双树寺水库多年沉降监测与分析

肖 让，张永玲，梁越力，李 侠，俞海英，吴克倩，邓浩亮

(1.河西学院土木工程学院/河西走廊水资源保护利用研究所，甘肃 张掖 734000；2.民乐县洪水河管理处，甘肃 民乐 734503)

确保水利工程安全运行是做好水利工程运行管理工作的核心和落脚点，也是水利工程补短板强监管的重要目标。土石坝主要特点是地形适应性强，所以得到了广泛的应用[1- 3]。根据大量的工程实践经验发现，危及土石坝安全的主要因素有：过大变形、不均匀沉降变形和渗透破坏[4]。本次监测主要针对坝体是否有过大变形做出分析，根据土石坝沉降实测资料表明，土石坝的沉降过程在施工填筑期、停工期、竣工期及运行期具有明显的阶段性，各时期的沉降规律有差异，而且坝体沉降的主要影响因素为库水位、土体固结和温度等。谭涛通过研究土石坝填筑期的沉降规律，得出各测点的沉降量随大坝填筑而逐步增加，各测点沉降过程线和填筑过程线相关性良好，大坝的沉降主要由坝基沉降引起，符合土石坝变形规律。张社荣，韩启超等通过研究土石坝竣工后的沉降规律，得出坝体同一部位的沉降速率随时间的增长而减缓，且在填筑完成后的第3年沉降速率已经较小，明显表现出了沉降稳定的趋势[5- 7]。

鉴于土石坝经过长期运行，初步考虑到土体固结和温度对土石坝沉降影响较小，故本文主要分析库水位对大坝沉降的影响。

1 工程概况

双树寺水库位于民乐县永固乡上湾村洪水河出山口处，距县城9km，库区总面积1.2km2。水库主要担负着永固、洪水、三堡、六坝4个镇的灌溉任务，是一座以灌溉为主兼顾防洪、发电的完全年调节水库。水库工程于1971年1月动工兴建，1975年11月建成发挥效益，2003年水库进行除险加固。大坝为壤土心墙砂砾石混合坝，坝顶长556.75m，坝顶宽6m，最大坝高58.5m，最大坝底宽295.25m，心墙底宽61.5m，平均高程2423.5m，顶宽4m，心墙顶高程2480.8m，坝顶高程2482m，防浪墙高程2483.73m。

库设防标准为千年一遇洪水校核，洪峰流量852m3/s，50年一遇洪水设计，洪峰流量375m3/s，水库校核洪水位为2481.73m，设计洪水位为2479.61m，总库容2580万m3，兴利库容2380万m3，正常蓄水位2480m，死水位2442m，死库容108万m3。

2 监测方法

2.1 监测点布置

为方便监测，大坝表面变形监测点主要布置在坝顶和下游坝坡处，各监测点布置均满足SL551—2012《土石坝安全监测技术规范》的要求。监测点具体位置为:从大坝左岸溢洪道作为起始点(0+000)，沿坝顶中轴线依次设置三个沉降观测点，编号为BD- 1、BD- 2、BD- 3；沿67马道(67指马道高程为2467.000)中轴线依次设置四个沉降监测点，编号为67- 1、67- 2、67- 3、67- 4；沿52马道(52指马道高程为2452.000)中轴线依次设置四个沉降监测点，编号为52- 1、52- 2、52- 3、52- 4[8]。大坝沉降监测点编号和位置见表1，布置图如图1所示。

表1 编号和位置对应表

图1 大坝沉降监测点布置图

2.2 监测方法

3 大坝监测数据分析

3.1 监测年份水位变化分析

对于西北地区的流域，每年12月份至次年3月份为结冰期，期间水位基本不变。从4月份开始，由于上游冰雪融化等诸多原因，水库来水增多，库水位开始上涨， 2014—2016年库水整体涨幅程度略小，其他年份库水位在一年内均有明显的涨落，如图2所示。从图2可以看出，库水位每年6月份与9月份前后均有较大程度的涨落，呈“V形”变化趋势。其中，6月份库水位最低，9月份库水位达到最高，导致这种现象的原因是水库汛期来水增多、引水发电和引水灌溉等。为了能较大程度反映库水位对坝体沉降的影响，本次沉降分析只针对每年4、7、10月份坝体的沉降变形进行分析。

图2 监测年份水位变化图

3.2 各监测年份坝体沉降数据分析

3.2.12013年监测结果

2013年各监测点沉降图如图3所示。由图3得出，坝体各监测点均发生了垂直变形，其中，BD- 1、BD- 2、BD- 3三点随着月份的增加，沉降量不断增加，变化值为9mm，其他监测点垂直变形相对4月份来说，先沉降之后又开始恢复，并且呈现出“回弹”现象。

