混凝土拱坝安全监测及变形性态分析研究

张晓旭

(齐齐哈尔市龙沙区农业综合服务中心，黑龙江 齐齐哈尔 161000)

0 前 言

大坝安全监测对稳定性研究和安全评价具有十分重要的现实意义，文章结合对某碾压混凝土双曲拱坝的环境量监测资料，基于统计模型原理掌握水位、气温和降雨量等影响因子的变化规律，通过几何水准和静力水准监测方法对坝体水平位移、垂直位移进行考证并得出安全性评价结论，所得成果对于大坝的安全形态研究具有一定的参考价值。

1 工程概况

某水电站为一等大(Ⅰ)型工程，枢纽工程由混凝土拱坝、泄水表孔、底孔和电站厂房等建筑物组成[1]。拱坝坝轴线长414m，坝顶高程2350m，最大坝高126m，最大底宽42m，正常蓄水位2345，库容6.2亿m3。坝址区年温差较大，年降雨量254-320mm，年蒸发量1736mm，多年平均最高、低气温为-12.28℃、25.02℃，年平均气温8.24℃[2]。

2 变形监测布置

2.1 水平位移监测

坝址区设置垂线监测、大坝和基岩极坐标监测、弦长观测等，多种监测手段来评价大坝和坝肩岩体的的水平位移[3]。

监测面6组垂线包括：右1/4拱坝段、拱冠坝段、左1/4拱坝段、左岸重力墩1段；入岩深度150m的右坝段；右岸2145m高程廊道。上述垂线设置可监测大坝及基岩体、左岸重力墩以及断层F7的位移变化。

2.2 垂直位移监测

坝址区同时设置水准测点和Ⅰ等水准路线，水准控制网的建立可准确监测大坝垂直位移变化和基点校测[4]。

1)几何水准点设置：各坝段坝顶面22个测点，2145m纵向廊道共24个测点，2105m廊道18个测点，可共同监测坝体和基岩的垂直位移变化。

2)静力水准设置：2145m廊道两侧坝体与岩体交接处，2074m廊道5#、14#横缝处，2035m廊道10#横缝处，共同监测坝体与基岩面的相对滑动变形。

3 统计模型分析原理

大坝应力变形主要来自水压、温度等外界环境因素和时间效应的影响，故大坝单元结点变形δ可表示成[5]：

δ=fH(t)+fT(t)+fθ(t)

(1)

式中：fH(t)为水压分量；fT(t)为温度分量；fθ(t)为时间效应分量。

1)水压分量fH(t)

Hi与δHi关系多项表达式为：

(2)

式中ai拟合系数；H上游水位高程；ni拟合次数。

2)温度分量fT(t)

(3)

式中：bi为温度因子回归系数；Td为平均气温。

3)时效分量fθ(t)

fθ(t)=c1(ln(1+t0+t))+c2(t0+t)

(4)

式中：c1,c2为时效分量回归系数；t为累计监测日；t0为建模始测日。

4)位移变化统计模型表达式：

(5)

4 大坝位移变化分析

结合2145m、2074m高程的静力水准点和2074m、2035m高程廊道两岸的基准点布设，不同高程面的几何水准测点统计表，见表1；静力水准测点统计表，见表2。

表1 不同高程面的几何水准测点统计表

表2 静力水准测点统计表

4.2 坝体垂直位移分析

4.2.1 长序列监测资料分析

通过对比可知，2074m高程几何水准测值相对静力水准测值反应更客观，接近实际监测值。2074m高程几何水准测值过程线，见图1。

图1 2074m高程几何水准测值过程线

1)2001年11月—2002年1月在大坝15坝段测点LD29、左岸基岩测点LR15-LR19发生位移1.8mm，分析原因为该时段承建单位的不同测量方法所致。1997年10月—2002年1月上游水位升高至2178m期间，大坝沉降变形增加，7、15坝段垂直沉降增加1.0mm，11坝段增加1.2mm，左、右岸基础变形保持在约1mm，总体表现为沉降变形河床部位大于大坝两岸。

