二滩大坝外部变形监测及资料分析*

(1.四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231；2.四川中水成勘院测绘工程有限公司，四川 攀枝花，617000；3.四川省地震局测绘工程院，四川 雅安，625000)

1 引言

大坝外部变形监测主要是对大坝的监测点进行周期性的重复观测，对多次的重复观测结果进行比较，不仅可以判断大坝在各种力的作用下是否安全运转，同时也可以监测施工质量。目前，国内外很多专家对大坝变形监测进行过研究，如李红连等人对大坝变形监测的研究现状和发展趋势进行了研究，分析了全站仪、GPS等多种方式，给出了大坝变形监测的发展趋势[1]。如王乙春，对大坝定期变形监测的重要性进行数据对比分析，总结了变形监测在大坝建设中的重要性[2]。赵燕用GPS对西龙池水库表面进行变形监测，建立了西龙池上水库连续运行监测系统，实现了实时、自动化、高精度的大坝变形监测[3]。赵景瞻用TCA测量机器人对二滩大坝进行外部变形监测，有一定的优越性，同时指出了应该注意的问题[4]。王洪利用TCA测量机器人对紫坪库大坝进行自动观测以及对其进行质量评价[5]。刘明军对长洲水利枢纽大坝外部变形观测，并进行变形分析，为确保大坝的安全运行提供支持[6]。陈雪丰等人对天堂抽水蓄能电站变形监测资料进行分析，得出控制网稳定可靠，二级电站靠左岸变形相对加大，应重点观察左岸山体地应力的影响[7]。郝灵等人对小湾水电站垂线自动化监测系统进行数据分析，根据监测数据反映出大坝位移变化趋势与水位相关性较好，垂线监测为大坝安全稳定运行提供了良好保证[8]。阿卜杜塔伊尔·亚森等人对平原水库大坝的监测点数据分析，得出东坝和西坝的变化情况[9]。彭启友等人对三峡工程初期蓄水大坝变形监测的成果分析，得出大坝变形量均在设计范围内，大坝安全正常运行[10]。

2 研究区概况

二滩水电站地处四川省西南边陲攀枝花市盐边与米易两县交界处，处于雅砻江下游，坝址距雅砻江与金沙江的交汇口33km，系雅砻江水电基地梯级开发的第一个水电站。上游为官地水电站，下游为桐子林水电站。水电站最大坝高240m，水库正常蓄水位海拔1200m，总库容58亿m3，调节库容33.7亿m3，装机总容量330万kW，平均发电量170亿kW·h，工程以发电为主，兼有其他综合利用效益。水电站由混凝土双曲拱坝、左岸地下厂房、右岸泄洪隧洞、左岸木材过坝设施等建筑物组成。

本次研究选取了二滩大坝坝顶共5个水平位移监测点，分别为OP2、OP3、OP4、OP5、OP6，以观测大坝上下游方向的径向位移和大坝左右岸方向的切向位移。研究区概况图及大坝观测点示意图如图1、图2所示。

图1 研究区概况

图2 大坝观测点示意

3 二滩大坝外部变形监测的方法

二滩大坝水平位移监测全部采用边角网进行观测，坝顶七点观测网示意如图3所示，选水平位移基准网中的C6、C11作为工作基点，和观测的五个点组成观测网进行观测，仪器测角中误差≤±0.5″、测距精度≤±1mm+1ppm。测角按照Ⅰ等三角测量规范施测，观测12测回，作业限差如表1所示，测边按照各边往返观测4测回(一测回照准目标一次，读取4次读数)，测边同时进行测站、站点的干湿温，气压读数。采用最佳时段观测，作业限差按照技术规定执行。一测回读数间互差限值为±2mm；单程测回间互差限值为±3mm。观测过程中观测仪器和设备固定，观测人员固定，以及在基本相同的环境和条件下进行观测。

图3 大坝坝顶观测网

表1 水平方向观测的限差

二滩大坝外部变形观测网所使用的仪器及配套设施为专用仪器。包括TM50测量机器人1台，DINI03数字水准仪2台，其它3m水准尺、2m水准尺、棱镜、三脚架、对讲机等配套设施。

4 二滩大坝外部变形监测数据分析

4.1 数据来源

本研究选用了2013年-2016年每年实测的3月、5月、8月、12月的径向位移量和切向位移量，其中径向位移以向下游为正，向上游为负，切向位移以向左岸为负，向右岸为正，以及对应月份的库水位数据。还选取了库水位数据、温度数据、降雨数据，温度降雨数据来自于国家气象科学数据共享服务平台，配合选取的是2013年-2016年3月、5月、8月、12月的数据。

4.2 大坝径向位移的变形量分析

4.2.1 大坝径向位移多期数据与库水位、温度、降雨量相关性分析

库水位数据、温度数据、降雨量数据与径向位移变形量关系如下图4-图6所示。

图4 库水位与大坝径向位移变形量关系

图5 温度与大坝径向位移变形量关系

图6 降雨量与大坝径向位移变形量关系

从图4、图5、图6可以明显地发现，大坝径向位移变形量均随着库水位、温度、降雨量呈现周期性地变化且受库水位影响最大，即大坝径向位移变形量随着库水位的升高而升高，降低而降低，具有同步性，而温度和降雨量对于库水位的影响有一定的滞后性。

从图4可以发现，库水位的变化与大坝径向位移变形量密切正相关，虽不同点位变化幅度不同，但趋势是一致的。如3月到5月库水位下降到最低值，大坝径向位移变形量随之减少且达到最小值。5月到12月库水位上升，大坝径向位移变形量增大，并且随着库水位增大到最大值，大坝径向位移变形量也增大到最大值。

