长河坝特高土石坝首次蓄水期安全监测资料分析

2019-06-12伍文锋税思梅

水电站设计 2019年2期

伍文锋，税思梅

(1.长江勘测规划设计研究院长江空间信息技术工程有限公司，湖北武汉 430072；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

我国已建的水库大坝中，土石坝占90%以上；目前有1/4左右的大中型水库大坝、2/5左右的小型水库大坝存在着不同程度的安全问题，其中以土石坝居多[1]。何敏[2]、姜景山[3]等对土石坝安全监测资料分析和稳定性评价进行了研究，认为土石坝监测资料分析和稳定性评价非常重要，也是难点之一。因此，如何对土石坝，特别是高土石坝进行监测资料分析和稳定性评价，对工程的安全运行意义重大。

长河坝水电站系大渡河干流水电规划“3库22级”的第10级电站，是以单一发电为主的大型水库电站，无航运、漂木、防洪、灌溉等综合利用要求。工程区位于四川省康定县境内，坝址位于大渡河上游金汤河口以下约7 km河段。枢纽主要建筑物由砾石土心墙堆石坝、引水发电系统、3条泄洪洞和1条放空洞等建筑物组成。长河坝水电站水库总库容为10.75亿m3，装机容量2 600 MW。坝体建基面最低高程1 457.00 m，最大坝高242.50 m，坝顶长度502.85 m，坝顶宽度16 m，上、下游坝坡均为1 ∶2.0；砾石土直心墙顶高程1 698.90 m，顶宽6 m，上、下游坡均为1 ∶0.25，心墙底高程1 457.00 m，最大底宽134.51 m。

坝址处大渡河由南东转为南西流向形成一个90°的河湾。坝轴线附近河谷相对开阔，呈较宽的“V”型，两岸自然边坡陡峻，临江坡高700 m左右。坝基河床覆盖层厚60～70 m，局部达79.3 m，由下至上从老至新分为三层。第一层漂(块)卵(碎)砾石层(fglQ3)：分布河床底部，厚3.32～28.50 m；第二层含泥漂(块)卵(碎)砂砾石层(alQ41)，厚5.84～54.49 m，分布在河床覆盖层中部及一级阶地上；第三层漂(块)卵砾石(alQ42)：分布河床浅表，厚4.0～25.8 m。

长河坝坝基河床有较厚的覆盖层，存在地基承载力与不均匀变形问题、覆盖层坝基渗漏及渗透变形稳定问题、覆盖层地基抗滑稳定问题、砂层液化等问题。土石坝坝体高，采用散粒材料筑坝，本构关系复杂，施工期和运行期，特别是首次蓄水期间的安全稳定问题突出。长河坝首次蓄水期间，如何对监测资料进行整理分析，找出建筑物的变化规律，并通过分析成果评价工程的安全状态，是监测工作的重点和难点。

1 安全监测资料分析

针对长河坝坝基和坝体的特点，结合地质上存在的问题，把坝体和坝基的变形、渗流场、应力等监测成果作为重点分析对象。张斌[4]、阮彦晟[5]等对土石坝渗流场，徐杨洋[6]、孙全[7]等对土石坝应力，王竹青[8]、徐杨洋[6]等对土石坝沉降进行了系统分析和评价，为长河坝安全监测资料分析提供了很好的借鉴。

长河坝水电站蓄水过程分四个阶段：第一阶段，2016年10月下旬两条初期导流洞下闸，至水库蓄水到1 580 m；第二阶段，水库水位由1 580 m逐步蓄水至1 650 m；第三阶段，水库逐渐蓄水至 1 680 m；第四阶段，2017年汛后水库由1 680 m逐步蓄水至正常蓄水位1 690 m。现针对长河坝工程特点和已有的分析方法，对首次蓄水期(前三个阶段)间的监测成果进行系统全面分析。

