某高海拔土石坝蓄水安全监测资料分析

旺 加，杨 军，吕梽槟，田振华

(1.西藏自治区拉洛水利枢纽及灌区管理局，西藏 拉萨 851414；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.北京中水科工程集团有限公司，北京 100038)

0 引 言

土石坝在坝工领域一直居于筑坝形式的首位。在土石坝技术取得迅速发展的同时，不同程度的老化和安全性问题，亦广泛存在于水工领域[1]。1991年水利部编写的《全国水库垮坝统计资料》对大量土石坝事故原因和运行龄期作了详细统计分析，常见事故风险包括洪水漫顶、渗透破坏、沿管道渗漏、滑坡等，大都因洪水设计标准偏低、施工质量差、防汛准备不足、缺少安全监测所造成[2]。王竹青[3]、姜景山[4]等通过对土石坝监测资料进行分析，对稳定性评价的重要性及评价方法进行了研究，研究结果表明，严格控制监测项目设计、仪器选型、仪器埋设等阶段的标准化作业流程，确保数据采集的结果、资料整理分析及反馈等步骤的有效性，对土石坝监测资料进行及时有效的分析和稳定性评价具有重大意义。

拉洛水利枢纽及配套灌区工程位于西藏自治区日喀则市西部，枢纽工程坝址区位于距拉洛乡下游约6 km峡谷进口河段，是雅鲁藏布江右岸一级支流夏布曲干流上的控制性工程。水库总库容2.965亿m3，正常蓄水位4 298.00 m，装机容量42 MW。坝顶长425.6 m，坝顶高程4 305.00 m，最大坝高61.5 m，坝顶宽7 m，上游坝坡4 269.00 m高程以下为1∶1.75、以上为1∶2.0，下游坝坡在4 280.00 m高程以下为1∶2.25、以上为1∶2.0，坡脚设排水棱体，属大(2)型Ⅱ等工程。大坝环境量监测主要有上下游水位、气温及降雨量等监测资料。库水位呈一定的年周期变化，年较高水位一般发生在夏季，秋季水位逐渐下降，至次年5、6月份，水位降至最低点；上游水位已于2020年夏季达正常蓄水位4 298.00 m。

由于土石坝材料及结构的复杂性，特别是在工程施工期和运行初期，对监测资料进行整理分析，是监测工作的重点和难点。工程坝址所属高海拔地区属于高寒缺氧地带，枢纽海拔4 050～4 300 m，多年平均气温4.8℃，极端最低气温零下23.9℃，多年平均降雨量310～330 mm，最大冻土深101 cm。由于负温下填筑的黏土含水量及施工机械有效出力等难于控制，工程设计中需充分考虑雨季和季节性因素，冬季冻土、冻融循环次数及高寒气候对坝基开挖、填筑、混凝土浇筑等有效施工期影响，根据冰冻厚度采取适当排水防冻及保温措施，边坡开挖均需放缓，以防止冻融循环下的边坡失稳及黏土心墙的冻害损伤发生。冻融损伤影响延伸至监测层面，由于监测仪器布设方案、监测数据数量和质量不同于一般情况，将给数据处理及评价带来一定难度。杜丽荣[5]、兰雁[6]、伍文峰[7]等通过不同的工程实例，分析成果评价工程的安全状态，解决安全稳定问题，为本文研究提供了很好的借鉴。大坝自2016年截流成功，历经了5年的蓄、放水运行过程。本文将对大坝渗流及变形监测数据进行初步分析与计算，以综合评价大坝的安全稳定性。

1 坝体变形及渗流监测网布设

高海拔地区土石坝面临高寒气候条件，负温下黏土含水量难于控制，冰冻厚度及高频冻融循环过程将极大影响监测仪器的工作效率，在做好防冻保温工作的同时，合理进行监测仪器布设，严格控制监测仪器工作环境，是确保监测资料可靠度的重要途径。根据拉洛水电站工程所属设计等级、坝址区地质条件、坝体受力特征以及有关监测规范与手册等要求，将坝体及坝址区的变形、渗流、应力等监测项目作为分析对象，在大坝及基础埋设了大量的监测仪器和设备并进行全面监测，以了解结构物的运行状况。

