某高面板堆石坝实测运行性态分析

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(1.江苏省江都水利工程管理处，江苏扬州225200；2.杭州国家水电大坝安全和应急工程技术中心有限公司，浙江杭州311122)

1 工程概况

某水电站工程位于西南某省，坝址以上控制流域面积6 422 km2，水库总库容5.31亿m3，属不完全年调节水库，电站总装机容量360 MW(3×120 MW)。工程规模属Ⅱ等大(2)型，主要建筑物按2级设计，设计洪水位1 086.86 m(相应库容为4.70亿m3)，正常蓄水位1 086.00 m(汛限水位，相应库容为4.55亿m3)，死水位1 052.00 m(相应库容为1.33亿m3)。电站枢纽由混凝土面板堆石坝、左岸溢洪道、右岸发电引水洞和发电厂房、左岸1号导流洞、右岸2号导流洞等组成。混凝土面板堆石坝最大坝高129.5 m，坝顶高程1 092.50 m，坝顶防浪墙顶高程1 093.70 m，坝顶宽10.6 m，坝顶长276.0 m。工程于2000年11月8日正式开工，2004年6月工程全部竣工。

2 大坝主要监测设施布置

2.1 变形

在坝顶、上游坝面1 088.00 m高程、下游坝坡布置了6条测线，共计31个测点，以观测大坝表面顺河向水平位移和垂直位移。大坝内部设有沉降仪、水平位移计监测坝体内部垂直位移、坝体内部顺河向水平位移。面板接缝监测包括周边缝变形监测、垂直缝变形监测，分别埋设了8组三向测缝计，12支单向测缝计和2组双向测缝计。面板脱空采用脱空计(双向测缝计)监测，两支测缝计夹角及测缝计与面板的夹角均为60°，其组成的平面垂直于面板。

2.2 渗流

在坝后溢洪道左岸布置3个地下水位孔，在坝后溢洪道右边墙附近的岩锚墙的1 030.00 m高程布置1个地下水位孔，在坝后右岸各高程布置6个地下水位孔。编号为PL1-1—PL1-4、PR2-1—PR2-3、PR3-1—PR3-3。

在左岸灌浆廊道布置4个地下水位观测孔，在右岸灌浆洞(交通洞)布置3个地下水位观测孔，以观测帷幕灌浆效果，编号为P1w—P7w。

为监测大坝基础渗透压力，沿河床最大断面(横左0+000.00 m)设置一条顺河向渗压观测线，其中在坝基趾板帷幕前布置1支渗压计，以直接反映上游铺盖区的渗透压力；在紧靠帷幕后布置3支钻孔式渗压计，以观测基础不同深度渗透压力情况；在沿坝基中心线纵上0+152.50 m、纵上0+070.00 m、纵上0+000.00 m和纵下0-070.00 m各布置1支渗压计。另外在左、右岸坡趾板帷幕后埋设坑式渗压计各3支。

为了监测坝体及坝基的总渗漏量，设置量水堰。根据地形及坝体结构、下游尾水位等，利用下游围堰作为坝脚的截水墙，在坝后布置一座梯形量水堰，堰口底宽0.7 m，两侧坡度1∶0.25，并配以堰流计进行观测。

2.3 面板钢筋应力

在1 050.00 m高程以上面板中部布置单层双向钢筋，竖向配筋φ22@20，横向配筋φ20@20；在1 050.00 m高程以下面板采用双层双向配筋，竖向钢筋φ20@20，横向钢筋φ18@20。钢筋计主要布置在面板受力钢筋上，共有20支(R1～R20)，分布在横左0+067.50 m、横左0+007.50 m及横右0-052.50 m 3个断面上，1 058.00 m高程以上布置在顺坡向钢筋上，EL1038按水平向、顺坡向布置，1 014.00 m高程以下布置在内外层顺坡向钢筋上。

