马鹿塘水电站二期工程蓄水初期混凝土面板堆石坝监测

刘 伟，覃珊珊

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

由于外荷载不确定性以及施工因素影响，大坝在施工期常发生不可预知的变形、开裂以及渗流量过大等安全问题，影响大坝的健康工作状态，若不能及时发现并解决这些问题，最终可能造成难以估计的损失，大坝施工期监测诊断对大坝安全施工有重大意义[1-4]。大坝安全监测资料是大坝安全分析、评价和监控的主要依据[5-7]，本文在大坝安全监测与应用方面做了一些工作，通过大坝安全监测，从工程角度分析马鹿塘水电站在施工期的工作状态，依此给出具体的解决建议并及时反馈到下一步施工。

1 工程概况

马鹿塘水电站位于云南省文山州境内最大的河流盘龙河上，麻栗坡县境内，为盘龙河梯级规划中的第八个梯级，属Ⅱ等大(2)型工程，共分两期开发建设。水电站枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、左岸岸边溢洪道、左岸放空隧洞、右岸引水隧洞、调压井、压力钢管道、地下发电厂房、地面出线场及尾水洞等组成，水库正常蓄水位627 m，总库容5.36亿m3，电站装机容量240 MW。

马鹿塘水电站二期工程混凝土面板堆石坝坝顶高程634.00 m，最大坝高154 m，坝顶长度约493.40 m。大坝填筑于2007年1月开始，2009年2月底填筑高程630 m接近坝顶，累计填筑时段约26个月，填筑方量约603万m3，面板浇筑分两期完成。大坝于2009年11月10日开始蓄水，开始蓄水时水位为519.0 m，于2009年12月水库蓄至水位570.0 m左右。2009年12月～2010年3月库水位基本稳定在570～572 m之间，无明显上升。2010年3月～2010年5月库水位又逐渐抬升，于2010年5月8日达到最高水位583.4 m。2010年5月后库水位逐渐降低，截止2010年7月7日库水位降低到558.7 m。蓄水过程见图1。

图1 大坝蓄水位～时间曲线图

2 监测系统布置

在最大坝高、左右岸地形突变处各布置1个监测横断面，共3个监测横断面，桩号分别为坝纵0+141.000、坝纵0+233.159、坝纵0+330.000，在这些断面上开展大坝变形监测、渗流监测、应力应变及温度监测工作，典型监测仪器布置见图2。

图2 最大坝高监测断面监测仪器布置图

2.1 变形监测

坝体变形监测分为坝体表面变形监测和坝体内部变形监测，坝体内部变形监测又分为堆石体水平位移和竖直位移(沉降)监测，根据监测部位不同采用不同的监测手段。表面变形监测采用视准线的方法，水平位移采用引张线式水平位移计监测方法，沉降采用水管式沉降仪监测方法。

2.2 渗流监测

根据大坝安全监测规范以及大坝实际情况，对通过坝体和坝基的渗水流量、两岸坝肩绕坝渗流水位用量水堰监测通过坝体和坝基的渗水流量。在下游坝趾建渗流汇集量测系统，用以监测水库蓄水期渗水流量的演变过程和正常高水位时的渗水流量。

为监测水库蓄水后两岸坝肩绕坝渗流水位，检验大坝坝肩防渗帷幕的防渗效果，在左右岸边坡布置水位孔。在最大坝高监测断面的灌浆帷幕下游钻孔埋设渗压计，监测各灌浆孔间帷幕是否连续，是否有“天窗”存在；检验在长期高水头作用下的帷幕耐久性，并测量幕后不同高程的渗水压力。在最大坝高监测断面的灌浆帷幕下游坝基顺河向布置渗压计，监测坝基的渗水压力。

在周边缝布置三向测缝计的缝下游垫层料中，对应地布置坑埋式渗压计，以监测周边缝止水防渗效果及缝后渗水压力状况。

2.3 应力应变及温度监测

为了解坝体应力状况，在最大坝高监测断面的三个高程的过渡料中及面板与垫层料接触面布置土压力计。为了解混凝土面板的应力应变及温度，在面板内的不同部位布置混凝土应变计组、无应力计、钢筋计和温度计。