大坝监测项目综合考虑坝体和坝基监测，在坝顶、下游坝坡4 293.00 m高程和4 280.00 m高程马道上分别设1纵向观测断面；沿大坝轴线在最大坝高部位、地形突变处、地质条件复杂部位，坝体与基础廊道布置2-2(Y0+109.91)、3-3(Y0+199.185)、4-4(Y0+276.845)3个共用的永久监测断面；坝体另单独布置1-1(Y0+039.91)、5-5(Y0+386.446)2个永久监测断面，。坝顶监测仪器平面布设如图1所示。

图1 坝体监测断面及主要测点布置

(1)渗流监测。每个监测断面下游侧的坝体及坝基分别布设3～4支渗压计，共布置18支渗压计。在每个监测横断面4 293.00 m高程马道各布设2根测压管；在2-2、3-3、4-4监测断面4 280.00 m高程马道各布设2根测压管；在1-1、5-5监测断面下游4 302.00 m高程各布设2根测压管，共计20根。

(2)变形监测。坝顶、下游4 293.00 m高程马道和4 280.00 m高程马道上分别布设8～10个水平位移标点，进行大坝表面水平位移监测，同墩布置坝体水准点进行表面垂直位移监测。坝体内部在3个监测横断面分别布设1根深入基岩的测斜管，用以监测各横断面不同高程坝体，垂直坝轴线方向的水平位移，同时在测斜管中采用沉降仪测量坝体内的分层竖向位移；沥青混凝土心墙的竖向位移通过在心墙的5个监测横断面底部各布设1支沉降计来完成监测；另外，为监测心墙与过渡料之间的错动变形，布设了14支位错计。

(3)应力应变监测。为监测沥青混凝土心墙内部的应力应变状态，在坝体监测断面，分高程布设共计30支应变计和24支无应力计，同时布设38支温度计。在基础廊道监测断面，共布设钢筋计20支、应变计3支及无应力计3支。

针对坝址区地基和坝体的特点，结合地质上存在的问题，把坝体和坝基的变形、渗流场、应力等监测成果作为重点分析对象。拉洛水库蓄水过程分4个阶段：第一阶段，2016年9月下旬工程截流，至水库蓄水到4 265 m水位；第二阶段，水库通过下闸验收，水位由4 265 m逐步蓄水至4 276.71 m；第三阶段，水库蓄水位从4 276.74 m逐渐蓄至死水位4 287.00 m；第四阶段，2020年汛后逐步蓄水至正常蓄水位4 298.00 m。现针对拉洛土石坝工程特点和已有的分析方法，对首蓄期间的监测成果进行系统全面分析。

2 坝体渗流稳定性分析

坝体及坝基布置的18支渗压计P01DB～P18DB及20支测压管BV01DB～BV20DB，均于下闸蓄水之前埋设并开始进行观测，主要用于监测并分析坝体心墙区、基础及覆盖层的渗压水位过程线，渗压计测值与测压管水位呈现规律基本一致。由于受到填筑荷载引起的超静孔隙水压力影响，施工期大坝心墙轴线处渗压水位与填筑高程走势基本一致，心墙下游靠近反滤层处渗压水位与上游水位走势相似[8]。

蓄水期坝基渗压过程线如图2所示。从图2可知，受岸坡地下水影响，上游低水位下两岸坝基灌浆帷幕后坝基上部测点折算水位会高于上游库水位，如1-1监测断面坝基测点P01DB、P02DB，测值基本保持在一个相对稳定的状态；大坝基础及覆盖层在蓄水以来，渗流得到了较好控制。受围堰防渗影响，P04DB、P05DB等坝基灌浆帷幕前测点折算水位与库水位存在相关性，但部分测点折算水位低于库水位约18 m，无论是渗压水位还是测压管实测水位，都呈现出了一定的滞后性。