图3 2013年各监测点沉降图

通过SPSS软件，对年内库水位变化与各监测点沉降值进行相关分析得出，只有67- 3点处相关系数大于0.8，表现出强相关，而其他各点相关性并不显著，见表2。分析得出有两种可能的原因：一是坝体内部各部分土石的密实度、孔隙率等存在差异，在水压力作用下，变化程度存在差异；二是坝体温度应力仍然存在，在两种力相互作用下，导致了坝体各部分变形规律不一。

表2 水位与沉降值相关分析表

3.2.22014年监测结果

2014年各监测点沉降图如图4所示，由图4得出，BD- 1、BD- 2、BD- 3三点在年内发生负沉降，变形量达50mm，67、52马道各监测点在4—7月份期间发生了明显的沉降，随后沉降开始恢复，并且有“回弹”现象，这与2013年沉降规律一致。对年内水位变化与各监测点沉降值进行相关分析，发现各监测点沉降规律与库水位之间相关性均不显著见表3。分析得出有两种可能的原因：一是在发电、灌溉时期，来水与用水量不断变化，导致库水位呈“波形”变化趋势，使得坝体沉降规律不明显；二是影响坝体沉降的因素不仅仅只与库水位有关，还有其他因素。

图4 2014年各监测点沉降图

表3 水位与沉降值相关分析表

3.2.32015年监测结果

2015年各监测点沉降图如图5所示，由图5得出，该年分内各监测点沉降规律与2014年基本一致。对年内水位变化与各监测点沉降值进行相关分析，发现52- 2、52- 3、52- 4三点与库水位变化关系显著，其余各监测点相关性均不显著，见表4。分析可能的原因：一是2014与2015年库水位变化趋势基本一致，二是相邻年份坝体应力状况基本相同，从而使得坝体各监测点沉降规律也表现出一致性。

图5 2015年各监测点沉降图

表4 水位与沉降值相关分析表

3.2.42016年监测结果

2016年各监测点沉降图如图6所示，由图6得出，各监测点均发生沉降，其中，4月份与10月份沉降变化基本稳定，沉降值在20mm以内，7月份各监测点沉降规律略有差异。对年内水位变化与各监测点沉降值进行相关分析，发现BD- 3、52- 1、52- 2三点与库水位变化关系显著，其他各点相关性均不显著，见表5。分析原因：一是监测环境对监测数据影响比较大，二是人为测量误差造成的。

图6 2016年各监测点沉降图

表5 水位与沉降值相关分析表

3.2.52017年监测结果

2017年各监测点沉降图如图7所示，由图7得出，各监测点均发生了沉降，而且沉降值在20mm以内，除52- 1点外，可能是由于人工测量误差造成的。对年内水位变化与各监测点沉降值进行相关分析，BD- 2、67- 2、67- 4、52- 4四点与库水位变化关系显著，其他各点相关性均不显著，见表6。

图7 2017年各监测点沉降图

表6 水位与沉降值相关分析表

3.2.62018年监测结果

2018年各监测点沉降图如图8所示，由图8得出，坝体沉降规律与2016、2017年内沉降变化规律保持一致性，除个别监测点外，年内沉降基本趋于稳定，沉降值在20mm以内。对年内水位变化与各监测点沉降值进行相关分析，发现各监测点沉降值与库水位之间相关性并不显著，见表7。

图8 2018年各监测点沉降图

表7 水位与沉降值相关分析表

4 结论

(1)从2013—2015年的监测数据可以得出，坝体沉降仍然存在，但是坝体各监测位置沉降规律各异，最大沉降量为58mm，并且有“回弹”现象，造成此现象的原因有：一是坝体内部各部分土石的密实度、孔隙率、含水率等存在差异，在水压力、浮力和渗透压力等荷载以及湿化变形作用下，变化程度存在差异；二是坝体内部温度应力仍然存在，在几种力相互作用下，导致坝体各部分变形规律不一；三是人为监测存在误差。

(2)从2016—2018年监测数据可以得出，坝体沉降开始趋于稳定，各监测位置年内沉降量基本相同，年沉降量在20mm以内，根据SL551—2012的要求，可以得出坝体为稳定状态，运行状况良好。

(3)坝体沉降在年内表现出明显“弹性”变形状态，在年间则整体趋于稳定状态，基本没有沉降变形，这与张社荣，韩启超等人研究结论一致[8]。

(4)土石坝在运行阶段，仍会发生较小的变形，通过相关分析，库水位不是影响坝体变形的唯一因素，当库水位变化时对下游坝坡影响较小，土体固结和温度对坝体沉降仍然有影响。