三河口碾压混凝土拱坝初期蓄水安全监测评价

刘茜 王佐荣

摘 要：为全面深入了解三河口碾压混凝土拱坝蓄水至550 m高程的安全状态，对大坝主体工程、下游消能建筑物、两岸边坡及滑坡体实施了变形（水平位移、垂直位移及接缝开合度）、渗流渗压及应力应变监测，获取了大量监测数据，监测结果分析表明：三河口水利枢纽初期下闸蓄水，大坝主体、消能建筑物和两岸边坡及滑坡体的位移变形、渗流渗压、应力应变均正常连续变化、变幅较小，未出现大的异常突变，变化过程和分布规律基本合理。综合分析认为，三河口水利枢纽初期下闸蓄水过程安全可控，坝体工作性态正常。

关键词：蓄水;位移变形;渗流渗压;应力应变;安全监测;碾压混凝土拱坝;三河口水利枢纽

Abstract：In order to get a comprehensive in-depth understanding of safety status of Sanhekou RCC arch dam impoundment to 550m， the deformation of the structures （horizontal displacement， vertical displacement and openings of joint）， seepage pressure and stress and strain of the dam， energy-dissipation structures and slopes and landslide on both sides of the river were monitored. Meanwhile， a large number of monitoring data were obtained. The monitoring result indicates that after the initial impoundment， the deformation， seepage and stress and strain of the dam， energy-dissipation structures and slopes and landslide mass vary continuously without large abnormal mutation and the process and distribution law of the variation are basically reasonable. After comprehensive analysis， the impoundment process of Sanhekou RCC arch dam is safe and controllable and the operation of the dam is in a normal state.

Key words： reservoir impoundment; displacement deformation; seepage pressure; stress-strain; safety monitoring; RCC arch dam; Sanhekou Hydro-Junction

大壩安全监测最早可追溯到1891年德国开展的Eschbach重力坝位移观测，随后1903年美国开展了Boonton重力坝温度观测，1908年澳大利亚开展了Barron Jack Creek薄拱坝变位观测，1925年美国开展了Fultz坝扬压力观测，1926年美国垦务局在Stevenson Creek试验拱坝上开展了应力应变观测[1-2]。此后，随着建坝数量逐渐增多、坝体高度逐渐增大、坝基条件日益复杂等，坝工界开始利用专门的仪器设备监测坝体的工作性态，但受监测方法、仪器设备以及坝工设计和施工水平影响，大坝失事时有发生[3-4]。1959年法国Malpasset拱坝左岸基岩破坏、1963年意大利Vajont水库滑坡、1976年美国Teton土坝坝基管涌等均造成重大损失，引起了世界各国对大坝安全监测的重视，使大坝安全监测工作得到进一步发展[4]。我国大坝安全监测工作始于20世纪50年代，梅山连拱坝[5-7]、佛子岭连拱坝[7-8]、泉水拱坝、龙羊峡水电站[9]等的安全监测设计与研究，不仅保障了水库大坝施工质量和安全运行，而且大坝安全监测技术得到了快速发展，并在80年代的龚咀水电站、葛洲坝水利枢纽和东江水电站建设管理中实现了大坝安全监测自动化[2]。

三河口水利枢纽作为引汉济渭工程两个水源地之一，其主要任务是调蓄支流子午河来水和一部分抽入水库的汉江干流来水，向关中地区供水，兼顾发电。拦河坝为碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高145 m。开展三河口碾压混凝土拱坝主体结构、地基基础及两岸边坡等的稳定性和应力应变安全监测，不仅是监测施工质量、反馈设计成果和认识坝体各种物理量变化规律的有效手段，而且是及时准确地掌握大坝的工作性态、为蓄水决策提供技术支撑的重要手段[10-11]。

1 安全监测系统概况

三河口水利枢纽由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、泵站和电站建筑物、引水建筑物以及连接秦岭输水隧洞控制闸的坝后连接洞组成。三河口碾压混凝土拱坝初期蓄水安全监测分为大坝主体工程、下游消能建筑物、边坡及滑坡体3个子系统，其中：大坝主体工程由左岸非溢流、泄洪底孔、泄洪表孔、电梯井及右岸非溢流等坝段组成，下游消能建筑物由消力塘和二道坝组成，边坡及滑坡体由坝肩及两岸边坡、消力塘边坡、库区滑坡体组成。

