面板堆石坝长效服役状态下微幅变形监测及其分析

丁玉堂，周王俊，陈章仑，陈洪丰，王超逸，陆阳洋

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 2.温州市泽雅水库管理站，浙江 温州 325023)

混凝土面板堆石坝技术于1985年引入我国，随后因其良好的适用性迅速在国内大范围推广，并成为新建坝的主流坝型之一。随着时间推移，许多已建坝的运行期已超过10年甚至20年，坝体结构因材料的时效特性及外部荷载的长期作用，可能存在劣化的风险。这些大坝在长期服役条件下的运行状态成为水利工作者的研究重点[1-3]。

坝体变形量是评价大坝运行状态的重要指标。大坝填筑与振动碾压可较快促进堆石料孔隙比的降低与颗粒的重排列，使堆石坝坝体的主要变形完成于施工期。然而大量的监测案例表明，许多堆石坝均存在不可忽视的工后变形。例如1971年建成的澳大利亚Cehtana面板堆石坝、1980年建成的巴西Foz do Areia面板堆石坝在蓄水运行后多年内仍观测到持续的坝体变形，我国早期建成的西北口面板堆石坝与十三陵抽水蓄能面板堆石坝竣工后亦观测到明显的沉降发展[4]。防渗体系中，混凝土面板的工作性态直接受下卧堆石体的变形影响。堆石体工后变形的不断积累，可引起面板的压碎、开裂、错动或脱空，严重影响大坝的运行安全。罗马尼亚Lesu面板堆石坝在水库建成运行2年后，坝肩面板与趾板间产生明显的相对位移，导致周边缝止水破坏[5]。我国天生桥一级面板堆石坝在填筑到顶近3年后，发现三期面板出现大范围脱空，最大脱空测值达15 mm[6]。

堆石坝工后变形多归因于堆石料的流变[7]与蓄水导致的湿化变形[7]。近些年来随着我国高土石坝的建设需求，堆石坝后期变形机理的试验研究得以广泛开展[5-11]。然而堆石坝后期变形影响因素众多，试验室条件下，材料粒径、荷载种类及加载时长等均与实际工况存在很大差异，一些影响因素间还存在复杂的耦合效应[11]。因此，单纯依靠室内试验目前尚无法完全地回答沈珠江院士提出的大坝最终变形量与变形速率这一根本性问题[12]。

大坝原位观测（安全监测）是堆石坝变形研究的一种重要手段，也是理论与计算模型开发的落脚点与试金石。沈珠江在鲁布革心墙坝完工2年内的监测成果基础上，提出了经典的三参数流变模型[13]，并对4座不同岩性堆石料填筑的大坝进行变形反馈分析，给出了流变参数的建议取值[7]。随着研究的不断深入，研究人员期望获取更长运行期的变形实测资料。然而经历较长运行期后，坝体变形表现为微幅变化的特征，可保障长期监测的技术手段较少。高精度、高采样率监测成果的缺乏已成为当前研究的一个制约因素。

传感器监测系统是大坝变形测量的一种常用方法。其中，静力水准系统、引张线系统常应用于位移量较小的重力坝、船闸等混凝土结构的变形监测，具有结构简单、造价适中、技术成熟、精度高、自动化集成方便等优点。然而其量程多在100 mm以内，对变形量较大的完工初期高土石坝并不适用。但对已运行若干年、呈现微幅变形特征的土石坝，上述监测系统具有理论上的可行性。国内利用静力水准系统、引张线系统开展土石坝变形监测的案例较少。据了解，目前尚无应用上述系统对土石坝微幅变形开展长期监测并进行分析的公开报道。

针对上述问题，在温州市泽雅水库面板堆石坝安全监测系统的改造过程中，尝试采用智能电容式静力水准系统与引张线系统开展坝体表面沉降与水平位移的观测。本文在简要介绍上述测量系统原理的基础上，利用监测系统建成至今近5年多的监测数据，对泽雅水库面板堆石坝的长效变形特征进行分析，总结变形的发展规律，并对监测系统的工作情况展开评价。

