水布垭面板坝堆石体安全监测成果分析

2019-04-06徐昆振段国学周一鑫

水电与抽水蓄能 2019年6期

徐昆振，段国学，丁林，周一鑫

（1 .长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北省武汉市 430010；2 .广东粤海珠三角供水有限公司，广东省广州市 511458）

0 引言

清江水布垭水利枢纽混凝土面板堆石坝[1]为目前世界上最高的混凝土面板堆石坝，坝顶高程409.0m，坝顶长度674.66m，最大坝高233.2m。大坝上游坝坡1：1.4，下游平均坝坡1：1.46，面板面积13.87万m2。坝址两侧岸坡高峻陡峭，谷坡总体上呈不对称“V”字形。工程自2001年开始施工准备，2002年10月下旬截流，2002年11月主体工程施工，2007年7月第一台机组发电，2008年9月底工程完建，11月2日水库水位达到399.51m，接近正常蓄水位400.00m。

从安全监测的结果来看，水布垭面板坝坝体变形[2—3]控制良好，变形已基本趋于收敛，坝体渗漏量较小，大坝运行是安全[4—5]的。本文对截至2015年底的面板坝堆石坝主要监测资料成果进行了分析。

1 堆石体分层沉降

1.1 监测仪器布置

为监测堆石体内部体沉降和水平位移，在大坝堆石体0+132m、0+212m和0+356m的3个监测断面的高程235m、265m、300m、340m和370m上共布设了11条水管式沉降仪测线和钢丝水平位移计（各70个测点），水管式沉降仪测点与水平位移测点一一对应。河床中部0+212m断面是坝高最大的断面，其坝体内部变形监测仪器见图1，右岸0+356m断面内部变形仪器见图2。

1.2 实测沉降成果

截至2015年12月，0+132m断面最大沉降为1724mm，位于高程340m；0+212m断面高程340m和高程300m最大沉降分别为2.610m和2.583m，两者可看作是该断面沉降最大的测点，最大沉降约占坝高的1.12%，位于坝体中上部；0+365m断面最大沉降为1948mm，位于高程340m。

从断面上实测沉降的分布来看，坝体中间沉降最大，同高程平面上向坝体上游面和向下游面渐小，不同高程上则向坝顶和向基础渐小，符合堆石坝的内部沉降分布特点。0+132m断面、0+212m断面、0+365m断面实测分层沉降分布见图3～图5，0+212m断面沉降等值线见图6～图8。

0+212m断面不同高程最大沉降测点沉降过程线见图9，沉降最大测点的拟合值过程线见图10。以0+212m断面最大沉降测点（SV01_1_34）为例，水库蓄水前坝体填筑过程的沉降量和2007年蓄水过程中的沉降增量分别约占2015年12月沉降量的85%和5%，2007年9月水库蓄水后至2015年12月增加的沉降量仅占总沉降量的约10%。其他测点蓄水前的沉降量占2015年12月22日沉降量的比例多在60%～90%之间，平均约为80%。2015年各测点的沉降年增量约在10mm以内。由此可知，堆石体沉降主要发生在坝体填筑和水库蓄水过程中，之后沉降逐渐趋于收敛。

1.3 统计模型分析

通过对坝体0+212m断面高程300m沉降最大的测点SV01_1_27（横向桩号0+0.00）实测沉降进行回归分析，其拟合值及各分量过程线见图11和图12。

统计模型分析结果表明，坝体沉降主要发生在堆石体填筑过程中，至2015年12月19日实测沉降量为2583mm，填筑高度分量约为2212mm，占总沉降量的85.6%；水位分量约为200mm，占总沉降量的7.8%；从坝体填筑完时起算的时效分量（流变）约为168mm，占总沉降量的6.6%。2015年时效分量的年增量约为10mm。

图1 河床中部0+212m监测断面仪器布置图Figure 1 Instrument layout of 0+212m monitoring section in the middle of the river bed

图2 右岸0+356m监测断面仪器布置图Figure 2 Instrument layout of 0+356m monitoring section in the right bank

图3 左岸0+132m断面2015年12月22日实测沉降分布（单位：m）Figure 3 Distribution of settlement of 0+132m section in the left bank on December 22, 2015(Unit： m)