图2 坝基渗压计折算水位过程线

自下闸蓄水至2021年6月，通过绘制的坝体典型测点渗压计、测压管实测渗压水位变化过程线及坝体紧靠心墙下游侧渗压水位过程线，测点P08DB与P09DB处于坝基帷幕前，测点P11DB与P10DB位于心墙后。3-3永久观测断面数据如图3所示。

从图3可知，大坝渗压测值由低往高逐渐递减；心墙后测点P11DB与P10DB的折算水头与测点高程具有很强的相关性，且不随库水位上升而变化，说明坝体帷幕后基本处于无水压状态，渗压测值未见异常，心墙工作状态良好。BV10DB、BV11DB两测压管分别位于3-3监测断面的4 293、4 280 m高程马道，3-3断面顺河向渗压折算水位过程线如图4所示。

图3 3-3监测断面沿高程渗压折算水位过程线

从图4可知，河床部位坝体、坝基实测渗流压力水头受库水位上升影响而增加，渗压随库水位变化而升降，但明显滞后于库水位变化。折减主要发生在防渗心墙顶部以下高程，渗透水流经防渗心墙折减后，流经坝体下游坝壳填筑料及过渡料，基本平稳地进入坝后排水棱体并汇入下游集水沟中。整体渗压分布规律合理，渗控系统阻水效果较好[9]。

图4 3-3断面顺河向渗压折算水位过程线

结合类似工程判断[7]，坝体浸润线、坝基渗流均在正常范围之内，没有突变或异常现象发生。

为了进一步对大坝渗流状态进行分析评价，选取大坝上游设计洪水位4 298.95 m(方案F1)、下游水位4 260.33 m(方案F2)为计算工况，以3-3观测断面为例对坝体进行二维稳定渗流数值计算，同时对坝壳料的渗透参数进行敏感性分析。坝基帷幕底线高程4 225.48 m，帷幕标准按3 Lu考虑，主帷幕设计标准q≤1 Lu，相应渗透系数取值为3.0×10-5cm/s。渗流计算方案F1的坝壳料区渗透系数取值为1.0×10-3cm/s；方案F2坝壳料渗透系数取值为1.0×10-2cm/s。其他坝体材料渗透参数依据试验结果取值，参数见表1。

表1 大坝二维渗流计算参数分区及取值 cm·s-1

大坝二维渗流计算成果见表2。从表2可知，计算方案F1情况下，沥青混凝土心墙最大水平比降为39.14；下游坝壳料水平比降小于0.01，垂直比降为0.05，均小于允许比降；排水垫层的水平及出逸比降均小于0.01。计算方案F2情况下，当坝壳料渗透系数加大一个量级，取值为1.0×10-2cm/s，其他条件均相同时，从计算结果看与计算方案F1非常接近，心墙下游面最大比降为39.39；下游坝壳及排水垫层的比降均小于0.01。

表2 大坝二维渗流计算成果

在上述两种计算工况下，坝壳料渗透系数取值为1.0×10-3cm/s或1.0×10-2cm/s时，坝体及坝基渗流场基本接近，坝壳和排水体渗透比降很低。可见，坝壳料并非渗流场形成的主要因素，心墙及帷幕承担了防渗功能，坝体满足渗透稳定性要求。

3 坝体沉降及坝坡稳定性分析

坝体中用于沉降监测的3套测斜管兼电磁沉降仪(以下简称“沉降磁环”)ES01DB～ES03DB，随土建施工分别安装在2-2、3-3、4-4三个永久监测断面上。测值以下沉为正，抬升为负。测量时刻沉降磁环上测点的高程由管口高程扣除管口到测点距离得到，累计沉降值由不同时刻的高程扣除埋设基准高程得到[10]。