1 仪器工作原理

1.1 静力水准系统

静力水准系统组成如图1（a）所示，静力水准仪结构如图1（b）所示。静力水准系统应用了流体力学中的连通管原理，主要组成部分包含工作基点、静力水准基准测点、静力水准测点等，测点间以水管连接。静力水准仪由主体容器、连通管、电容传感器等部分组成。当各测点墩高程发生变化时，在连通管原理作用下，主体容器内的液面高度发生变化，引起装有中间极的浮子与固定在容器顶的一组电容极板间的相对位置发生变化，通过测量电容比的变化即可计算相对位置变化量：

图1 静力水准系统与静力水准仪结构示意Fig.1 Schematic graph of Hydrostatic Level System and Hydrostatic Level Sensor

式中：ΔDi为第i个测点中液面相对电容极板间的位置变化量；k为传感器系数；R、R0分别为当前与初始电容比测值。

得到任意测点当前液面相对电容极板间的位置变化量后即可计算其沉降量。如图2所示，根据连通器原理，初始时刻，各传感器内液面的高程相等，即有：

图2 静力水准仪系统测量原理示意Fig.2 Schematic graph of Hydrostatic Level System working principle

式中：H为观测墩的高程；hi为容器内液面的高度，下标i表示测点编号，编号0代表基准测点。在当前测量时刻，各测点墩高程已发生变化，变化后的液面高程依然相等，得到：

即有：

式中：ΔH与Δh分别代表测点高程与液面高程的变化量：

联合式（2）、（4），即能得到任意测点i处测点墩的高程增量：

式中：基准点的高程增量 ΔH0由临近的工作基点测得，若基准测点建造在两岸稳固的基岩上，则可认为基准测点高程增量为0。液面高度的变化量 Δh0、Δhi由式（1）计算转化。注意到工程上通常以沉降为正、上抬为负，任意测点i处测点墩的沉降量进而可表示为：

1.2 引张线系统

引张线系统主要由工作基点、引张线线体与张拉固定装置、测点传感器组成，其测量原理如图3所示。在两工作基点间采用张拉与固定装置将引张线线体拉紧，测点相对线体的水平位移由传感器获取，以智能电容式引张线仪为例，测点相对位移 ΔSi为：

图3 引张线系统测量原理示意Fig.3 Schematic graph of Tension Wire Alignment System

式中：Si,S0为当前/初始位置测值；C1,C2,C3为传感器系数；R为电容比测值。相对位移与基点位移叠加，即可得到测点水平位移。

2 泽雅水库大坝表面变形监测系统

泽雅水库位于温州市泽雅镇，水库总库容5 713万m3，是以城市供水为主的大（2）型水库。水库大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高78.8 m，坝顶长313.5 m，上下游坝坡均为1∶1.3，下游设有二级马道。堆石坝筑坝材料为硬岩及中硬岩，级配良好。泽雅水库工程于1996年开工，1998年4月下闸蓄水，运行至今已超20年。大坝建成后，表面沉降、水平位移分别采用三角高程法、边角网法人工观测，人工观测均由水库管理单位自行开展。运行后10年期安全监测资料分析[14]发现，受设备精度及人员操作水平限制，变形观测误差较大，已不能正确反映坝体的变形情况。其中，表面沉降最大观测误差可达50 mm，表面水平位移最大观测误差约20 mm。随着对大坝安全管理的日趋重视，2015年进行安全监测系统更新改造工程，并尝试采用静力水准系统与引张线系统开展表面变形的观测。大坝表面监测系统于2015年底投入运行，至今已取得较为完善的观测资料。

如图4所示，在高程113 m的坝顶上、下游侧及高程为83和 53 m 的下游马道各布置1套测量系统。静力水准测点（代号LD）与引张线测点（代号TP）结合布置。每套静力水准系统在右岸坝肩布置1个静力水准基准测点（代号Li-0），引张线系统的固定端、张拉端分别布置在左右岸坝肩。由于坝肩岩体坚固，可认为其水平位移与沉降均为0。

图4 表面变形测点布置（单位： m）Fig.4 Layout of deformation measuring points (unit: m)

上述系统中，静力水准仪采用RJ-S-100型，量程为100 mm；引张线仪采用RY-S-40型，量程为40 mm；传感器标称测量误差小于量程的0.7%。所有测点均接入自动化采集系统，观测频次设置为每天1次。