图4 河床中部0+212m断面2015年12月22日实测沉降分布（单位：m）Figure 4 Distribution of settlement of 0+212m section in the middle of the river bed on December 22, 2015(Unit： m)

图5 右岸0+365m断面2015年12月22日实测沉降分布（单位：m）Figure 5 Distribution of settlement of 0+365m section in the right bank on December 22, 2015(Unit： m)

图6 河床中部0+212m断面2007年4月26日蓄水前沉降等值线图（单位：m）Figure 6 Settlement contour map of 0+212m section in the middle of the river bed before the impoundment on April 26, 2007 (Unit： m)

图7 河床中部0+212m断面2007年9月30日蓄水后沉降等值线图（单位：m）Figure 7 Settlement contour map of 0+212m section in the middle of the river bed after the impoundment on September 30, 2007 (Unit： m)

图8 河床中部0+212m断面2015年12月22日沉降等值线图（单位：m）Figure 8 Settlement contour map of 0+212m section in the middle of the river bed on December 22, 2015 (Unit： m)

图9 河床中部0+212m断面不同高程最大沉降测点沉降过程线Figure 9 Curves of different elevation maximum settlement point of 0+212m section

图10 河床中部0+212m断面高程340m沉降最大测点实测及拟合沉降过程线Figure 10 Curves of the maximum settlement point in EL304 of 0+212m section measured and fitted

图11 0+212m断面高程300m测点SV01_1_27分层沉降拟合值过程线Figure 11 Curves of the settlement point SV01_1_27 in EL300 of 0+212m section fitted

图12 0+212m断面高程300m测点SV01_1_27分层沉降分量过程线Figure 12 Curves of the settlement point SV01_1_27 in EL300 of 0+212m section component

1.4 与理论计算值对比

不考虑堆石体流变效应的不同模型三维有限元静力计算的水布垭面板堆石坝蓄水期坝体最大沉降在1.36～1.92m之间，位于坝体中部1/2坝高处。然而实测沉降比理论计算值略大，这主要是计算参数和假定与实际不完全一致，特别是实测的堆石体流变变形导致的沉降占有较大比重所致。

2 堆石体压缩模量

以0+212m断面坝轴线（纵0+00.0）不同高程的水管式沉降仪测点沉降量反演堆石体的压缩模量，通过计算施工期压缩模量约在100.7～161.3MPa之间，平均约为122.6MPa。与国内外其他面板坝压缩模量[6]的对照见表1和表2。

从表中可知，百米级面板堆石坝最大沉降量一般为坝高的1%左右，水布垭面板坝在竣工期（蓄水前）最大沉降量为2.23m，约占坝高0.95%，蓄水期至2015年12月最大沉降为2.61m，约占坝高1.12%，实测沉降属正常水平。

水布垭面板坝堆石体压缩模量约为122.6MPa，属较高范围，如澳大利亚塞沙拉坝（坝高110m）施工期压缩模量在138～185MPa之间，平均约为145MPa，三板溪坝（坝高185.5m）施工期压缩模量平均为111.7MPa。总的来看，水布垭面板坝施工期压缩模量较高，表明其填筑质量较好，堆石体变形得到了较好的控制。

表1 已建面板坝堆石体最大沉降量及压缩模量对照表Table 1 The comparison of maximum settlement and compression modulus of CRFD rockfill

表2 已建面板坝堆石体竣工期及蓄水期最大沉降对照表Table 2 The comparison of maximum settlement between Completion and impoundment periods of CRFD rockfill

3 堆石体下游坝面表面变形

堆石体下游坝面不同高程共布有42个表面位移测点[7-8]，其中31个在坝面上，11个在观测房处。具体布置见图13。

3.1 下游坝面水平位移

典型测点向下游位移过程线见图14，向下游位移分布见图15和图16。

2015年12月，实测坝体下游面向下游位移最大值为96.0mm，从位移分布看，横向上靠河床中部大，向左、右岸渐小，高程上顶部大，下部小。向下游位移的年增量逐年减小，2015年坝顶中部向下游水平位移年增量最大值为5.9mm，沉降最大的测点SA2-5（对应面板R5处）的向下游位移年增量为5.6mm。

