阿尔塔什大坝安全监测方案及初期蓄水分析

袁 媛,杨冰然，何四星，郭跃珍

(1.新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000)

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程是叶尔羌河干流梯级规划中“两库十四级”的第11个梯级，在保证向塔里木河生态供水和灌溉用水的前提下，满足防洪、发电等综合利用功能[1]。位于新疆维吾尔自治区莎车县和阿克陶县的库斯拉甫乡交界处，距喀什约310km。水库总库容22.49亿m3，工程等别为大(1)型Ⅰ等工程，大坝为1级建筑物，坝顶高程1825.80m，大坝抗震设计烈度为9度，100年超越概率2%基岩峰值加速度为320.6g[2]。

2 监测设计原则及项目

监测设计系统应满足以下原则和要求[3]：

(1)监测系统能够及时、全面合理反映工程建筑物工作状态的真实情况。

(2)针对挡水大坝的具体结构型式、工程布置特点及水文地质条件、基础防渗处理等进行仪器的布设。

(3)监测断面、监测项目和测点布置目的要明确，紧密结合工程实际，突出重点，兼顾全面，力求有效、可靠、合理和经济。

(4)重点部位的重点监测项目要采用多种监测手段，以便使监测数据相互补充和校核，从而保证监测数据的准确、可靠。

(5)所选择的监测仪器设备可靠、稳定耐久，并应在满足安全监测的前提下充分考虑设置在施工方便和监测不受干扰或少受干扰的部位。

布置以下监测项目：

(1)大坝变形监测控制网：包括平面位移监测控制网和垂直位移监测控制网，为整个坝址区的变形监测提供基准。变形监测采用专二级控制网控制枢纽区的变形。

(2)坝体变形监测：包括坝顶及下游坝坡的水平和垂直位移监测。砂砾石填筑体内部变形及坝基变形监测：包括施工期和运行期填筑体内部的水平和垂直位移监测；砂砾石基础的沉降变形监测[6- 11]。

(3)面板变形监测：包括面板与垫层间脱空、面板接缝(周边缝、板间缝等)开合度及剪切变形[12]。

(4)应力监测：面板应力监测、坝基混凝土防渗墙应力监测、连接板下土压力监测。

(5)渗流监测：绕坝渗流监测、坝基础面渗透压力监测及渗漏量监测[4- 6]。

(6)地震监测：布置强震仪监测地震。

3 监测项目的布置

3.1 坝体变形监测

3.1.1坝体表面变形监测

在坝面埋设5排坝面标点，其高程分别为1780、1740、1711、1671m及坝顶1825.8m下游坝肩一排，标点间距50～100m，共设置45个水平垂直位移标点[4]。

3.1.2坝体内部变形监测

在0+160、0+475、0+590、0+305m四个断面分别布置水管式沉降仪监测坝体内部沉降，引张线式水平位移计监测坝体水平位移。高程布置在约1/3、1/2、2/3坝高处，即设置在1791.0、1751.0、1711.0m高程。河床部位的0+475m和0+305m断面在建基面附近增加一个高程监测基础的沉降，设置在1671.0m高程处。共计沉降监测点62个，水平位移监测点48个。各测点埋设管路引至下游坝面观测室内进行监测[5]。见表1。

表1 坝体内部变形测点布置表

3.1.3面板挠度变形监测

在坝0+420m桩号的面板和连接板设置了各一条SAA阵列式位移计监测面板及连接板变形情况[7]。

3.2 面板脱空监测

0+160、0+475、0+590m三断面分别在面板和垫层之间设置脱空计监测面板脱空情况，布置高程在1820、1808、1795m处，共布测点9点[8]。见表2。

表2 脱空监测测点布置表

3.3 接缝变位监测

3.3.1周边缝变位监测

在左、右岸及河床部位设置三向测缝计进行监测混凝土面板与趾板间的开合度、相对沉降和沿缝方向的剪切位移。布置测点14点。

3.3.2板间缝变位监测

在混凝土面板坝靠近两坝肩上部位的为受拉区，布置单向测缝计，在高程1798.0m的板间缝处，左坝肩部置8测点，右坝肩部置8测点。

3.4 应力应变监测

3.4.1面板应力应变监测

在面板上选择4个断面即最长面板断面坝0+475m、河床断面坝0+305m、拉应力最大断面(左岸0+160m，右岸0+583m断面)在高程为1666、1691、1729、1761、1796m，布测点13点，分别布置二向应变计，无应力、钢筋计，监测面板的应力应变及钢筋应力情况。

3.4.2土压力监测

在坝0+475m断面、坝0+305m断面连接板下，设置土压力计各1支。

3.5 渗流监测

3.5.1绕坝渗流监测

在两坝肩岩石上及坝下游坡线之外的山体上埋设6根测压管监测绕坝渗流情况。钻孔深度深入枯水期地下水位线5m。

3.5.2周边缝止水渗漏监测

在周边缝三向测缝计位置的趾板下游垫层料中对应部位埋设渗压计，监测周边缝变形与止水防渗及缝后渗水压力关系。共布测点12点，具体位置见表3。

表3 渗流监测测点布置表

3.5.3坝基渗流监测

坝基渗流监测结合坝体内部变形监测，选择0+475m断面、坝0+305m断面，在建基面设置渗压计，监测基础渗流。

3.5.4渗漏量监测

结合下游围堰，在主河床坝0+475断面的围堰上，高程1662.0m处设置量水堰，量水堰为梯形堰。

3.6 防渗墙监测

选择两个断面防0+185m(坝0+422.599m)及防0+230m(坝0+467.545m)，在防0+185m(坝0+422.599m)断面混凝土防渗墙高程1635.0、1610.0、1585.0m距防渗墙上下游面10cm处各埋设1支单向应变计，同高程防渗墙轴线处埋设1支无应力；防0+230m(坝0+467.545m)断面混凝土防渗墙高程1635.0、1610.0m距防渗墙上下游面10cm处各埋设1支单向应变计，同高程防渗墙轴线处埋设1支无应力。

