槐树关水库大坝稳定性评价

高雅彬杨赟王春霞焦林可李生彬

(1.兰州博文科技学院，甘肃 兰州 730101；2.临夏回族自治州水利科学研究院，甘肃 临夏 731199；3.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 槐树关水库概况

槐树关水库位于甘肃省临夏州境内，枢纽区主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、左岸溢洪道、右岸输水洞等。槐树关水库大坝工程属四级小(Ⅰ)型工程，其主要永久性建筑物包括大坝、溢洪道、输水泄洪洞等，属于4级建筑物，主要建筑物按50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。其他次要及临时性建筑物均属于5级。水库正常蓄水位2543.896m，兴利库容398.98m3，设计洪水位2545.520m(50年一遇)，校核洪水位2547.920m(500年一遇)，总库容591.00万m3，死水位2522.655m，死库容71.08万m3，调节库容120.94万m3。设计供水能力为5.0万m3·d-1。槐树关水库担负下游50万人口的饮水功能。

自2015以来，除坝体渗流量观测资料较为全面，严重缺乏其他安全监测数据，2020年，该坝被某水利科学院评价为“二类坝”，属于在一定控制运行条件下才能安全运行的大坝，本文通过对大坝的表面和内部变形监测数据与库水位进行分析以评估大坝的稳定性。

2 项目监测点布置

2.1 坝体表面位移监测点

大坝表面变形监测主要分为横向和纵向2部分。利用全站仪、可动觇标、固定觇标等设备，通过三角网和水平线2种方法进行水平位移监测。在竖向位移的监测中，采用水准法，使用高精度的水平仪进行测量。

依据《土石坝安全监测技术规范》(SL 60-1994)[1]的要求，并考虑到该项目的具体情况，拟在大坝防浪墙与面板连接处及大坝下游坡面布置4排15个固定位移标点，按A1～A15的顺序设置固定位移点。每一个节点都能监控到横向和纵向的位移。依据枢纽区的观测坐标分布，在坝体左、右2个边坡上分别设置了6个观测基点，其中LS1～LS6是6个水平位移工作基点，XH1～XH6是6个校核基点，如图1所示，监测点位置信息如表1所示。

图1 表面位移测点安装位置图

表1 大坝表面变形监测点布置信息

2.2 坝体内部变形监测点

根据大坝历史检测资料，在大坝的主监测断面(坝横0+061.750)的2525.00m高程布置1套水平和垂直位移监测系统，分别为4个测点；水平位移监测采用引张线水平位移计，仪器编号为EX1～EX4，EX1为坝横0+061.750，坝纵0-31；EX2为坝横0+061.750，坝纵0-27；EX3为坝横0+061.750，坝纵0；EX4为坝横0+061.750，坝纵0+17。高程均为2525.000m。垂直位移监测采用水管式沉降仪，仪器编号为ES1～ES4，ES1为坝横0+061.750，坝纵0-31；ES2为坝横0+061.750，坝纵0-27；ES3为坝横0+061.750，坝纵0；ES4为坝横，0+061.750坝纵0+17。测点布置如图2所示。

图2 内部位移测点安装位置图

3 监测结果分析

3.1 坝体表面变形监测分析

根据历史监测资料得知，水平位移值为正表示向下游向左岸变形，反之向上游向右岸；垂直位移为正表示大坝下沉，反之代表上升。变形监测的目标是通过获得监测数据，并对监测数据展开分析，从而找出变形产生的原因，帮助人们认识并分析导致变形的因素和规律，并对其进行有效的预防、控制、处理，最终达到保证观测对象安全的目的[2]。

3.1.1 坝体表面水平位移

坝体表面水平位移自2022年2月15日开始监测，其中A1～A10的表面水平位移利用水平位移工作基点LS3和LS4高程(1985系)的平均值减去XH3校核基点的高程得到，A11～A13的水平位移利用水平位移工作基点LS5的高程减去校核基点XH5的高程得到，A14～A15的水平位移利用水平位移工作基点LS6的高程减去校核基点XH6的高程得到。监测结果显示，坝体表面水平位移观测值均在-2～3cm，表明坝体水平位移在时效因素的影响下，坝体的不同部位出现缓慢变形且趋于稳定，因为坝体水平位移受沉降影响，这也表明坝体沉降均匀稳定，符合面板堆石坝一般沉降规律。大坝水平位移随时间和空间的分布情况如图3、图4所示。

图3 坝体表面水平位移时间分布

图4 坝体表面水平位移空间分布

由图3可知，坝顶监测点A1～A10的水平位移为均正值，表明坝顶各监测点水平位移向下游变形，这是由于受蓄水引起的时效变形的影响。而大坝下游坡面的监测点水平位移均为负值，即下游坡面各监测点均向上游变形，这表明在坝低处可能由于粘土产生的干缩，水平位移表现出向上游变形的趋势。大坝水平位移水平增长，没有突增的趋势，表明大坝随着时间发生缓慢的变形，但总体在可控范围之内。由图4可知，监测点A14～A15监测点位于下游坡面高程最低，水平位移值的绝对值最小，表明大坝水平位移沿下游方向，变形逐渐减小，同时反映了土石坝的一般变形规律，即测点高程越高，坝体填筑高度越大，由运行期间水平荷载引起的位移越大[3]。

