大石门水电站大坝安全监测设计与资料分析

谢红兰 ，李 东 ，彭如平

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012）

0 引言

大石门水电站位于内蒙古赤峰市西北部300km处的克什克腾旗（以下简称克旗）境内，在西拉沐伦河干流上游，东经 117°20′，北纬 40°03′。距下游已建成的胡家湾、龙口2个水电站距离分别为10和17 km。大石门水电站任务以发电、供水为主，兼顾旅游等综合利用，具有显著的经济和社会效益。水库总库容为 1.85亿 m3，电站装机容量为6000kW，工程规模为大（II）型。主要建筑物为沥青混凝土心墙堆石坝、发电引水隧洞、竖井式溢洪道及电站厂房等建筑物。水库工程等别为 II 等，主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级，主要建筑物防洪标准为 100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核，工程地震设防烈度为6 度。

大石门水电站坝顶高程为 1075.28 m，最大坝高为 63.78 m，坝顶长为 203.00 m，坝顶宽度为 6.00 m，坝底宽为 209.94 m，上、下游坝坡坡比分别为 1∶1.60，1∶1.75，均采用干砌石护坡。沥青混凝土心墙顶高程为 1073.78 m，在高程为 1050.00 m 以上的宽度仅 0.50 m，两侧用 3.00 m 厚的砂砾石料过渡，心墙底部及两岸与混凝土基座紧密连接。为掌握大坝特别是沥青混凝土心墙的运行规律，根据相关安全监测技术规范，设置必要的监测项目，安装性能稳定、质量可靠的监测仪器，反映大坝包括心墙的工作状态；同时也要保证沥青混凝土心墙的结构、性能等不因安装监测仪器而受影响[1]。

1 安全监测设计

根据《碾压式土石坝设计规范》《土石坝碾压式沥青砼面板和心墙设计准则》及《土石坝安全监测技术规范》的要求，进行安全监测设计[2]。

1.1 表面变形观测

表面变形观测项目包括水平和垂直位移观测，共设5个观测断面，即坝前 I 线6个、坝顶 II 线6个、马道 III 线3个、马道下 IV 线3个及心墙断面4个测点，每个观测断面在两岸山坡上设观测基点，安装强制对中基座和水准表芯，采用全站仪进行人工定期观测。

1.2 内部变形监测

在最大坝高0+96断面、1050.00 m 高程沿上下游方向设置3个测点的杆式位移计，分别测量心墙、3/4 坝体和 1/2 坝体的内部水平位移，用 Ф8mm的不锈钢连杆引到坝体表面。

在0+75和0+130断面的 1047.00 ，1063.00 m高程，在0+96断面的 1020.00，1032.00，1044.00，1056.00，1068.00 m 高程设置电位器式双向位移计，分别测量心墙和过渡料之间的水平、垂直位移，实现自动监测[3]。

1.3 渗流监测

在0+ 75，0 +96和0+130断面，分别在坝基、建基面、心墙后不同高程设置渗流测点，在心墙后纵断面建基面上设置渗流测点，每个测点安装埋设进口钢弦式渗压计，实现坝基、坝体渗流的自动监测。

2 监测资料及分析

为了能及时了解并掌握大坝运行状况，设置了大坝安全自动监测系统，实现对安装在大坝现场的监测仪器的自动监测，实时收集安全监测数据， 根据9a 多来的监测数据，对主要监测项目进行数据处理与资料分析。

2.1 水位和气温监测

2010年9月蓄水以来，大石门水电站上游库基本在稳定水位下运行，历史最高水位为 1071.72 m，历史最低水位为 1068.39 m，最大变幅为 3.33 m，上游库水位过程线如图1所示。电站大坝位置年平均气温为 1.32℃，历史最高气温为 26.30℃，历史最低气温为 -29.70℃，最大变幅为 56.00℃，气温过程线如图2所示。