2)2002—2010年库水位维持在正常蓄水位，各监测点未发生显著的规律变形，呈现出年内周期性小幅度变化，年变化值约为1.5mm。

3)通过对比，上游水位变化对大坝沉降影响和原型观测试验相差不大。

4)受外界环境、温度等影响，高程2074m的垂直位移变化规律呈现出一定的周期性，河床坝段体现较为显著，具体表现为温度降低，混凝土预冷收缩，测点下沉；温度升高，测点抬升。

5)2074m静力水准测值出现较多突然抬升或间断，可靠度低、连续性较差造成长序列资料不完整。但局部时间段连续性好、精度高，在加密观测等小量值变形性态分析中应用效果较好。

4.2.2 原型观测试验时段

4.2.2.1 2009年2-3月

2009年2-3月9坝段的静力水准测值变化线，2009年2-3月9坝段静力水准测值变化线，见图2；2009年2-3月原型观测试验时段2074m高程静力水准测点位移变化图，见图3。由图示结果可得：

图2 2009年2-3月9坝段静力水准测值变化线

图3 2009年2-3月2074m静力水准测点变化量

1)上游水位和2074m高程测点位移呈现正比例变化，河床坝段比两岸坝基相关性较好，各测点的变化量相比其较大。

2)试验期间上游水位回落，沿坝轴线方向下沉量为：左、右岸基础沉降量较小；7、15坝段下沉0.1mm，9、13坝段下沉0.3mm。库水位上升时，左岸基础部位无明显沉降，7、15坝段抬升0.1mm，9、13坝段抬升0.2mm，11坝段抬升0.25mm。

3)坝体与基岩接缝位置：右岸坝段3月7日7坝段下沉0.1mm，之前时间段无明显错动。左岸边坡15坝段测点3月7日下沉0.1mm。

4.2.2.2 2004年7-8月

2004年7-8月2074m静力水准测点变化图，见图4。由图可看出：

图4 2004年7-8月2074m静力水准测点变化图

1)2004年7-8月上游水位下降，各沉陷点沉降变化不显著。其中沿坝轴线方向左岸基础部位无位移变化，7坝段下沉0.1mm，9、11坝段下沉0.3mm，10坝段下沉0.36mm，14、15坝段沉降0.2mm。

2)上游水位抬升、下降时大坝测点变形基本一致。

3)坝体与岩体接缝处未产生明显沉陷变形，说明大坝此时处于弹性变形阶段。

4.3 坝体位移分析

4.3.1 径向水平位移

1)径向水平位移基本呈现年周期变化规律，1-3月份坝体向下游位移明显，7-9月份大坝受温度影响上游位移增大，下游位移减少，位移变化符合拱坝一般变形规律。

2)受外界环境温度影响，水平位移约占85%，水压分量约占9%，时效分量占比较小，为6%。

3)2004-2010年受上游水位蓄水影响，水压分量年变幅最大，在2009年达到最大值，其余年份基本保持于2180m高程附近，分析认为大坝径向水平位移变化稳定，未发生显著的趋势性变化。

4.3.2 坝体切向水平位移

1)切向水平位移同样呈现出总体的年周期规律，1月-3月份低温时大坝向两岸位移增大，7-9月份坝体向河床位移增大，两岸位移减小。

2)切向水平位移约占总位移的40%，水压分量约占18%，时效分量约占32%。

3)2004-2010年水位变化较大期间水压分量影响较大，其余时间水位保持在2177-2180m，故认为大坝切向位移变形稳定。

5 结 论

文章结合某混凝土拱坝变形监测历史数据，对比分析坝体2145m、2074m高程垂线测值和水平径、切向位移测值随上游水位、环境温度的变化规律，结果表明坝体基本沉降变化过程线连续性较好，水准测点测值序列连续，未发生明显突变，各测点监测精度和稳定性满足规范要求。