1.1 沉降变形

1.1.1 量级分析

受坝体填筑自重影响，长河坝工程大坝堆石体沉降达到2 716.10 mm，大坝心墙沉降达到2 261.50 mm。坝基覆盖层沉降最大值为682.19 mm，其他部位沉降量相对较小，详见表1。

表1 各部位最大沉降成果

1.1.2 时间分布

施工期，受大坝填筑影响，随时间呈递增趋势，与填筑高程正相关；首次蓄水后，沉降量继续增加，但增长速率明显减缓；变化规律合理。沉降主要发生在大坝填筑期间，约占93%。典型沉降变化过程见图1。

图1 VE-2各层沉降成果过程线

1.1.3 空间分布

沉降沿横河向呈中间大，两侧小；顺河向呈中间大，上下游侧小；竖向从低高程往高高程递减。这说明沉降主要受坝体填筑影响，差异沉降相对较小，分布规律较好。典型沉降分布见图2。

1.2 渗压

1.2.1 量级分析

渗压监测主要分析坝体心墙区、基础及覆盖层、两岸灌浆平洞及绕渗等。坝体心墙区最大渗压水头为180.33 m；大坝基础及覆盖层最大渗压水头为198.42 m；两岸灌浆平洞最大渗压水头为76.99 m；绕渗孔大部分测值较小，少量测值较大，最大渗压水头为43.99 m。蓄水以来，坝基水头基本保持在一个相对稳定的状态，说明坝基渗流得到较好控制。各部位最大渗压见表2。

图2 沿心墙中心线纵断面沉降分布示意

部位高程/m实测最大渗压水头/m(2017-2-14)蓄水后最大变化量/m(2016-10-18～2017-2-14)坝体心墙区1 458～1 472180.33 153.061 513～1 529128.92 135.301 55096.6136.221 585 67.4165.761 615 36.1529.191 645 7.225.54大坝坝基及覆盖层198.42 138.30左岸灌浆平洞48.02 67.20右岸灌浆平洞76.99 51.00绕渗孔43.99 58.95

1.2.2 时间分布

大坝心墙。轴线处渗压水位受填筑高程影响较大，与填筑高程走势基本一致，可以判定此处渗压水位变化主要由填筑荷载引起的超静孔隙水压力。施工期心墙上下游靠近反滤层处渗压水位与上游水位走势相似。蓄水后坝轴线上游侧测点受库水位上升影响增加明显，靠近坝轴线测点测值小量增加。

大坝基础及覆盖层。副防渗墙下游侧渗压计所测水位与上游库水位变化基本一致，下闸蓄水后短时间内出现了水头骤升现象，受上游库水位影响较大；主防渗墙下游侧渗压计所测水位受上游库水位影响较小。典型渗压水头变化过程线见图3。

图3 主防渗墙下游沿坝轴线渗压过程线

左右岸灌浆平洞和绕渗孔主要受上游水位影响，与库水位相关性好。

1.2.3 空间分布

大坝心墙渗压由低高程往高高程递减；坝基渗压水位顺河向从上游往下游呈现递减规律。水头折减主要是在心墙以下高程，由防渗墙产生。水头由副防渗墙折减30.68～34.64 m后，又经主防渗墙再次折减140.60～144.37 m，总折减水头175.05～175.23 m；经过两道防渗墙，累积折减约82%，折减效果明显。渗压分布规律合理，渗控系统阻水效果较好。典型布置见图4。

图4 主防渗墙下游坝基实测水位分布示意

1.3 渗流

1.3.1 量级分析

截至2017年2月14日，大坝左岸渗流量为7.5 L/s，右岸渗流量为17.22 L/s，基础廊道渗流量为0.6 L/s，坝后无渗水。总渗流量为25.32 L/s，量级相对较小。详见图5。

图5 坝体和基础渗漏量过程线

1.3.2 时间分布

从图5可以看出，施工期各部位渗流量变化平缓；蓄水后，渗流量随上游库水位抬升而逐步增大；渗流量主要发生在蓄水后，占总量的87%。库水位抬升，改变两侧山体渗流场，导致渗流量增大。