在面板不同高程共埋设了6组三向应变计，每组应变计旁埋设了1支无应力计。除1组布置在面板中间部位外，其余布置在周边缝附近。

坝体内部应力通过土压力计进行监测，在横左0+000.00 m桩号的面板后垫层料内998.00、1 032.00、1 058.00 m 3个高程各布置2支土压力计，在坝轴线998.00、1 032.00、1 058.00 m 3个高程各布置了1支土压力计，编号为E1～E9；另外，在大坝纵轴线断面上两岸坡位置998.00、1 032.50、1 058.00 m 3个高程，也分别布置2支土压力计，编号为E10—E21。

3 实测运行性态分析

3.1 变形

3.1.1表面垂直变形

图1是大坝坝顶沉降变形过程线，表1是大坝表面典型测点垂直位移极值统计表。从2004年11月(首次观测)至2016年12月，大坝坝顶最大沉降量为100.17 mm(横左0+000.00 m，坝顶的LD5-3)，上游坝面最大沉降量为80.49 mm(LD6-5测点)，下游坝坡最大沉降量为100.62 mm(LD4-2测点)。坝体沉降速率逐年减小，2016年坝顶最大沉降速率为3.02 mm/a，上、下游坝坡最大沉降速率为2.38、3.75 mm/a，目前已基本稳定。大坝沉降的分布规律是：河床大于岸坡，左坝体略大于右坝体，沉降大小基本与坝高相对应，符合堆石坝变形的一般规律。

图1 大坝坝顶沉降变形过程线

位置测点编号桩号/m最大值测值/mm日期(年-月-日)历年沉降量/mm2014年2015年2016年上游坝面1 088.00 m高程LD6-5横左0+023.0080.492016-12-174.74 3.51 2.38 坝顶LD5-1横左0+097.0022.332016-11-141.50 1.03 0.51 LD5-2横左0+045.0094.242016-12-175.73 4.10 2.83 LD5-3横左0+000.00100.172016-12-175.28 4.44 3.02 LD5-4横右0-045.0095.262016-12-175.20 4.17 2.96 LD5-5横右0-082.5076.472016-11-143.95 3.33 2.40 LD5-6横右0-116.5049.552016-11-142.99 2.61 1.66 下游坝面1 086.00 m高程LD4-2横左0+045.00100.622016-12-174.24 3.58 3.61

3.1.2表明顺河向水平位移

图2是大坝坝顶顺河向变形过程线，表2是大坝坝顶测点顺河向位移极值统计表。大坝表面各测点均向下游位移，从2004年11月(首次观测)至2016年12月，大坝向下游最大位移为79.86 mm(横左0+000.00 m，坝顶的LD5-3)。变形速率呈逐渐减小趋势，2016年坝顶最大顺河向变形速率为2.66 mm/a，目前已基本稳定。

3.1.3周边缝变形

图3是面板周边缝位移测值过程线，图4是周边缝(三向测缝计)极值分布。各测点周边缝均发生不同程度的变形，主要发生在2003年4月蓄水初期，之后趋于收敛。2003—2010年，周边缝最大沉降量、剪切量、开合度均发生在J3-16～18(右⑤面板)处，分别为32.5、35.6、27.5 mm；2011年后J3-16～18均已损坏，期间大坝渗流未见异常，周边缝三向变形不致于周边缝止水破损。2011年后仅1组三向测缝计(J3-22—J3-24)仍然处于完好状态。J3-22—J3-24的最大沉降量、剪切量、开合度分别为17.56 mm(2016年7月8日)、10.96 mm(2016年4月21日)、8.62 mm(2016年2月23日)。

图2 大坝坝顶顺河向位移过程线

测线部位测点编号左右向桩号/m最大测值/mm发生日期(年-月-日)2016年年位移量/mm坝顶1092.50m高程LD5-1横左0+097.0010.512016-08-130.27LD5-2横左0+045.0070.492016-08-132.66LD5-3横左0+000.0079.862016-08-132.28LD5-4横右0-045.0070.512016-09-122.41LD5-5横右0-082.5056.542016-09-121.61LD5-6横右0-116.5031.812013-06-070.43