3 监测成果分析

监测成果分析主要采用常规定性分析方法。监测资料分析的常规方法可分为比较法、作图法、特征值统计法、测值影响因素分析法等，并在以上分析基础上进行综合分析评价。

3.1 变形监测

面板堆石坝坝体的变形总体而言由坝体自重及水压力产生。坝体填筑期，坝体在自重的作用下以徐变的形式产生沉降及向上下游方向的位移；大坝蓄水后，坝体在自重和库水压力的垂直分力作用下产生沉降，在库水压力的水平分力作用下，产生向下游的水平变形。

大坝沉降分布图以及水平位移分布图如图3和图4所示，图中给出了2010年7月7日最大坝高监测断面522、556、590 m高程分层沉降及水平位移分布，所有监测测点所测得的坝体沉降特征值如表1所示。

图3 最大坝高监测断面坝体沉降分布图(单位：cm)

图4 最大坝高监测断面坝体水平位移分布图(单位：cm)

表1 最大坝高断面坝体沉降特征值对比表

大坝沉降总体分布规律为：①河床最大坝高断面及左右岸监测断面沿同一高程上的沉降分布规律相似，但河床部位沉降量大于岸坡部位，左岸沉降量大于右岸，坝轴线下游侧沉降大于上游侧。分析认为是由于坝体分期填筑，先填的堆石体先密实，压缩性较低，变形模量较高，所以坝轴线上游侧沉降前期大，后期幅度减小。另外按照坝体材料分区，坝轴线上游为主堆石区，下游为次堆石区，下游坝料及压实要求较上游低，所以总沉降坝轴线下游大于上游。②最大沉降出现在河床断面坝轴线下游约1/3～1/2坝高处，测值为136.6 cm，与一般面板堆石坝沉降最大点的规律相符。③根据表1特征值统计，蓄水后发生的沉降平均占总沉降量的17%，一方面说明水压对堆石体变形有一定的影响，不容忽视，另一方面也表明蓄水以来，由于库水位不高，时效影响因素即堆石自重作用还在延续。

大坝水平位移总体分布规律及特点为：①河床最大坝高断面及左右岸监测断面沿同一高程上的水平位移分布规律相似，但在量值上河床断面大于岸坡断面，左岸大于右岸。说明水平位移分布规律与沉降分布总体相似。②坝轴线上游侧堆石体基本为向上游位移，从上游向下游位移量呈递减趋势。③坝轴线下游侧堆石体均为向下游位移，越靠近坝体边缘处位移越大。④向上游最大水平位移出现在河床最大坝高断面高程522 m上游坝体，为10.6 cm。⑤向下游最大水平位移出现在河床最大坝高断面高程556 m下游坝坡处，为39.7 cm。⑥根据表4特征值统计，蓄水后不同高程堆石体发生的位移变化不尽相同，556 m(1/2坝高)坝轴线上下游侧堆石体均表现为向下游位移，位移平均占总位移量的33%，变化最为明显，说明水压对堆石体变形有一定的影响；蓄水后522 m(1/3坝高)及590 m(2/3坝高)坝轴线下游侧堆石体向下游位移，但坝轴线附近及上游侧堆石体仍向上游位移，也表明蓄水以来，由于水位不高，时效影响因素即堆石自重作用还在延续。

3.2 渗流监测

渗流量和渗水压力是大坝工作性态的综合指标，特别是在水库蓄水期，是评价大坝施工质量和判别大坝工作状态是否正常的重要依据。

1)渗流量监测。大坝坝体及坝基渗流量通过设于下游坝脚的量水堰测量，大坝渗流量、库水位～时间曲线见图5大坝量水堰于2009年8月3日开始观测，蓄水前最大渗流量约12 L/s。自2009年11月10日蓄水后，渗流量与库水位存在密切的相关性，于2010年5月8日在库水位达到最高蓄水位583.4 m时，测得最大渗流量为66.93 L/s。截止2010年7月7日实测渗流量40.52 L/s，目前渗流量变化平稳，处于正常范围内。

图5 大坝渗流量、库水位～时间曲线图

2)帷幕灌浆防渗效果。在大坝河床最大坝高监测断面的灌浆帷幕下游钻孔，孔深40 m，孔内埋设3支渗压计以监测灌浆帷幕防渗效果。大坝灌浆帷幕后渗水压力～时间曲线见图6。