1.1 布置原则

根据工程的规模等级、地形地质条件、筑坝材料及施工特点，基于《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T 5178—2016）及水库大坝安全管理条例，以集中布置、兼顾全面、便于实现自动化观测为基本原则，在仪器布置方面突出重点、统一规划，各部位、各区域布置的各类监测项目或仪器设备应具备相互配合、补充和校核的功能，确保观测资料的适用性、准确性和可靠性。

1.2 监测项目及设施

根据建筑物结构设计特点和地形地质条件，主要监测项目有变形、渗流渗压、应力应变及温度等，主要监测仪器设施有多点位移计、测缝计、正倒垂线、静力水准仪、渗压计、测压管、量水堰、应变计、压应力计、锚杆应力计等。三河口碾压混凝土拱坝监测断面布置见图1。

2 蓄水过程及蓄水安全监测项目实施

三河口水利枢纽初期下闸蓄水分为3个阶段。第一阶段：从导流洞下闸蓄水至临时生态放水管过流，水位为533.2～543.0 m（2019-12-30—2020-01-06）;第二阶段：临时生态放水管过流，此时水位较为平稳，基本维持在543.0～544.8 m（2020-01-07—2020-03-02）;第三阶段：临时生态放水管改造后至底孔过流，水位为544.8～550.0 m（2020-03-03—2020-03-12）。为加强蓄水安全监测和反馈分析，蓄水前对三河口水利枢纽安全监测工作进行安排部署，加强对枢纽建筑物的安全监测，以适时掌握其运行情况。蓄水期间，根据蓄水监测设计要求开展了枢纽建筑物位移变形、渗流渗压及应力应变监测，取得大量监测数据，为准确评价大坝安全奠定了基础。

3 蓄水安全监测结果分析及评价

3.1 大坝主体工程

3.1.1 变形

（1）基岩变形。为监测大坝基岩变形情况，在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ断面基岩处各埋设1组水平向多点位移计和4组垂直向多点位移计。垂直向多点位移计各测点距孔口的距离分别为5、10、20、35 m。蓄水阶段基岩位移见表1，其中：水平位移向下游、左岸方向变形为“+”，向上游、右岸方向变形为“-”;垂直位移下沉为“+”，上升为“-”。Ⅲ断面基岩垂直位移最大变幅为0.29 mm，水平位移最大变幅为0.11 mm;Ⅳ断面基岩垂直位移最大变幅为0.21 mm，水平位移最大变幅为0.09 mm;Ⅴ断面基岩垂直位移最大变幅为0.20 mm，水平位移最大变幅为0.10 mm。初期下闸蓄水，基岩的垂直位移为-7.39～2.54 mm，垂直位移变幅在0.30 mm以内;水平位移为-1.44～0.80 mm，水平位移变幅在0.20 mm以内。可见，蓄水对基岩的影响较小。

（2）坝体水平位移。在拱坝拱冠、左右岸1/3和1/5拱处各设置一条垂线，同时为了监测坝肩水平位移，在左右坝肩平洞内各设置一条垂线。在不同高程处安装垂线坐标仪监测坝体水平绝对变形和挠度。蓄水阶段垂线测点特征值见表2（其中径向向下游为正，切向向左岸为正），Ⅲ断面垂线位移过程线见图2，565 m高程径向位移和库水位见图3。

初期下闸蓄水期间，坝体水平位移主要表现为径向向下游变形，切向向两岸变形不明显。因此，只针对径向位移的空间分布规律进行分析。从高程分布来看，同一坝段测点高程越高，径向位移越大;从左右岸分布来看，同一高程，Ⅳ断面径向位移最大，Ⅲ、Ⅴ断面径向位移次之，Ⅱ、Ⅵ断面径向位移最小。径向位移的空间分布符合一般规律。

以565 m高程Ⅳ断面位移最大的PL4-4测点为例进行分析。该测点于2019年11月26日取得基准值，到2019年12月29日蓄水前，受气温等外界因素影响，坝体径向位移向下游变形0.54 mm。水位从533.2 m上升至543.0 m（2019-12-30—2020-01-06），径向位移从0.54 mm增大到1.01 mm;2020-01-07—2020-03-02水位基本维持在543.0～544.8 m之间，径向位移从1.01 mm增大到2.05 mm，该阶段呈现出库水位基本平稳、坝体径向位移增长速率较低的特点，说明径向位移受水位的影响存在一定滞后性;2020-03-03—2020-03-12水位从544.8 m上升至550.0 m，径向位移从2.05 mm增大到2.49 mm;2020年3月12日底孔过流后，该测点径向位移受温度荷载影响略有减小，向上游变形0.46 mm。可见，坝体水平位移主要受水压荷载和温度荷载共同影响。