图1 2010—2019年上游库水位过程线

图2 2010—2019年气温过程线

2.2 渗流监测

2.2.1 坝体渗流

坝体渗流方面，从历史所有坝体渗流监测点数据看，各个测点的变幅大部分在 3.50 m 之内，最大变幅为 4.49 m，由于上游水位变化不大，各测点压力水头随上游水位有小幅跟随性变动，说明各测点传感器工作状态良好，反应灵敏，坝体内部渗流状态较之前无异常[4]，3个监测断面多点数据过程线如图 3～5 所示。

图3 2010—2019年0+75断面坝体渗流监测多点数据过程线

图4 2010—2019年0+96断面坝体渗流监测多点数据过程线

图5 2010—2019年0+130断面坝体渗流监测多点数据过程线

通过对比上游库水位和各断面心墙下游测点压力水头监测数据分析可得，二者水位相差较大，监测断面坝体上各个测点水位随时间变化不明显，一方面由于上游库水位随时间变化不大，另一方面是因为心墙的防渗效果较好。上述分析结果表明，各监测坝段沥青混凝土心墙的防渗效果整体较好，坝体渗流状态是基本稳定的。

2.2.2 坝基渗流

坝基渗流方面，从历史所有坝基渗流监测点数据看，坝基上各测点变幅大部分都在 1.60 m 之内，最大变幅不超过 3.00 m，坝基渗流监测多点数据过程线如图6所示。

图6 2010—2019年坝基渗流监测多点数据过程线

通过对坝基测点的监测数据及过程线分析可得，测点水位随时间变化较小，受库水位影响较小，并且呈现稳定状态，说明坝基渗流状态是基本稳定的。

2.3 变形监测

2.3.1 坝体水平位移

坝体水平位移方面，从历史所有水平位移监测点数据看，坝体水平位移测点变幅在 20.0 mm 之内，坝体水平位移（向下游为正，向左岸为正，反之为负）受气温的影响呈现年周期性变化规律，当温度升高时，坝体向上游位移，当温度降低时，坝体向下游位移，且有不断减小的趋势，说明心墙水平位移状态是基本稳定的[5]。坝体水平位移监测多点数据过程线如图7所示。

图7 2010—2019年坝体水平位移监测多点数据过程线

2.3.2 心墙与过渡料间水平位移

心墙与过渡料间水平位移的变幅随测点高程的增加而增大，最大变幅约为 4.8 mm，测值比较稳定，不具备周期性，其原因是由于上游库水位变化不大，对心墙与过渡料间水平位移的影响不太明显，另外受温度的影响也较小。心墙与过渡料间水平位移监测多点数据过程线如图 8～10 所示。

2.3.3 心墙与过渡料间垂直位移

心墙与过渡料间垂直位移的变幅大部分在 3.5 mm以内，同时随测点高程的增加而增大，随时间变化略有减小，且有趋于稳定的趋势，受库水位的影响不太明显，另外，温度对垂直位移的影响也不明显。心墙与过渡料间垂直位移监测多点数据过程线如图 11～13 所示。

图8 2010—2019年0+75断面心墙与过渡料间水平位移监测多点数据过程线

图9 2010—2019年0+96断面心墙与过渡料间水平位移监测多点数据过程线

图10 2010—2019年0+130断面心墙与过渡料间水平位移监测多点数据过程线

图11 2010—2019年0+75断面心墙与过渡料间垂直位移监测多点数据过程线

图12 2010—2019年0+96断面心墙与过渡料间垂直位移监测多点数据过程线

图13 2010—2019年0+130断面心墙与过渡料间垂直位移监测多点数据过程线

3 结语

通过对大石门水电站大坝近10a 的安全监测数据进行处理和分析，可以看出：除极个别仪器损坏或有不稳定现象外，绝大部分监测仪器和自动化系统工作正常，运行稳定、可靠，大坝的渗流总体趋势相对稳定，大坝的变形状态特别是沥青混凝土心墙基本正常，符合大坝安全状态的基本规律，说明大坝运行稳定，其工作状态是安全的[6]。

大石门水电站大坝安全监测仪器和自动化监测系统监测数据准确、连续，提高了监测精度，减轻了观测人员的劳动强度，减少了人为误差，提高了工作效率，为大石门水电站安全运行与管理发挥了重要作用。