3.2 渗流

3.2.1周边缝渗压分布

周边缝渗压水位典型过程线见图3—5，周边缝渗压水头分布见图3—6。位于较高高程的周边缝渗压计P10、P11、P13和P14在2011年后最大渗压水头为2.65 m，渗压水头较小，周边缝防渗较好；位于河谷中间的周边缝渗压计P9和P12渗压水头较大，2011年后最大渗压水头分别为14.23 m和12.45 m，因其接近河谷中间，其最大渗压水位分别为981.46 m和981.66 m，与周边的P2和P5接近，且略低于下游量水堰集水池水位(堰板底高程983.00 m，顶高程983.60 m)。

图3 面板周边缝位移测值过程线

1) 测值 单位为mm; 2) X-张开 Y-平面剪切 Z-竖向剪切； 3) 括号内测值为最小值至极大值图4 周边缝(三向测缝计)极值分布

图5 大坝周边缝渗压计测值典型过程线

图6 周边缝渗压水头分布

3.2.2大坝渗流量

图7是大坝库水位和渗流量测值过程线。大坝总渗漏量主要受库水位影响，大坝总渗流量不大，且整体处于稳定状态，大坝防渗体系较好。2005—2016年渗流量在3.09～14.61 L/s。与国内外同级别面板堆石坝相比，大坝渗漏量不大，由此反映面板、趾板、帷幕等所组成的防渗体系较好。

a) 库水位图7 大坝总渗漏量过程线

b) 渗流量续图7 大坝总渗漏量过程线

3.2.3绕坝渗流

图8是绕坝渗流水位典型过程线，图9是绕坝渗流孔测值分布。左岸地下水位较高，与蓄水前地勘结论一致。从历史数据看，大部分左岸地下水位孔测值与库水位相关性不明显，目前仅PL1-4受库水位影响，但PL1-4比库水位低50 m，左岸绕坝渗流不明显。

a) 上游水位过程线

b) 绕坝渗流孔过程线Ⅰ

c) 绕坝渗流孔过程线Ⅱ图8 绕坝渗流水位典型过程线

(黑色条柱为2016年12月29日测值，阴影条柱为损坏前的有效测值)图9 绕坝渗流孔测值分布

3.3 面板钢筋应力

图10是面板钢筋实测应力典型过程线。钢筋计应力与温度呈相反的变化规律，符合钢筋混凝土热胀冷缩的一般变化规律；整体处于稳定状态。位于二期面板的测点及一期面板较高部位受温度影响而年变幅相对较大。

图10 面板钢筋实测应力典型过程线

图11是面板顺坡向钢筋最大压应力分布等值线。钢筋应力分布是河床中间压应力大于两侧，下部大于上部。顺坡向一期面板下部压应力较大，位于993.00 m高程的钢筋压应力均超过100 MPa，最大压应力达126.3 MPa(R14)，内外层钢筋应力相差不大(不超过5.0 MPa)。

4 结论

a) 通过13 a的运行，大坝变形总量不大，坝顶最大沉降量为100.17 mm，最大顺河向位移为79.86 mm，2016年坝顶的最大沉降速率为3.02 mm/a，最大顺河向位移速率为2.66 mm/a，大坝变形已基本稳定。

b) 周边缝最大沉降量、剪切量、开合度均发生在J3-16—J3-18(右⑤面板)处，分别为32.5、35.6、27.5 mm，2011年后J3-16—J3-18均已损坏，期间大坝渗流未见异常，周边缝后渗压均不大，高高程周边缝后渗压最大仅为2.65 m，周边缝防渗较好。

c) 大坝总渗漏量主要受库水位影响，最大渗流量为14.61 L/s，与国内外同级别面板堆石坝相比，大坝渗漏量不大，面板、趾板、帷幕等所组成的防渗体系较好。

d) 左岸绕坝渗流不明显。右岸P5w、P7w测孔水位与库水位有较大的相关性，主要由于右岸边坡发育张裂缝，右岸帷幕局部防渗效果不理想，右岸存在一定的绕坝渗流。

e) 钢筋计应力与温度呈相反的变化规律，钢筋应力分布是河床中间压应力大于两侧，下部大于上部，符合一般规律。最大压应力为126.3 MPa(R14)，小于钢筋强度，且整体处于稳定状态。