（3）坝体垂直位移。为监测坝体内部垂直变形，在高程515、565 m灌浆廊道内各布置1套静力水准线，在两岸灌浆廊道内分别设置双金属标作为静力水准线的校核基点。蓄水阶段双金属标和静力水准测点特征值见表3（其中垂直位移下沉为正、上抬为负）。双金属标位于廊道左右灌浆平洞，所测位移为基岩位移。初期下闸蓄水后，坝基总体表现为沉降变形，下沉量在1.5 mm以内，各相邻坝段之间未发现明显不均匀沉降。

（4）横缝及诱导缝变形。为了便于施工期间混凝土散热和降低收缩应力，防止混凝土产生裂缝，各坝段之间设有收缩缝（5条横缝、4条诱导缝），采用测缝计监测坝体接缝变形。测缝计垂直于缝面沿高程呈梅花形布置。蓄水阶段坝体接缝特征值见表4。蓄水期间，坝体接缝开合度整体变化量较小，最大变幅为0.26 mm，说明本次蓄水对已灌浆的接缝开合度基本无影响。

3.1.2 渗流渗压

（1）坝基扬压力。設置5个横向监测断面和2个纵向监测断面监测坝基扬压力，在帷幕前坝踵处、排水孔前后、坝趾处各布置1支渗压计监测坝基扬压力，在排水孔前后各布置1排渗压计监测坝基扬压力。同时在高程515 m灌浆平洞左右岸各布置2套测压管，在高程515 m廊道内布置7套测压管监测坝基扬压力。基础扬压水头横向分布见表5，基础扬压水位纵向分布见图4，高程515 m廊道测压管扬压力特征值见表6，高程515 m廊道内扬压水位纵向分布见图5。

从基础扬压水头横向分布可以看出：从上游侧到下游侧，扬压水头呈逐渐减小的趋势，Ⅲ断面（4号坝段）测点P3-4扬压水头受下游侧岸坡地下水位影响高于测点P3-2、P3-3的;Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ断面帷幕后2号测点P3-2、P4-2、P5-2的扬压水头分别占上游水头的18%、41%、19%，其中Ⅳ断面测点P4-2扬压水头占上游水头比例最大，Ⅲ断面和Ⅴ断面的较小。总体来看，扬压水头折减情况较好，说明帷幕灌浆防渗效果良好。

从基础扬压水位纵向分布可以看出：基础高程高于本次蓄水位550 m的几个坝段，主要受两岸山体地下水影响，扬压水位较低;扬压水位存在变化的坝段主要集中在4号—7号坝段，排水孔前扬压水位高于排水孔后的，总体水头折减效果良好。从515 m廊道内扬压水位纵向分布情况可以看出：基础坝段坝基扬压水位为515.28～517.88 m，两岸灌浆平洞内扬压水位受库水位和岸坡地下水共同影响，略高于基础坝段扬压水位，特别是左岸平洞内更明显（扬压水位526.13 m），结合Ⅲ断面（4号坝段）519.7 m高程P3-4测点扬压水头可以侧面印证左岸地下水位较高。

（2）坝体渗透压力及渗流量。坝体渗透压力监测的主要目的是监测混凝土的防渗性能和施工质量。与坝体5个主监测断面结合，在高程515、565 m廊道上游的碾压施工层面上布置渗压计监测碾压层面的渗透压力，每个高程布置3支，可测得坝体防渗层不同位置的渗透压力分布情况。Ⅳ断面（5号坝段）高程515 m坝体渗压计布置见图6、渗压水头过程线见图7。

测点P4-5、P4-6均存在渗压水头，测点P4-5渗压水头最大，测点P4-6次之，P4-7测点处于无压状态;蓄水前测点P4-5、P4-6渗压水头分别为5.62、3.11 m，蓄水后渗压水头分别为8.42、4.74 m，两测点渗压水头分别增长了2.80、1.63 m。和库水位相比渗压水头有一定上升，但上升幅度不大。

