丹江口水库蓄水试验期右岸土石坝安全监测成果分析

2019-01-16

水利水电快报 2018年12期

(1.南水北调中线水源有限责任公司，湖北丹江口 442700； 2.武汉扬子江工程监理有限责任公司，湖北武汉 430010)

1 工程概况

丹江口大坝加高工程是在丹江口水利枢纽初期工程基础上进行的改扩建工程。枢纽位于湖北省丹江口市境内的汉江干流与其支流丹江汇合口下游约800 m处，坝址控制流域面积 9.52万km2，多年平均径流量388亿m3，多年平均流量1 230 m3/s，具有防洪、供水、发电、航运等综合功能。主要建设内容包括混凝土坝及左岸土石坝培厚加高、新建右岸土石坝、铁路副坝及董营副坝、改扩建升船机、金属结构及机电设备更新改造等。2005年9月26日主体工程正式开工，2013年底基本完建，大坝加高后枢纽正常蓄水位170 m，设计洪水位172.2 m，校核洪水位 174.35 m，总库容 339.1亿 m3。

右岸土石坝为新建黏土心墙坝，最大坝高60 m，坝体采用黏土心墙防渗，坝基采用帷幕防渗。上游坝坡为1∶2.5～1∶2.25，下游坝坡为1∶2.25～1∶2.0，上、下游坝坡在高程165,155,145 m各设置马道。坝体上游采用混凝土护坡，下游采用草皮混凝土格栅护坡。

2 丹江口水库蓄水试验情况

自2013年8月丹江口大坝加高工程通过蓄水验收后，由于连续多年来水偏枯，水库长期在中、低水位运行。利用2017年秋季来水偏丰的有利时机，2017年9～11月底，丹江口水库开展了164(±0.5)m和167(±0.5)m水位蓄水试验，试验结果表明大坝工作性态正常，具备进一步蓄水条件。此间上游水位变化过程线见图1。

图1 蓄水试验期间上游水位变化过程线

3 右岸土石坝监测设施布置

(1)水平位移监测。在坝顶上游侧设水平位移监测点 19 座, 坝后 165 m 马道设水平位移监测点 15 座。另外在土石坝与混凝土坝右5、右6坝段坝顶接合处各埋设1套表面测缝计。

(2)垂直位移监测。在坝顶、迎水坡高程 165 m，背水坡高程165,155 m 各布设一条精密水准测线，间距60～80 m，与水平位移测点结合布置，共计测点 62 个。工作基点为位于土石坝右坝肩岸坡地段的双金属标。

(3)坝体内部变形监测。在土石坝与混凝土坝结合面高程141,165 m处的混凝土齿墙上、下游侧各布置1套三向测缝计，高程 173 m结合面处布置1套三向测缝计。在桩号0+092，0+442坝轴线处的黏土心墙内和下游坡165 m马道处各布置1根沉降管兼测斜仪导管，监测坝体内部沉降和水平位移。共计5套三向测缝计、4根沉降管兼测斜仪导管。

(4)坝体及坝基渗流监测。分11个断面共设测压管29根，渗压计27支(重点监测断面为土石坝与混凝土坝结合面、0+092断面、0+442断面)。其中土石坝右坝端设3支测压管进行绕坝渗流监测，其余用于监测防渗体、下游坝壳底部、右下挡土墙前渗流压力情况。渗流量采用量水堰监测，分别布置于右下挡内排水沟出口、0+643断面附近下游排水沟出口处。

(5)右下挡土墙监测。在右下挡土墙2号断面，设有2支界面土压力计和1支渗压计，墙踵基岩面处布置1支测缝计。

4 观测资料分析

4.1 右岸土石坝变形监测成果

(1)水平位移。右岸土石坝坝顶及各层马道水平位移监测采用交会法, 监测点平面坐标系统采用大坝坐标系，X方向为左右岸方向，指向左岸为正；Y方向为上下游方向，指向上游为正。8月29日至11月20日蓄水过程期间，实测水平位移监测点左右岸(X)方向累计位移量在-79.405～4.79 mm之间，最大累计位移量测点为AL02YT01(桩号0+032)，该测点在此次蓄水期间位移增量为-10.34 mm。实测上下游(Y)方向累计位移量在-62.66～10.38 mm之间，最大累计位移量测点为AL02YT01(桩号0+032)，该测点在本次蓄水期间位移增量为-4.03 mm。其他各测点测值均较小。

结合部坝顶主要是AL02YT01明显向右持续位移，时效明显，临近的AL03YT01也有向右发展的趋势，但变化较小，其余测点处于基本稳定状态变化。AL02YT01(桩号0+032)位移向右发展的主要原因是右岸土石坝与混凝土坝的连接采用正交式与混凝土坝下游坡连接，结合处混凝土坝面坡度为1 ∶0.6，由于现阶段沉降尚未稳定，结合部沉降变形增大，水平位移表面测点会持续向右岸变形。

