观音阁水库碾压混凝土重力坝位移监测资料分析

薛英霞

(辽宁省河库管理服务中心 (辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

1 工程概况

观音阁水库是我国在岩溶地区修建的第四座高坝，也是我国第一座采用RCD工法修建的碾压混凝土重力坝，由挡水、溢流、底孔及电站坝段等4部分组成。坝顶长1040 m，分65个坝段，坝顶宽10 m，最大坝高82 m，最大坝底宽61.3 m。坝体剖面为“金包银”型式，碾压混凝土96.6万m3。1989年9月开工，总工期为6年，工程总投资23.19亿元[1]。

观音阁水库大坝地处岩溶地区，地质构造复杂，岩溶发育。为掌握其变化规律，满足工程运行期大坝安全监测的需要，设计了以河床坝段为重点，以坝体变形为主要内容的大坝安全监测体系,包括大坝水平位移、坝体挠度、坝体倾斜、基岩变形及坝基、坝顶和近坝区沉陷。安装观测仪器设备8种276台(套)，详见表1。各监测项目的监测频次详见表2。

(1)水平位移观测。全坝通过三条引张线，五条倒垂线和四条正垂线及一条视准线组成大坝水平位移观测系统，使全坝各坝段特别河床坝段坝基、坝体中部及坝顶水平位移均能得到控制。

(2)坝体挠度观测。坝体挠度选定BL15、28和42三个坝段布设正垂线，采用多点观测站法观测。

表1 监测设备统计情况

表2 各监测项目的监测频次

(3)坝基、坝顶和近坝沉陷观测。坝基沉陷测点分别布设在灌浆廊道上游壁和排水廊道下游壁，每个坝段均有测点。坝顶沉陷测点在坝顶下游侧。近坝沉陷观测采用一等水准环线全长4 km。

2 监测数据整理

2.1 水平位移

1997年初—1999年底坝顶水平位移变幅一般坝段在8～10 mm，最大变幅为13.34 mm，略超出设计计算值(12.68 mm)。主要分布在BL15～36坝段。1998年初—1999年底坝顶水平位移变幅一般在6.0 mm左右，个别坝段最大变幅为9.74 mm，主要分布在河床内的溢流、底孔及电站坝段，远小于理论计算值。

各测点受气温影响相关变化较大，坝顶廊道(高程260 m)内多数测点呈年周期性变化，对坝体水平位移受气温的影响存在滞后性，滞后时间约3—4月。在每年的低温季节出现向下游位移的较大值，高温季节出现向上游位移的较大值。除左岸挡水坝段有向上游位移趋势外，其他坝段均出现向下游位移，但变形趋势已经稳定，其中河床中部坝段出现向上游变形趋势，观测值虽略有增加，但增量值较小且逐渐趋于稳定，见图1。坝基水平位移除右岸垭口挡水坝段有向上游位移趋势外，其他溢流、底孔及电站坝段都有向下游位移趋势，增量值较小，1999年测得的最大变幅为3.3 mm，见图2。

图1 坝顶水平位移典型过程线(BL27,BL29)

图2 坝基水平位移典型过程线(BL5,BL15,BL42)

2.2 垂直位移

自1998年初以来，坝顶最大变幅为8 mm，测点有上升趋势，见图3，坝基最大变幅为3.45 mm。相邻坝段之间差值很小[2]。

图3 坝顶典型坝段沉陷点过程线

2.3 基岩变形

大坝蓄水以后基岩变形在 -1.6～1.2 mm之间变化，随水位升高逐渐增大，趋势明显，而且排水廊道处的测值小于灌浆廊道的。自1996年以来，最大值为0.75 mm，最小值为-1.66 mm，最大变幅为1.09 mm。

2.4 坝体挠度

以BL27坝段为例，采用1997—1999三年的测值绘制挠度图，见图4，纵轴为坝体横断面竖向轴线，高程148 m表示倒垂孔内的锚固点，高程190 m、225 m表示底层和中层廊道内测点，高程260 m表示顶层廊道内测点，从图中可以看出，变幅分布情况是坝顶远大于坝基，坝体越高，变幅越大。

