三板溪面板堆石坝主坝沉降资料分析

张玉平，黄文萃

（湖南五凌电力科技有限公司，湖南省长沙市 410000）

0 引言

三板溪水电站枢纽为一等大型工程，具有多年调节性能，主要由主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、引水系统、地下厂房、尾水系统等组成。三板溪主副坝均为混凝土面板堆石坝，坝顶高程482.5m，坝顶宽10.0m，坝顶长424m，高趾墙为44m，上、下游坝坡均为1：1.4。主坝混凝土面板分三期浇筑完成，面板厚度从上至下为渐变，顶部厚度0.30m，最大坝高剖面的面板底部厚度0.91m[1-2]。面板混凝土为聚丙烯纤维混凝土，混凝土强度等级为C30，抗渗标号W12。主坝堆石填筑总量828.3万m3，坝体平均填筑强度为41.5万m3/月、高峰填筑强度达72万m3/月[3]。三板溪枢纽工程于2002年7月开工，2003年9月实现大江截流，2006年1月7日水库下闸蓄水，2006年4月三板溪水电站首台机组投产发电。

主坝内部沉降采用水管式沉降仪监测，内部水平位移采用引张线式水平位移计。在主坝左0+008.20m断面及主坝右0+071.80m断面的346.00、379.00、404.00m及445.00m高程各设置1条内部变形测线，共计布置48支水管式沉降仪。另外，在坝轴线0+0.0m和上游侧0-80.0m设置纵向观测断面，分别埋设8组和2组土位移计，监测岸坡堆石体的轴向变形[4-5]。

内部变形观测主要对主坝坝后左0+008.2断面、主坝坝后右0+071.8两观测断面的EL445、404、379、346m高程采用水管沉降，进行坝体内部的沉降监测。从开始建点到采集数据，设备开始出现很多问题，数据多次中断，直到2016年上半年，经过厂家对每个测点进行现场测试，并确认设备无法正常运行。故此，本次数据分析没有内部数据分析。

1 测点布置

主坝坝顶、上游面板、下游各层马道布置了6条测线，共43个测点，测点布置，由左向右递增，如坝顶测点SA5-01至SA5-10，坝前马道测点是SA6-01至SA6-10，坝后有4条马道，按高程高低排序，有SA4、SA3、SA2、SA1为端点的马道测点，其变形测点编号也是前所述布置的。垂直向位移，坝顶采用几何水准法测量，478m高程沉降于2005年10月开始观测。2007年初，坝顶完建，设立永久沉降测点开始观测。坝后各层马道采用三角高程测量法，于2008年7月开始观测，但观测精度较低。2009年7月马道表面所有沉降测点改为水准测量。坝前水准于2010年6月开始监测。

2 沉降分析

2.1 坝顶变形

2.1.1 蓄水期

从测量数据及过程线来看，首次蓄水期及2007年下半年高水位期间，下沉速度较快，2007年10月后，下沉速度逐渐减缓，减缓趋势显著；2007年，SA05-05点最大沉降量达137.57mm。

主坝坝顶各测点复相关系数均达到1.00，标准差在0.26～0.70mm之间。主坝坝顶各测点主要为时效分量（所占比例在87.10%～98.21%之间），时效分量最大变幅为82.78mm（SA05-6），发展速率约为1.38mm/月，目前变形仍未稳定。从测量数据来看，首次蓄水期及2007年下半年高水位期间，下沉速度较快，2007年10月后，下沉速度逐渐减缓。

2.1.2 运行期

从2007年10月到2019年度，主坝坝顶各水准测点继续下沉，累计沉降及年变化幅度皆呈现出中间大、两边小的趋势，符合面板堆石坝的沉降变形规律[6，7]。2019年最大沉降部位为SA05-5（主坝左0+009.0），累计沉降624.43mm，高于历史极值612.57mm（2018年12月17日），2019年沉降速率为10.43mm/年（2018年为13.17mm/年），平均为0.87mm/月，速率较往年有所减缓。主坝坝顶沉降过程线如图1所示，但SA05-08、SA05-09和SA05-10测点2006年数据缺失，记录数据不完整。

图1 主坝坝顶沉降过程线图Figure 1 The settlement curve of the dam crest

2.1.3 坝顶变形定量分析

坝顶变形定量分析的主要目的是了解大坝及其基础随时间的演变过程，即将不可恢复或演进性现象和水位、温度条件引起的可恢复现象分辨出来，目前各种大坝安全监控数学模型的应用都是这一思想的具体实现。任一变形监测量的回归方程为δ=δ（H）+δ（T）+δ（t），即变形量主要由水位、温度和时效3个分量组成。主坝坝顶沉降回归结果特征值如表1所示。

表1 主坝坝顶沉降回归结果特征值表Table 1 The regression eigenvalue of the dam crest settlement data

续表

2.1.4 坝顶特征点综合分析

主坝坝顶测点沉降回归拟合图见图2。多个因子组成回归方程，采用逐步回归法求解最终方程。无论测点位置不同，还是变化的数值不同，通过多个因子组成回归方程及逐步回归法求解的最终方程，找到与实际变化的量对应的数学模型，其变化趋势和大小是一致的。