1.3.3 空间分布

从表3可以看出，两岸绕渗在高程方向，由低往高，渗流量逐步减小；横河向，右岸渗流量大于左岸；坝基和坝体基本无渗流量。大坝渗流量分布规律合理。

1.4 应力

1.4.1 量级分析

各部位压应力量级相对不大。心墙孔隙水压力最大值为1.87 MPa；心墙土压力最大值为5.42 MPa；基础廊道土压力最大值为3.48 MPa；坝基覆盖层土压力最大值为2.94 MPa。详见表3。

表3 各部位压应力统计成果

1.4.2 时间分布

心墙在填筑过程中孔隙水压力初期随坝体填筑高程增加而增大，当达到最大值后逐渐消落，不再与坝体填筑高度相关；低高程心墙渗透系数较小(小于1×10-5cm/s)；低高程局部孔隙水压力消散缓慢，高高程孔隙水压力消散快。蓄水后，压力变化较小，基本不受上游水位影响。

坝体填筑至1 620 m高程以前，坝体土压力与坝体填筑高度具有较高的相关性，土压力随填筑高程增加而增大；坝体填筑至1 620 m高程以后，土压力值趋于平稳，基本不与坝体填筑高程相关。心墙区整体土压力值及增长速率大于过渡层及堆石区。坝基土压力蓄水后与上游库水位变化基本一致，受上游库水位影响较大。

1.4.3 空间分布

孔隙水压力总体分布为河床中部向四周扩散，河床河槽高于两岸岸坡，心墙中部高于上下游两侧，低高程高于高高程，测值分布符合一般规律。心墙土压力沿高程由低往高递减，土压力变化与其分布位置有直接关系，且关系明显。当坝体填筑到 1 620 m高程后，低高程分布仪器测值无明显变化。基础廊道周围土压力计整体呈现出基础廊道上游侧土压力大、下游侧土压力小的分布特征；坝基覆盖层部位土压力分布较为均匀，规律正常。

从整体来看，土压力在基础廊道及高塑性黏性土附近重新分配，形成应力集中。大坝中部及左岸应力在各水平层中相对较低。典型应力分布见图6。

图6 (纵)0+193.00 m坝体土压力分布(单位:MPa)

2 与计算成果对比分析

建筑物的稳定性评价主要是通过对比分析主要监测指标量级和设计计算值，同时对变化规律的合理性等方面进行分析，最终评价工程的安全稳定。

2.1 计算成果

通过坝体及坝基的三维有限元计算，得到的坝体、防渗墙等部位的变形、渗压水位、渗流等特征值。

竣工期和蓄水后坝体最大沉降分别为3 902 mm和3 836 mm，占最大坝高(不包括覆盖层)约1.63%。详见表4。

设计预期副防渗墙约承担总水头值的36%，主防渗墙承担总水头值的约45%，详见表5。

表4 大坝主要部位沉降计算成果

表5 典型断面各部位的水位值计算成果 m

当防渗系统工作正常时，通过大坝及坝基的渗流总量很小，为161.46 L/s；主要的渗漏发生在河槽部位，渗流量为133.77 L/s，占总渗漏量的82.85%，绕坝渗漏量相对较小。详见表6。

表6 坝体坝基各部位渗流量计算成果 L·s-1

2.2 初步安全评价

长河坝工程大坝堆石体沉降2 716.10 mm，大坝心墙由心墙实测沉降和坝基覆盖层沉降叠加，为2 943.69 mm，小于计算值3 836 mm；实测渗压水位小于计算值，实测渗压经过两道防渗墙，累积折减约82%，与计算预期的81%基本相符，说明防渗墙阻水效果明显；实测总渗流量为25.32 L/s，渗流量相对较小。各监测量变化过程和空间分布规律合理，无异常情况。监测指标反映大坝在蓄水初期工作性态正常，大坝及基础处于稳定状态。