3 观测系统稳定性评价

监测系统运行已逾5年，为考察系统运行的稳定性，定义逐日位移增量X：

图5 逐日位移增量概率密度分布Fig.5 Probability density distribution of daily deformation increments

（1）逐日位移增量主要集中在±0.15 mm区间内，这表明测值变化过程较为平稳，与前期人工观测中较为紊乱的测值变化过程相比，测量的稳定性有明显提升。概率密度分布形状接近正态分布，但在远离对称轴方向上，概率密度未能迅速趋近于0，这主要与运行期设备检修、传感器故障等原因引起的“观测粗差”有关。

（2）逐日沉降增量的均值为6.14×10-3mm，逐日水平位移增量的均值为2.76×10-3mm，这表明坝体总体上有缓慢的沉降及沿下游方向的水平位移发展。

4 观测数据分析

4.1 沉降观测数据分析

选取2020年度出现最大测值的时刻（12月31日，LD1-4测值21.62 mm）作为典型时刻，进行测值分布特征分析；选取靠近河道中心线的左0+3.000 m断面作为典型断面（含测点LD1-4、LD2-4、LD3-3、LD4-3），进行测值变化过程分析。典型时刻各测点测值分布如图6所示，典型断面各测点测值过程线如图7所示。

图6 典型时刻各测点沉降分布Fig.6 Distribution of vertical deformation at a typical moment

图7 左0+003.0 m断面各测点实测沉降过程Fig.7 Graph of vertical deformations in section “Left 0+003.0 m”

从沉降分布看：

（1）沉降量总体分布规律为：坝顶＞▽83 m马道＞▽53 m马道；近河道中心线部位＞近两岸部位。上述沉降分布规律表明，坝体表面各部位均有沉降，沉降量的大小主要与测点下方堆石体的厚度有关，即下部堆石体越厚，表面沉降量越大。

（2）坝顶除靠近两岸坝肩部位外，其余部位上游侧沉降量明显大于下游侧，最大沉降差为7.15 mm。这主要与上游侧堆石体承受了由面板传递过来的库水压力有关。

从典型断面各测点测值变化过程看：

（1）位于坝顶上游侧的测点LD1-4沉降变形发展最快。观测初期，测值受库水位升降影响较为明显。2016年9月9日至10月8日，库水位由82.87 m迅速提升至110.38 m，增幅达27.51 m，LD1-4沉降测值由4.59 mm增长至9.22 mm，增幅达4.63 mm。随后，沉降变形持续发展，且随环境温度呈现“夏升冬降”的周期性波动特点，测值波动滞后环境温度约1～2个月。上述波动特征与混凝土坝变形情况类似，这表明由堆石料填筑的坝体与混凝土结构相似，呈现一定的热胀冷缩特性。

（2）观测期最大沉降量为22.67 mm（LD1-4测点，2021年3月11日），对应平均沉降速率约4.33 mm/a。坝顶下游侧LD2-4测点、▽83 m马道LD3-3测点、▽53 m马道LD4-3测点沉降变形发展速度依次降低，至2021年3月31日，各测点测值分别为15.69、9.19和4.31 mm。各测点沉降逐年趋稳。

4.2 水平位移观测数据分析

选取2020年度出现最大测值的时刻（9月1日，TP1-4测值16.49 mm）作为典型时刻，进行测值分布特征分析；选取近河道中心线的左0+3.000 m断面作为典型断面（含测点TP1-4、TP2-4、TP3-3、TP4-3），进行测值变化过程分析。典型时刻各测点测值分布如图8所示，典型断面各测点测值过程线如图9所示。

图8 典型时刻各测点水平位移分布Fig.8 Distribution of horizontal deformation at a typical moment

图9 左0+003.0 m断面各测点实测水平位移Fig.9 Graph of horizontal deformations in section “Left 0+003.0 m”

从水平位移分布规律看：

（1）各测点水平位移均表现为沿下游方向。水平位移量分布规律为：坝顶＞▽83 m马道＞▽53 m马道；近河道中心线部位总体大于近两岸测点部位。上述测值分布规律表明，坝体表面各部位水平位移总体指向下游方向，位移量随着高程增加而增加。