根据坝体竖向位移监测结果，绘制大坝表面及内部竖向位移变化过程线及竖向累计沉降等值线图。土石坝沉降量在施工期与填筑高程正相关，随填筑进程呈递增趋势；坝体沉降分布沿高程表现为从低往高递减，中部或偏下部位沉降量最大；因填筑高程区别，呈中间大，周围小。典型测点沉降过程线见图5。

图5 大坝沉降磁环沉降沿高程分布

从图5可以看出：

(1)2-2监测断面ES01DB累计沉降量为-0.157～+0.363 m，3-3监测断面ES02DB累计沉降量为0.016～0.299 m，4-4监测断面ES03DB累计沉降量为-0.077～+0.278 m。从大坝表面沉降量过程线看，受坝体填筑自重影响，大坝尚未到变形稳定期，当前坝体内沉降量较小，累计沉降量最大值为0.363 m(ES01DB，约4 260.50 m高程，2019年10月7日)，该测点位于主河床坝段，沉降量仍在发展。

(2)从2-2监测断面ES01DB监测值可以看出，坝顶出现部分“变形抬升”(沉降量负值)，与常规分布不一致。分析认为可能是坝体砂砾石料本身沉降量就小及GPS测量管口高程导致的测量误差所致，导致图形部分“失真”。对比不同时刻的分布可知，2019年10月～2020年10月最大沉降增量发生在2-2监测断面约4297.40 m高程，填筑完成后的沉降增量较小。沉降量在首次蓄水后，增长速率有减缓趋势，说明当前沉降值主要受施工期坝体填筑高度影响，时效沉降量尚不明显，分布规律较好，符合土石坝蓄水初期沉降特征，具有一定合理性[11]。

作为对大坝变形状态的补充分析，本文采用加拿大GEO-SLOPE软件和简化毕肖普法对大坝进行坝坡稳定分析，计算断面同渗流计算断面。依据根据SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》的规定，坝坡稳定采用线性强度指标，为了避免浅层滑弧，内聚力取小值5 kPa，内摩擦角试验值相应降低1°；本工程沥青混凝土心墙砂砾石坝属2级建筑物，常规条件下坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.35，非常规条件为1.25；上游围堰强度参数参照砂砾石坝壳料选取。具体取值见表3。

表3 大坝坝坡稳定计算岩土参数

坝坡稳定性分析计算工况及计算成果见表4，下游水位取4 260.55 m。计算成果表明，在静、动力工况下的上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

表4 坝坡稳定计算及计算成果

4 坝体应力稳定性分析

根据坝料分区及填筑与蓄水过程，对坝体的应力变形进行三维数值计算分析。设计参照长江科学院茅坪溪沥青混凝土心墙堆石坝不同级配砂砾石料与沥青混凝土的接触面试验成果，摩擦角取31°，即摩擦系数取0.60。砂砾石覆盖层取坝址漫滩1号三轴试验成果；过渡料取塔曲阶地砂砾石过渡料上包线三轴试验成果；砂砾石坝壳料取塔曲阶地砂砾石料上包线三轴试验成果；排水料的参数参照过渡料选取；上游围堰及排水棱体的参数参照砂砾石坝壳料选取；混凝土基座弹性模量取22 GPa，泊松比0.167，密度2.40 g/cm3；坝基微新板岩变形模量取2.5 GPa，泊松比0.3，密度2.84 g/cm3。坝体各材料参数根据室内试验取较低值，见表5。坝体应力应变三维计算结果如表6所示。