3.2 下游坝面表面沉降

典型测点沉降过程线见图17，沉降分布见图18和图19。

2015年12月，实测坝体下游面最大的沉降为156.6mm，从沉降分布看，横向上靠河床中部大，向左、右岸渐小；高程上顶部大，下部小。沉降年增量逐年减小，2015年坝顶中部沉降最大的测点SA2-4（对应面板R3处）的年增量为11.3mm。

从以上监测成果可以看出，水库蓄水后下游坝面主要以沉降和向下游方向位移为主，是堆石体自重和上游库水作用产生的流变变形。目前变形速率在进一步减缓，各方向位移年增量约在10mm以内，变形基本稳定。

4 坝体渗漏量

4.1 实测成果

水布垭面板坝矩形量水堰[9-10]布置在下游坝脚，利用RCC围堰汇集大坝坝体及坝基范围内的渗漏水。实测渗漏量包含了库水位、降雨量、温度、面板破损及修补、时效等因素的影响。

实测渗漏量在13.03～81.17L/s之间，2011年11月14日库水位396.7m时渗漏量最大。实测坝体渗漏量过程线见图20。

4.2 统计模型分析

实测渗漏量包含了库水位、降雨量、温度、面板破损及修补、时效等因素的影响，为分析实测渗漏量的变化规律、各因素对渗漏量的影响程度，需要建立实测渗漏量的统计模型。统计模型成果各分量过程线见图21和图22。

统计模型分析结果表明，扣除降雨影响的实测渗漏量（库水渗漏量）在12.96～80.73L/s之间（见图23），2012年6月之后扣除降雨影响的实测渗漏量（库水渗漏量）在45L/s以内。2011年之后渗漏量的时效分量（渗漏通道封堵、淤堵、增多或扩大导致的渗漏量的变化量）基本收敛，渗漏量无增大趋势。

图13 面板堆石坝表面位移测点布置图Figure 13 The surface displacement monitoring layout of the CRFD

图14 下游坝面靠河床中部不同高程实测向下游水平位移过程线Figure 14 Curves of the downstream horizontal displacement at downstream dam surface by different elevations in the middle of the river bed

图15 2015年12月3日下游坝面不同高程向下游位移分布图Figure 15 Distribution of the downstream horizontal displacement by different elevations at downstream dam surface on December 3, 2015

图16 下游坝面靠河床中部向下游位移沿高程分布图Figure 16 The downstream horizontal displacement distribution along the elevation at downstream dam surface in the middle of the river bed

图17 下游坝面靠河床中部的不同高程实测沉降过程线Figure 17 Curves of the settlement by different elevations at downstream dam surface in the middle of the river bed

图18 2015年12月3日下游坝面不同高程沉降分布图Figure 18 Distribution of the settlement by different elevations at downstream dam surface on December 3, 2015

图19 下游坝面靠河床中部测点的沉降沿高程分布图Figure 19 The settlement distribution along the elevation at downstream dam surface in the middle of the river bed

图20 量水堰实测面板坝渗漏量过程线Figure 20 Curves of rockfill leakage by the weir

图21 渗漏量主要环境分量及时效分量过程线Figure 21 Curves of the leakage between environmental and time-effect component

图22 面板破损及修补分量过程线Figure 22 Curves of the leakage between face slab breakage and repair component

图23 扣除降雨分量的实测渗漏量（库水渗漏量）过程线Figure 23 Curves of the rockfill leakage deducting rainfall component (Reservoir leakage)

2007—2015年期间，面板发生几次板间缝（垂直缝）部位的挤压破损（主要是表面钢筋保护层混凝土破损），从而造成2010—2012年的实测渗漏量较大。经统计模型计算因面板破损增加的最大渗漏量约为28L/s；通过对面板破损部位的修补和防渗处理，渗漏量明显减少，因修补减少的最大渗漏量约为22L/s。温度分量的变幅约为10.15L/s，其变化是冬季增大，夏季减少。降雨分量在3.66L/s以内，主要是下游坝面范围内汇集的降雨。