根据图6，蓄水前孔内有4.5～45 m的渗水压力，主要受天然地下水及环境的影响，渗水压力随孔深呈递增分布。蓄水后，渗水压力增幅与孔深成正比，最深测点增幅近40 m水头，约占幕前总水头的34%。由于幕后水头偏高，一定程度上反映出测点与库水间有某种连通或幕底绕渗，但随着坝前填筑料的固结及坝前淤积，渗漏会逐渐变小，且根据目前渗水量，参考类似工程经验，渗漏不会危及大坝安全。

图6 大坝帷幕后渗水压力～时间曲线图

3)周边缝止水防渗效果。大坝周边缝后垫层料内渗水压力～时间曲线见图7。根据图7，蓄水前周边缝后大部分测点处于无水状态，仅是河床部位个别测点反映承受较小的水压。蓄水后，河床部位P-06、P-07测点测值变化与帷幕后钻孔内渗压计相符，也表现为随库水位上升显著增长，与库水位同步变化。但由于同处河床部位的P-04、P-05测点测值蓄水后未有明显变化，表明止水失效可能性不大，主要还是由于帷幕防渗局部较弱的原因导致。

图7 大坝周边缝后渗水压力～时间曲线图

3.3 应力应变及温度监测

1)坝体应力。过渡料中及混凝土面板与垫层料坡面之间典型土压力计应力～时间曲线如图8所示。监测成果显示，蓄水前，由于坝体填筑过程中堆石体变形对面板的挤压作用，使得面板下游垫层料及过渡料承受压应力，该压应力随着填筑高程升高呈现增长趋势，最大测值出现在最大坝高断面522 m高程处，大小为0.21 MPa；蓄水后，随着库水位提高，面板下游垫层料及过渡料承受压应力也相应提高，与库水位表现出较好的相关性，最大测值也出现在断面522 m高程处，大小为0.79 MPa，蓄水前后，所监测到最大压应力值相差0.50 MPa。

图8 大坝坝体土压力计应力～时间曲线图

2)面板钢筋应力。面板施工期，面板内钢筋计应力主要受温度变化影响，与温度呈负相关的变化规律，温度降低，钢筋应力增大；温度升高，钢筋应力减小。岸坡以受拉为主，河床以受压为主,面板钢筋应力分布与面板拉压区基本吻合。蓄水后，钢筋应力均表现为压应力增大，说明蓄水水压使面板产生压缩变形。最大拉应力出现在R-09测点，测值为91.2 MPa；最大压应力出现在R-18测点，测值为-103.5 MPa。

3)面板混凝土应变。面板施工期，面板内混凝土应变主要受温度变化影响，与温度呈负相关的变化规律，温度降低，向拉应变变化；温度升高，向压应变变化。蓄水后，受水压作用，面板混凝土应变以压应变为主，在河床局部存在拉应变。以目前监测数据来看，最大压应变出现在河床底部的S4-02应变计组，测值为-383.6 με；最大拉应变出现在河床中部的S2-03应变计组，测值为166.8 με。

4)面板混凝土温度。由于水泥水化热作用，温度测点在初期监测到一个快速升温过程，最高温度达到44.8℃。随着水泥水化热的散发，测点温度呈现一个比较明显的降温阶段，直到达到稳定温度。面板混凝土温度变化主要受季节气温影响，目前面板各部位稳定温度介于20～35℃间。

4 结 语

综上所述，通过对马鹿塘水电站二期工程面板堆石坝各监测数据的分析，初步得到以下结论：①该面板堆石坝坝体的实测变形较大，但测值总体变化及分布基本合理，符合一般规律；②帷幕后坝基渗水压力偏大，而且与库水位有很强的相关性，虽然基本可排除周边缝止水失效，但推测幕后与库水间有某种连通或幕底绕渗，但随着坝前填筑料的固结及坝前淤积，渗漏会逐渐变小；③应力应变及温度监测数据受蓄水条件影响不大，测值在允许范围内，变化过程符合一般规律，目前处于平稳状态；④通过上述分析，表明马鹿塘水电站二期工程面板堆石坝的各监测量均符合土石坝的一般规律，目前大坝工作正常。

鉴于自蓄水以来库水一直处于较低水位(2010年5月8日达最高水位，为583.4 m，2010年7月7日水位为558.7 m)，远低于正常蓄水位627 m。在目前库水位条件下坝体变形已较大，而且坝体变形的时效作用仍将延续，因此，在下阶段水位上升过程中，必须加强大坝的变形和渗流等监测工作，并及时对监测资料进行分析反馈，以便采取相应对策。