从AL01YLY6与AL02YT01水平位移测值来看，两者之间存在相对张拉，观测到的相对张拉值为 67.28 mm(2018年3月23日)，相应的张拉应变约为67.28/32/1000=2‰，张拉应变较大，且呈增大趋势。AL01YLY6为右联混凝土坝右6坝段坝顶的水平位移测点，沉降量相对于AL02YT01很小可忽略不计，因此将AL02YT01测点估算的最大沉降值353.5 mm作为AL02YT01与AL01YLY6两点间最大沉降差，然后利用该沉降差估算这两点倾度值约为353.5/32/1000=1.1%，倾度值也相对较大，与黏性土一般允许倾度1%～1.2%的经验值相当，与现状结合面张开的情况一致[1]。

鉴于结合部沉降尚未稳定，仍有进一步发展的趋势，需继续加强结合部位的监测与检查。

(2)垂直位移。2017年11月21日测得垂直位移监测点累计位移量在10.11～208.04 mm之间，最大累计位移量测点为LD02YT01(桩号0+032)。蓄水期间变化量大于10 mm的测点为LD02YT01(桩号0+032) ～ LD06YT01(桩号0+122)。

表面垂直位移总体呈下沉状态，位于结合部顶部LD02YT01(桩号0+032) ～ LD06YT01(桩号0+122)测点受库水位阶段抬升比较明显，测点位移尚未稳定，但阶段内位移有明显收敛趋势。右岸土石坝与混凝土坝结合部沉降表现为距接触面越近,沉降量越大。

4.2 右岸土石坝渗流监测成果

为了监测土石坝渗透压力变化情况，以0+092断面作为典型断面，布设了6支渗压计。各监测设施布置见图2。

图2 0+092监测断面监测设施布置

渗压计监测成果表明，PY092-1位于防渗墙前，与上游水位变化明显相关，比上游水位低2.28 m；防渗心墙内的渗压计PY092-2、PY092-6的测值变化趋势相同，比上游水位低，最大差值分别为 23.91 m和12.83 m；PY092-3现已失效；PY092-4、PY092-5实测渗压水位较低，该断面渗流性态稳定。各支渗压计实测水位过程线见图3。由渗压计测值过程线可知，PY092-1、 PY092-2、PY092-6渗透压力变化与上游水位相关，表明在蓄水期间，渗压水头平稳变化，渗流性态稳定。

图3 0+092断面渗压水位测值过程线

4.3 坝基渗漏监测

右下挡量水堰测值变化主要是受降雨影响所致，渗流量已减小。0+643断面量水堰投入观测从来，大多时期渗流量平稳；2017年11月21日实测渗漏量为 0.298 L/s。

4.4 其他监测断面情况

右岸土石坝分11个断面，共计布设测压管29根。部分测压管处于干孔状态，除0+042断面测压管作为坝体浸润线测压管外，其余测压管多数为坝基测压管，测值反映为地下水位。2017年8月29日至11月19日蓄水期间，埋设于土石坝端头测压管水位随上游水位变化明显，其他测压管水位基本稳定，表明坝体、坝基渗压水位变化稳定，心墙防渗效果良好。

4.5 坝体内部变形

以0+442断面作为典型断面，2根沉降管均采取边填筑边上引的方式埋设，使用沉降仪进行观测。各沉降环所在高程处的沉降值均以管口高程为基准值计算而得。

沉降管ESY442-1(位于距坝轴线上游侧1 m)累计沉降量沿深度分布见图4，为2017年9～11月测值。由图4可以看出，在高程171 m处沉降量最大，约为 419.5 mm。2017年9月17日至11月21日蓄水过程期间，沉降增量不明显。

图4 ESY442-1累计沉降量沿深度分布

沉降管ESY442-2(位于距坝轴线下游侧13 m)累计沉降量沿深度分布见图5。由图5可以看出，在高程151 m处沉降量最大，约为294 mm，该位移为仪器埋设后至目前的累计位移，即土石坝填筑以来的总变形，位移过程及分布规律总体正常。2017年9月17日至11月21日蓄水期间，增量不明显。

图5 ESY442-2累计沉降量沿深度分布

4.6 土石坝与混凝土坝结合面

(1)结合面的缝面开度。土石坝与混凝土坝结合面布设有 5 组(15 支)三向测缝计，其中 JY000-1、JY000-2分别位于高程135.00 m的混凝土齿墙前、后水平距离3.0 m处，JY000-3、JY000-4 则分别位于高程155.00 m的混凝土齿墙前、后水平距离 3.0 m处，JY000-5位于高程173.00 m的混凝土齿墙(平齿墙顶)前 3.0 m处；2 只单向测缝计为SJ01YT、SJ02YT，位于坝顶 176.60 m。

2017年8月29日至11月21日期间，混凝土坝与土坝结合面开度均处于受拉状态，垂直向较大，为12.08～35.93 mm，水流向-0.24～3.29 mm，轴向仅心墙内高程155.00 m处有测值，为 1.96～2.51 mm，已趋于稳定。由于结合部下游侧混凝土齿墙延长渗径达18 m,渗流安全有保证，但上部高程173.0 m以上，存在的较小开度可能会对大坝结合面处的渗流产生不利影响，应予以关注。

(2)土石坝与混凝土坝结合面土压力。土石坝与混凝土坝结合面的土压力监测成果表明土压力计基本处于受压状态。土压力变化主要受时效影响，2017年8月29日至11月21日蓄水过程期间，土压力测值无明显变化，水位变化对土压力影响很小。