表5 坝体填料参数

表6 坝体及心墙应力、变形三维计算结果

从表6可知：①心墙在完建期的最大主应力值为1.96 MPa，最小主应力为0.98 MPa；蓄水期正常水位下，最大主应力值为2.07 MPa，最小主应力值为0.97 MPa，均出现在心墙底部，心墙全高程无拉应力出现。计算中整体受力状态良好，未发现剪切破坏单元，不会发生剪切破坏。②心墙上游面部位的水压力与心墙竖向应力比值均小于1，可以认为心墙发生水力劈裂的可能性不大。正常蓄水位时心墙最大竖向位移为36.5 cm，位于心墙中部，约是坝高的0.6%。心墙最大水平位移5.2 cm，位于墙体中上部，其最大挠跨比约为0.1%，心墙发生挠曲破坏的可能性不大。③无论是完建期还是蓄水期，坝体绝大部分应力水平小于1 MPa，只有在心墙底部上游侧附近局部单元应力水平超过1 MPa。蓄水期坝体中出现高应力水平的区域主要分布在坝体与心墙上游接触面附近，该处位移矢量方向指向坝内，出现的高应力水平区域不会危及坝体的稳定性和心墙的安全，整个坝体处于安全状态[12]。

对比应力应变实测资料，各部位压应力量级相对不大。基础廊道混凝土应变计变化规律基本一致，整体呈现出上游侧大、下游侧小的分布特征，后期基本稳定，基础廊道监测断面应变计变化过程线如图6所示。从图6可以看出，S01JCLD、S03JCLD当前应变值为33.76 με、45.42 με，应变值较小；S02JCLD当前应变值为489.35 με，应变值较大，应注意加强监测。沥青混凝土心墙土压力沿高程由低往高递减，典型监测断面应变过程线如图7所示。从图7可以看出，2-2监测断面中，S06DB当前应变值为327.25 με，拉应变值较大，而S03DB当前应变值为-432.00 με，推断为灌浆导致的压应变突增；4-4监测断面中，S21DB应变值分别为207.63 με，其余测点当前应变为-102.27～82.43 με；1-1监测断面与3-3监测断面应变值较小，当前混凝土应变基本趋于稳定。

图6 基础廊道典型断面应变计应变过程线

图7 沥青混凝土心墙典型断面应变计应变过程线

综合坝体应力应变数值计算成果，可以判断沥青混凝土心墙处于较安全的状态。

5 结 论

拉洛水利枢纽及配套灌区工程大坝采用沥青混凝土心墙砂砾石坝，通过对坝体和坝基的沉降、渗压、渗流、应力等关键监测数据进行整理分析，大坝在首次蓄水期间，渗压成果反应帷幕阻水效果良好，各监测效应量变化过程和分布规律合理，坝体及基础工作性态正常。结合渗流和应力变形有限元计算，坝体渗透、上下游坝坡抗滑稳定安全系数及抗倾覆稳定安全系数、地基应力等均满足规范要求。

(1)坝体渗透坡降小于允许坡降，根据当地建筑材料特性和坝体分区，大坝过渡料设计突破规范，将<5 mm粒径放宽至25%～55%。通过渗流试验、有限元计算等专题研究，大坝渗透稳定满足规范要求。

(2)上下游坝坡抗滑稳定安全系数抗倾覆稳定安全系数均大于规范允许值，大坝设计预留竣工后沉降超高40 cm基本合适；地基应力均小于防浪墙地基实际承载力，心墙不会出现劈裂破坏，坝体应力变形均在合理范围内。

(3)初期下闸蓄水安全鉴定检查发现，大坝廊道上、下游面均存在局部渗水(浸润)，上游混凝土护坡有损坏、脱空、相邻板块错位和排水淤堵等现象，不影响大坝蓄水安全运行，但后期仍需加强观测，并及时进行处理。

(4)随着现代技术和管理水平的发展，信息技术在大坝安全监测中的应用越来越重要[13-14]。资料整理分析方法应逐步信息化、标准化，应及时纳入自动监测及预警系统、新分析模型等方法，运用到用大坝安全监测资料的采集、分析模拟及预测中，以评估工程运行状况，预测未来发展趋势。