图2 主坝坝顶测点沉降回归拟合图Figure 2 The regression fitting of the dam crest settlement data

2.2 坝前

如图3所示主坝坝前沉降过程线显示主坝坝前整体为下沉趋势，累计沉降及年变化幅度表现为中间大、两岸小。2019年累计沉降量在36.35～181.50mm之间，最大沉降部位为SA06-6（主坝右0+040.0），累计沉降181.50mm，2019年沉降速率为10.00mm/年（2018年为11.88mm/年），平均为0.83mm/月（2018年为0.99mm/月），速率较往年有所减缓。各测点复相关系数均在0.98～1.00之间，标准差在0.55～0.97mm之间，模型精度和效果基本满足分析要求。主坝坝前各测点主要为时效分量（所占比例在58.54%～97.38%之间），时效分量最大变幅为78.97mm（SA06-6），发展速率约为1.32mm/月，目前变形尚未稳定。

图3 主坝坝前沉降过程线图Figure 3 The settlement curve of the front of the dam

2.3 坝后

坝后观测房自开始（2004～2005年间）观测，至2007年11月，最大下沉为395mm（发生在413.6m马道坝右0+071.8m），2008年7月与坝后马道其他表面沉降测点采用三角高程方法测量，观测精度较低，测值难以反映马道实际位移[8]。

如图4～图7所示，2009年7月马道表面所有沉降测点改为水准测量，从2009年7月开始至2016年12月测值来看，马道呈继续下沉趋势，沉降幅度为上面大、下面小，中间大、两边小的状态，符合面板堆石坝的沉降变形特点。坝后马道同样受库水位的影响，445、404、379m高程马道的沉降受库水位影响，年变幅要大一些，而且呈相似性变化；346m高程马道，由于高程较低，库水位对它的影响也小一些。

图4 445m高程马道沉降年较差与水位变幅过程线Figure 4 The relationship between the settlement annual range and the water line variable of the 445m road

图5 404m高程马道沉降年较差与水位变幅过程线Figure 5 The relationship between the settlement annual range and the water line variable of the 404m road

图6 379m高程马道沉降年较差与水位变幅过程线Figure 6 The relationship between the settlement annual range and the water line variable of the 379m road

图7 346m高程马道沉降年较差与水位变幅过程线Figure 7 The relationship between the settlement annual range and the water line variable of the 346m road

从2009年7月开始至2019年12月底测值来看，坝后马道呈继续下沉趋势，沉降幅度为上层大、下层小，中间大、两边小的状态，符合面板堆石坝的沉降变形规律。2019年坝后最大累计沉降点发生在445m高程马道的SA04-5，累计沉陷量为188.31mm，高于历史极值177.16mm（2018年12月17日），2019年沉降速率为10.61mm/年（2018年为10.66mm/年），较往年减缓。404m高程马道年变幅为1.38～6.14mm，379m高程马道年变幅为1.79～3.58mm，346m高程马道年变幅为0.71～1.45mm。较往年相比，年沉降量在逐渐变小。

选取主坝坝后马道23个测点进行回归拟合曲线，如图8所示。

图8 主坝坝后测点沉降回归拟合曲线Figure 8 The regression fitting of the settlement measured data of the back of the dam

主坝坝后各马道测点复相关系数均在0.96～1.00之间，标准差在0.11～0.44mm之间，模型精度和效果满足分析要求。主坝坝后445m高程马道主要为时效分量（所占比例在93.35%～98.70%之间），时效分量最大变幅为67.86mm（SA04-5），发展速率约为1.13mm/月，目前变形尚未稳定。主坝坝后404m高程马道主要为时效分量（所占比例在83.49%～96.68%之间），时效分量最大变幅为35.16mm（SA03-4），发展速率约为0.59mm/月，目前变形尚未稳定。主坝坝后379m高程马道主要为时效分量（所占比例在83.49%～96.68%之间），时效分量最大变幅为23.08mm（SA02-3），发展速率约为0.38mm/月，目前变形尚未稳定。

3 结论

根据沉降数据分析，蓄水初期，主坝沉降尚未稳定，库水位突增对沉降影响较大，但因监测数据不完整，这里就不做分析。主坝从2007年开始，主坝不同部位，沉降量变化都较大，直到2011年后，各部位沉降量开始变小；主坝，除346m高程马道外，其他各监测部位与库水位年变幅呈相似性变化，水位急速上升和持续高水位，对沉降影响较大；主坝沉降表现为中间大、两边小；高程较高的部位沉降大于高程较低的部位；主坝最大沉降点，发生在坝顶SA05-05测点，累计沉降600.78mm，年沉降速率16.51mm；目前，各测点沉降速率在逐年减小，除个别测点外，年沉降量基本上在15mm以内；从2014年开始，库水位在460～475m区间变化时，坝顶沉降量要增大一些，其增加量为1～2mm；当前，主坝沉降是否稳定，还需进一步监测和分析。主坝坝前水准于2010年6月开始监测，整体为下沉趋势，累计沉降及年变化幅度表现为中间大、两岸小。2018年累计沉降量在33.63～170.23mm之间，最大沉降部位为SA06-6（主坝右0+040.0），2018年沉降速率为 11.88mm/年（2017年为14.85mm/年），平均为0.99mm/月（2017年为1.24mm/月），速率较往年有所减缓。主坝坝顶2018年最大沉降部位为SA05-5（主坝左0+009.0）累计沉降612.57mm，高于历史极值599.20mm（2017年12月16日），2018年沉降速率为13.17mm/年（2017年为16.34mm/年），平均为1.10mm/月，速率较往年有所减缓。