与一般面板坝相比，在施工期变形规律略有差异。由于坝基地形倾向下游等特点，主坝施工期最大沉降位置不在坝轴线附近，而是靠近下游侧179m高程处，最大沉降量为87.9cm，约为最大坝高的0.5%。水位位移主坝整体均向下游变形，向下游位移的最大值为55cm，出现在典型断面179m高程处。

4 结束语

（1）主坝自2014年10月以后沉降速率均已达到设计控制指标，坝体稳定。典型断面最大沉降量发生在典型断面179m高程，并且最大沉降处于下游侧。截至2015年6月，坝体内部最大累积沉降量为87.9cm，约为最大坝高的0.5%。对于水平位移，主坝整体均向下游位移，向下游位移的最大值为55cm，也出现在典型断面179m高程处。

（2）与一般面板堆石坝相比，由于受坝基地形倾向下游的影响，沉降和水平位移变形规律略有差异：本工程主坝施工期最大沉降位置靠近下游，水平位移整体向下游位移。

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