（2）与沉降分布规律不同，坝顶上、下游测点间水平位移测值差距较小。上、下游测点位于坝顶道路两侧，其水平间距仅约5 m。堆石料流变变形沿水平方向难以累积为明显的变形差异，因此位移测值较为接近。

从典型断面各测点测值变化过程看：

（1）坝顶水平位移发展最快。位移量总体持续发展并随环境温度呈现“夏增冬降”的周期性波动特点，测值波动滞后环境温度约1～2个月，年度测值波动量最大可达约10 mm。上述测值波动特征可能与测点靠近面板等混凝土结构有关。

（2）观测期最大水平位移测值为16.49 mm（TP1-4测点，2020年9月1日），计算得到平均水平位移速率约3.50 mm/a。▽83 m马道TP3-3测点、▽53 m马道TP4-3测点沉降变形发展速度依次明显降低，至2021年3月31日，测值分别为3.84和1.41 mm。各测点水平位移逐年趋稳。

5 存在问题与解决方案

上述数据分析表明，表面变形观测系统具有良好的稳定性与观测精度。实际应用中，随着坝体变形的不断发展与积累，观测系统在运行若干年后，部分测点的测值存在超仪器量程的可能，从而导致观测系统失效。同时，观测系统测值精度大大高于前期人工观测成果，二者难以协调统一，不能形成坝体工后全时段连续性的变形描述。针对上述两个问题，提出如下解决方案：

（1）测值超量程的问题，可通过测点调整克服。静力水准系统与引张线系统均属外部变形观测系统，运行期均可进行设备的维护与调整。当观察到测点变形量接近传感器量程时，通过垫高测点墩、平移传感器位置的方式使得各个测点的测值重新回到传感器量程合适区域。在进行上述操作时应注意：①测点调整时，需预留足够的量程空间，以满足极端气温、降雨或超限库水位条件下的突变测值测量需求；②测点调整后，各传感器的初值发生变动，测点位移量应由当前测值累加调整前的位移测值后得到；③测点调整施工应尽快完成，以最大程度避免施工停测带来的漏测影响。

（2）为形成坝体工后全时段连续的变形描述，新建坝与已建坝可采取不同的措施。对于新建坝，应委托专业的测量单位开展观测。经验表明，专业化观测的误差可控制在10 mm以内。当坝体变形相对稳定后，可安装高精度的静力水准系统与引张线系统开展观测，从而实现观测系统与前期人工观测的协调与统一。对于已建坝，其前期的变形过程已无法精确测得，可利用后期高精度观测成果，通过建立回归统计模型及开展反馈分析等多种手段，推测、反演得出前期的变形过程。

6 结 语

（1）泽雅水库大坝表面变形观测系统建成5年多的观测结果表明，观测精度、稳定性与观测频次较人工测量均有大幅改善，静力水准系统与引张线系统可实现堆石坝长期微幅变形的精细化观测。本案例可为同类型大坝安全监测改造设计提供参考。

（2）堆石料流变具有长期性，是面板堆石坝长效安全服役不可忽略的一个重要影响因素。泽雅水库大坝在运行近20年后，堆石料的流变效应仍不可忽视。最大平均沉降速率约4.33 mm/a，最大平均水平位移速率约3.50 mm/a。大坝的表面沉降与水平位移均表现出“河谷段大、岸坡段小”、“上部大、下部小”的变形特征，符合土石坝运行期的一般变形规律。受库水压作用，坝顶上游侧沉降变形最大，这表明流变随应力水平的提高而增大，与已有的室内试验观测结果一致。坝体各测点变形速率总体逐渐降低，变形总体趋于稳定。坝顶的变形受外界温度影响，存在一定的周期性测值波动。

（3）对于观测系统中测值可能超量程的问题，可采用后期测点调整的方法解决，避免观测系统使用年限受限。

（4）在降低“观测粗差”的基础上，采用反馈分析等手段，获得堆石料流变参数，进而计算大坝最终变形量、获得变形速率的演化模式，这是进一步研究的重点。