另根据防渗墙应力计算的结果，岩石面变化处，防渗墙应力偏大，在防渗墙应力最大的断面设置单向应变计及无应力计，选择监测坝防0+160m(坝0+397.714)和防0+200m(坝0+437.545m)断面，高程埋设在墙体入岩高程处，距防渗墙上下游面10cm处各埋设1支单向应变计，同高程防渗墙轴线处埋设1支无应力。

3.7 地震监测

在坝0+475m断面坝顶高程1825.8m、1/2坝高处高程1740m及坝脚处各设置1台强震仪，坝顶左右坝肩各1台，岸边稳定岩石处各设置1台强震仪，共设置6台强震仪监测地震反应。

4 初期蓄水阶段安全监测成果分析

工程于2019年10月30日下闸蓄水，安全监测系统的施工及监测资料分析单位为贵阳勘测设计研究院有限公司，面板坝的安全监测仪器数量总计为415支，截止2022年3月底，安全监测仪器共埋设411支，完好的有402支，仪器完好率为97.8%，其中表面变形监测完好率为100%。库水位最高已蓄至1802.0m，正常蓄水位为1820.0m。

4.1 坝体内部沉降监测

由表4可知，各监测断面坝体的最大沉降量均发生于1713m高程左右，在1/3填筑坝高内，此处填筑料为爆破堆石料，其中最大累计沉降值为780.8mm，发生在河床段坝0+475m断面TC2- 5测点，位于坝轴线下游81m，埋设高程1713.28m。河床部位两监测断面在高程1673m埋设沉降仪监测深厚覆盖层基础沉降，最大累计沉降值为548.6mm，为TC1- 5测点，与坝体最大沉降量同属坝0+475m断面的不同高程。

表4 坝体内部累计沉降数值表

坝体总沉降量780.8mm占坝体与覆盖层之和216.3m的0.36%，坝基总沉降量占下部堆石体与覆盖层总厚度65m(覆盖层厚度55m，坝体填筑厚度10m)的0.84%，沉降量较同类型工程测值偏小。

整体来看，各断面上水平分层的数值在坝轴线下游的沉降量最大，两侧沉降量呈逐渐减小趋势，垂向分层的测值在高程低坝高越高处的沉降量越大。坝基、坝体各测点沉降量分布规律性较好，符合土石坝沉降变形分布的一般规律。

4.2 坝体内部水平位移监测

根据表5监测成果，4个监测断面的最大水平位移部位与沉降部位基本相同，均在在坝轴线下游爆破堆石体内，沿河床向下游方向位移，最大位移量发生在河床的坝0+475m断面，数值为70.3mm。坝轴线上游坝高1/3范围的部分测点产生沿河床向上游方向的位移，符合水库蓄水后土石坝变形规律，最大位移量-25.3mm。坝体内部水平位移各断面靠近坝轴线的测点位移量较小，爆破堆石体内的位移值最大，与同类工程相比水平位移相对较小。

表5 坝体内部水平位移数值表

4.3 面板挠度监测

SAA阵列式位移计在面板施工完成初期受坝体沉降影响一期面板顶部沉降最大底部最小[9]，整条测线为渐变趋势，最大值为37.0mm。一期面板上游盖重填筑施工后，挠度变形趋势变为顶部最小[10]，底部最大，最大值为32.0mm。水库蓄后1764.3m高程以下的面板受蓄水影响最大法向沉降增加了14.3mm，1764.30m高程以上面板受坝体自然沉降影响最大沉降量为30.0mm，蓄水后面板挠度变形趋势为底部大顶部小。

4.4 坝基渗流监测

由河床段坝基渗流两个监测断面1d的单独监测数值可知，在蓄水阶段坝基渗压计水头在靠近面板部位测值最高，水头自上游向下游呈下降趋势，坝体浸润线形态符合面板坝正常规律[11]。

4.5 周边缝止水渗流监测

蓄水后沿周边缝布置的渗压计水头在2021年8月22日的测值，此时库水位已超1802m高程，在河床段渗压水头较大，两岸渗压计无水头，左岸岸坡P4渗压计的测值较高，经对照此处三向测缝计SJ5的数值分别为：开合度24.7mm、剪切2.9mm、沉降32.0mm，说明水库在蓄水期间此处面板与趾板间产生张开变形及沉降，因此引起渗压水头值较高。后期需加强关注此处渗压计及三向测缝计的变化情况，见表7。

表6 坝基渗流2021/8/22测值成果

表7 周边缝渗流2021/8/22测值成果

5 结语

本工程地质条件复杂，为在深厚覆盖层上建坝，前期设计阶段进行了一系列的分析计算，施工期通过坝体内部变形监测掌握面板的实施时机，初期蓄水期间的各项监测数据，掌握关键部位的安全性状。监测设施基本能反映大坝变形以及坝体渗流情况，监测仪器的完好率、稳定性目前均为正常范围，为工程施工质量、后期运行安全及竣工验收提供重要技术支撑。通过3年的运行检验，监测方案还存在不足之处，如表面变形为人工测量，尚未实现自动化；内部沉降变形中，与水管式沉降仪对比监测的液压式沉降仪在埋设完成后基本失效，不足处为类似工程的仪器选型提供设计参考。