图4 BL27坝段坝体挠度

3 回归分析

3.1 水平位移回归分析

混凝土重力坝水平位移的影响因素主要为自重、水深(H)、温度及时效(t)等四类，坝体完工后自重基本不变，故分析运行期资料时着重考虑的是水深(H)、温度及时效(t)等三类因子。现选取的水压因子有当天库水位和前10 d、20 d、30 d内的平均库水位(Hn)的一次方、二次方、三次方、四次方；因坝基温度资料不全，所以取气温代替坝温。选取的气温因子有当天和前10 d、30 d、60 d、90 d、120 d、150 d内平均气温(Tn)。选取的时效因子有对数型ln(1+t1+t)和多项式t，其中t为从蓄水起到分析时段始日期的累计天数。选用1997年初—1999年底三层廊道内所有测点观测资料建立回归模型，以BL27坝段三层廊道测点为例，有回归方程,见式(1)～式(3)：

δEX327=0.246H90-0.167T30+

57.487ln(781+t)-4.393×10-3t-7.263

(1)

12.333H90-0.184T+0.103T30-9.575T120+

35.874 ln(1+780+t)-2.652t+0.763

(2)

δEX127=8.52H-0.532H10-1.79T60+

8.98 ln(781+t)-4.310t-0.760

(3)

式中：δ为水平位移, mm;H为水压因子，m;T为温度因子，℃;t为时效因子，d。

选取典型坝段成果数据见表3。表中各因子采用逐步回归分析方法筛选出显著因子，从回归成果可知，水平位移有下列特点。

表3 水平位移回归分析入选因子

(1)回归方程的复相关系数均在0.69以上，剩余标准差均在1.99 mm以下，实测过程线与回归过程线拟合程度较好，以BL27坝段EL260-27和EL190-27两个测点为例，见图5。

(2)回归方程中多数测点选入时效因子，且变化明显，见表4，其中有的水平位移随时间延长呈向下游移动趋势，有的呈向上游移动趋势。受时效影响，说明随库内泥沙淤积的增加，在较高水压力作用下使坝基岩石裂隙进一步压实，以及混凝土本身的徐变，从而产生非弹性变形。

(3)测点中多数随气温降低呈现向下游移动趋势，均呈现年周期性变化，仅RP5、RP7、EX301、EX129～125回归方程未选入温度因子。

(4)多数测点回归方程中选入水压因子，随上游水位上涨呈向下游移动趋势。

(5)多数测点的实测过程线和回归过程线之间拟合程度较好。

3.2 对水平位移回归分析成果的解释

时效是影响坝体水平位移的主要因素。受时效影响，测点呈向下游趋势变化，蓄水运行初期时效变形量较大，到1998年以后逐渐趋于稳定或回升，见图6。

图6 BL27坝段坝顶测点实测过程线与回归过程线图

由水平位移回归成果可以看出，总体上坝顶水平位移主要受气温影响，有69.1%的坝段气温分量占第一位，其次是时效分量；中层水平位移主要受时效影响，有56.1%的坝段时效分量占第一位，其次是温度分量；基础水平位移主要受水压影响，有63.1%的坝段水压分量占第一位，其次是时效分量。坝顶(高程267 m)及中层廊道(高程225 m)内多数测点呈现不规则年周期性变化，一般在每年的低温季节产生向下游变形的较大值，高温季节产生向下游变形的较小值，这也是混凝土重力坝水平位移变形的一般规律。由于低温时，下游坝面临空温度低于上游临水坝面，因而温度荷载作用使坝体产生向下游变形，反之则向上游变形，同时随着库水位上涨或降低，坝顶相应向上游变形减小或增大。

受时效影响，有的呈趋势变化，说明随库内泥沙淤积的增加，在较高水压力作用下使坝基岩石裂隙进一步压实，及混凝土本身的徐变，从而产生非弹性变形，在蓄水运用初期阶段属于正常现象，对主要受时效影响的BL21、24、25、27、42坝段要加强监控和分析[3]。

4 结 语

(1)水平位移变幅一般在8～10 mm，多数部位变形已趋于稳定，仅表现为呈年周期变化的形态，大坝变形符合一般规律，反映了大坝处于弹性工作状态。

(2)水平位移回归成果表明，坝顶水平位移主要受气温影响，其次是时效；中层水平位移主要受时效影响，其次是气温；基础水平位移主要受水压影响，其次是时效。对主要受时效影响的BL21、24、25、27、42坝段要加强监控和分析。

通过对坝体位移安全监测资料的分析表明，坝基水平位移小于设计采用值，综合坝体、坝基外观检查资料判断，未发现异常现象，水库大坝运行正常。