从图5可以发现，温度从3月开始升高，5月到8月一直保持在20℃以上，12月降低到最低。从图6可以发现，3月和12月几乎没有什么降雨，降雨集中在5月到8月且在8月达到降雨量的最大值。而径向位移变形量均是从每年的5月到12月有明显的增加，且在8月和12月达到最高值，到第二年的3月又回落到最小。因此，温度和降雨量对径向位移变形量的影响明显有一定的滞后性，但变化趋势却是一致的。2016年的全年降雨量偏低，但对大坝径向位移变形量的影响并不大，因此，温度相比于降雨量，对大坝径向位移变形量的影响更大。由此可见，库水位对大坝径向位移变形量的影响大于温度，大于降雨量。

从径向位移量的方向上看，3月、5月是微弱的向上游，8月、12月是明显的向下游。这是因为5月到8月库水位升高，温度升高，降雨量大，所以整个水库对大坝的压力明显增大导致基值偏大。虽在汛期要进行泄洪，但仍然改变不了压力明显增大的实事，所以表现在径向位移变形量上也有滞后性。枯水期一般是从秋季到第二年的春季，此期间库水位下降，温度降低，降雨量减小，整个水库对大坝的压力开始减小，径向位移变形量明显减小体现在3月，此时的径向位移变形量不再向下游，而是又回到原始值附近且向上游变化，此种变化一直延续到5月，达到向上游的最大值，然后又开始一个周期的升高。

4.2.2 大坝径向位移变形量多期数据同比分析

图7 大坝3月径向位移变形量

图8 大坝5月径向位移变形量

图9 大坝8月径向位移变形量

图10 大坝12月径向位移变形量

从图7、图8、图9、图10可以明显地发现，大坝径向位移变形量3月、5月、8月、12月的图可以分析出，在相同观测月份里每个观测点位移变形量的变化趋势是一致的。其中，位移变形量最大的是坝顶点OP4，是因为OP4位于双曲拱坝的中部，因此承受的压力最大。坝顶点旁边的OP3、OP5的位移量变形量次之，但OP3比OP5位移变化还大，这说明大坝的右侧所承受的力大于左侧所承受的力，原因是大坝的右侧是泄洪口只在泄洪时开启，左侧的地下厂房是用于水能发电，与水库一直有一条引水隧道相通。两侧作用的不同导致两侧受力不同而造成位移变形量的差异性。OP2、OP6这两个观测点的位移变形量是最平稳的，均是在原始值上下小范围波动，这是因为这两个观测点最靠近河岸，因此承受的压力也最小，所以变化不大。

4.3 大坝切向位移的变形

4.3.1 大坝切向位移多期数据与库水位、温度、降雨量相关性分析

图11 库水位与大坝切向位移变形量关系

图12 温度与大坝切向位移变形量关系

图13 降雨量与大坝切向位移变形量关系

从图11、图12、图13可以明显地发现，大坝切向位移变形量均随着库水位、温度、降雨量呈现周期性地变化且受库水位影响最大，即大坝径向位移变形量随着库水位的升高而升高，降低而降低，具有同步性，而温度和降雨量对于库水位的影响有一定的滞后性。同时与径向位移变形量图相比，切向位移变形量处于-4mm～7mm之间，变形量明显偏小，也就意味着库水位、温度、降雨对大坝径向位移变形量作用远大于切向位移变形量。

与径向位移变形量一样，切向位移变形量与库水位成密切的正相关，同时也是随着温度和降雨量的变化而变化，且有一定的滞后性。2016年的全年降雨量偏低，但对大坝切向位移变形量的影响并不大，因此温度相比于降雨量，对大坝切向位移变形量的影响更大。

从切向位移量的方向上看，在切向位移量达到最大值的8月和12月，OP2、OP3是向右岸移动，OP5、OP6是向左岸移动。这是因为大坝在承受压力的时候，会向左右两侧分解压力，使左侧的观测点往左侧移动，右侧的观测点向右侧移动。

4.3.2 大坝切向位移多期数据同比分析

图14 大坝3月径向位移变形量

图15 大坝5月径向位移变形量

图16 大坝8月径向位移变形量

图17 大坝12月径向位移变形量

从图14、图15、图16、图17可以发现，在相同的观测月份里，每个观测点位移变形量的变化趋势是一致的。与径向位移变形量不同的是，径向位移变形量变化最大的观测点OP4反而变成了切向位移变形量最小的点。也由于有地下厂房和泄洪口的存在，导致左右两侧的压力不同，切向位移变形量与径向位移变形量一致，均是右侧观测点OP5的位移量大于左侧观测点OP3的位移量。靠近河岸两侧的点位移变形量变化也相对稳定。

综上所述，对比径向位移变化量，切向位移变形量是非常的小而且变形量非常的稳定，变形量的大小与各观测点所处的位置关系并不大，一直在-4mm～7mm之间波动。由此可以得出结论，切向位移变形量比径向位移变形量受外界影响因素的影响少，一直处于稳定的状态。

5 结论

根据对二滩大坝2013年-2016年的径向位移变形量与切向位移变形量分析，可知大坝的径向位移变形量与切向位移变形量均随着库水位、温度与降雨的变化而变化。库水位对位移变形量的影响最大，其次是温度，最后是降雨量。对于径向位移量而言，坝顶点的变形量最大，地下厂房和泄洪口的存在也影响着左侧和右侧观测点位变形量，靠近河岸的观测点位位移量小且变化平稳。对于切向位移量而言，变形量小且稳定，而且变形量的大小与各观测点所处的位置关系并不大。从总体上看，大坝径向位移变形量变化规律正常，切向位移变形量变化规律正常，大坝的工作状况及整体稳定较好。