根据该工程帷幕及坝基排水布置情况，在左右岸高程515 m灌浆平洞和坝基交接部位排水沟设置三角量水堰，监测两岸帷幕渗流量。蓄水阶段515 m廊道内集水井量水堰测点特征值见表7。从最新测值来看，右侧渗流量略大于左侧渗流量，总渗流量为1.08 L/s。

（3）绕坝渗流。为了解绕坝渗流对两岸坝基渗压的影响和下游两岸边坡自身的渗透稳定性，在两岸边坡帷幕后各设2个绕坝渗流监测断面，每个监测断面布置4个水位监测孔，孔内放置渗压计进行监测。左右岸绕坝渗流渗压计安装高程在600 m以上，远高于本次蓄水库水位，库水位对两岸坝肩绕坝渗流基本无影响，绕坝渗流水位主要受地下水位和降雨等因素的影响，渗流压力水头基本保持在11 m以内。

3.1.3 应力应变

（1）坝体应力应变。选取高程512、533、557 m的3个水平监测截面监测坝体的应力应变，监测仪器采用5向应变计组，在每组应变计旁埋设1支无应力计。蓄水阶段高程557 m的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ断面应变计测点特征值见表8（其中受拉为正，受压为负），高程512 m典型测点应变变化过程线见图8。监测结果表明：除个别测点外，蓄水期间绝大部分测点呈现受压状态，应变整体变幅较小（基本上不超过40×10-6），无明显异常变化;蓄水期间，557 m高程Ⅳ断面SW4-4-1测点的应变从-13×10-6（2019-12-29）增大到100×10-6（2020-03-23），变幅较大，可能受温度降低和库水位上升的共同影响;坝体应力应变和温度呈负相关关系，温度升高应力应变向压应变方向变化，温度降低应力应变向拉应变方向变化。

（2）拱肩基础压应力。在坝体与基岩接触拱肩槽位置布设压应力计，监测坝体切向拱推力。蓄水阶段拱肩基础压应力特征值见表9，可以看出，蓄水期间各测点呈受压状态，坝基最大压应力为3.46 MPa，且随着高程的增加，坝体与基岩接触部位的压应力呈增大趋势。

3.2 下游消能建筑物

下游消能建筑物主要包括消力塘和二道坝，主要监测项目包括消力塘渗流、底板锚筋桩应力和二道坝基础变形。

（1）二道坝基础变形。在二道坝坝轴线底部布置3套三点式多点位移计，监测基岩内部变形情况。蓄水阶段二道坝多点位移计测点特征值见表10。二道坝基岩垂直位移为-2.18～0.13 mm，垂直位移变幅在0.8 mm以内，可见二道坝过流对其基岩的垂直位移影响较小。

（2）消力塘渗流。在消力塘底板布置3个监测断面，每个断面布置3支渗压计，监测消力塘底板渗透情况。蓄水阶段消力塘底板典型测点渗压水头过程线见图9，渗压计测点特征值见表11。监测结果表明：消力塘基础存在一定的渗压水头，特别是从2019年12月中下旬开始，受消力塘水位上升影响，多个测點的水头上涨。总体来看，蓄水阶段消力塘渗压水头普遍较小，水头基本在4 m以内。

（3）底板锚筋桩应力。在消力塘底板锚杆上布置锚杆应力计，位置与渗压计监测断面重合，监测底板拉筋受力情况。蓄水阶段消力塘锚杆应力计测点特征值见表12。可以看出：消力塘锚杆应力为-38.86～67.11 MPa，各测点应力变幅在30 MPa以内，目前锚杆应力无异常。

3.3 边坡及滑坡体

蓄水后边坡表面变形情况见表13。蓄水期间，边坡水平及垂直位移相对较小，边坡整体比较稳定，未见异常情况。

4 结 论

通过对三河口水利枢纽安全监测资料的系统分析，综合论述了三河口碾压混凝土拱坝初期蓄水的变形特点和安全状况。三河口水利枢纽大坝主体、下游消能建筑物、两岸边坡及滑坡体变形和应力应变均正常连续变化、变幅较小，未出现大的异常突变，变化过程和分布规律基本合理。坝基渗透压力变化符合一般规律，坝体横断面渗压水头从上游侧向下游侧呈逐渐减小趋势，水头折减情况较好，帷幕灌浆阻水效果良好;坝体纵断面渗压水头主要出现在基础高程比较低的5号和6号坝段。综合分析认为，三河口碾压混凝土拱坝初期蓄水至高程550 m，蓄水过程安全可控，坝体工作性态正常。

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