3.1.2 坝体表面沉降

本次坝体垂直监测自2022年2月15日开始监测，通过监测点第1次测量的高程减去第2次测量的高程得到沉降量，结果为正值表示沉降，反之代表上升，2022年3月17日得到1组沉降量。本次沉降量加上一次的累计沉降量得到本次监测的累计沉降量，正值代表沉降，反之代表上升，2022年4月28日得到第1组累计沉降量。近来观测值经过计算得到的累计沉降量随时间和空间分布情况如图5、图6所示。

图5 坝体表面沉降时间分布

图6 坝体表面沉降量空间分布

由图5可知，测量过程与水位关系不明显，过程线整体呈上升趋势，说明水库基础纵向位移随时间仍有增加的趋势，但增值逐渐变小，大坝趋于稳定。由图6可知，空间分布上表面沉降以河床区间观测点为主，如A2、A4、A9、A13，沉降量比两岸坝肩附近的观测点大。在同一高度的各观测点中，下沉量最大的位于坝体中心轴线观测点，如A3、A8、A12点，呈现在同一高程各测点当中沉降量最大的位于坝中轴线的测点。水库蓄水初期，坝体沉降速度较快，随后进入稳定期，坝体沉降速度减慢。

沉降作为堆石坝观测变形的重要指标之一，实践证明，主要受应力状态与时间的影响，施工期间沉降的影响因数有填土的高度和时间，运行期间的沉降则随时间和水库水位的变化而变化[4]。将大坝表面变形中垂直位移的变化与库水位利用Pearson线性相关函数作相关性分析，结果如图7所示。

图7 防浪墙与面板连接处各监测点与库水位相关性

由图7可知，除A9以外的监测点位A1～A10与库水位呈现不同程度的正相关，而大坝下游坡面处监测点与库水均呈负相关，即防浪墙与面板连接处各监测点随库水位的升高沉降量增加，而大坝下游坡面处随库水位的升高沉降量减小，可能因为坝低处监测点受库水位上升导致坝体内渗流浸润线升高，更多的土体被渗水浸泡膨胀，导致坝体湿胀出现上升，库水位下降后，浸润线下降，坝体出现向下的沉降。观察面板连接处各监测点位之间的相关性，A9与其余面板连接处各监测点均呈负相关，与其周围各监测点呈现不同规律的沉降，需对A9点位加强监测；大坝下游坡面监测点A11、A12、A13之间的相关系数为1，A14与A15的相关系数为0.95，说明大坝下游坡面沿坝纵连接紧密结实。

3.2 坝体内部变形监测结果分析

3.2.1 坝体内部水平位移

坝体内部水平位移通过JTM-J7200型引张线式水平位移计测量，其工作原理是在设计测点高程水平铺设能自由伸缩并经防锈处理的镀锌钢管，从各设计测点引出线膨胀系数很小的不锈铟钢丝，至观测房固定标点，经导向滑轮，在引出线末端挂重锤，被测结构物产生变形，带动锚固板移动并通过固定在伸缩接头中的钢丝卡头传递给测量钢丝，牵动游标读出位移变化数据。测点的位移大小等于某时刻t的读数与初始读数之差，加相应观测房内固定标点的位移量。固定标点的水平位移由坝两端以视准线法(或其它方法)测出。

位移量的一般计算公式：

ΔL=ΔS-bh+ΔD

(1)

式中，ΔL为被测结构物的位移量，mm；ΔS为位移计实时测量值相对其基准值的变化量，mm；ΔD为观测房内固定标点相对其基准值的变化量，mm；b为位移计铟钢丝的线膨胀系数，b≈0.8×10-6；h为铟钢丝的有效安装长度，mm。

坝体内部水平位移自2022年3月17日开始监测，4个监测点在同一断面和高程并沿下游走向分布。监测点位水平位移随时间和空间分布情况如图8、图9所示。

图8 坝体内部水平位移时间分布

图9 坝体内部水平位移空间分布

由图8可知，坝体内部变形监测中各测点水平位移值在-4～8mm，随时间逐渐减小并趋于稳定，水平位移基本呈现向上游变化的趋势，且与库水位变化没有明显的关系，大坝随时间趋于稳定。与表面变形监测中下游坡面处各监测点水平位移向上游变化的趋势相一致，说明大坝下游处表面和内部的水平位移紧密相关。由内部监测点位安装图可以看出，监测点位填筑高度为EX1>EX4>EX3>EX2，图9监测结果显示，向上游变形的水平位移值为EX2>EX3>EX4>EX1，说明大坝向下游的水平位移规律与填筑高度相一致，即填筑高度越大，向下游的水平位移越大。其中，监测点EX1位于上游坝体垫层内，渗透系数为1.000e-03m·s-1，EX2位于上游坝体的过渡层，渗透系数为6.200e-06m·s-1，EX3位于主堆石区的坝轴处，渗透系数为2.900e-05m·s-1，EX4位于次堆石区，渗透系数为2.660e-05m·s-1。监测点位中EX1渗透系数最大且受库水位的影响也最大，因其受上游蓄水荷载的影响从而在这4个监测点位中向上游变形的位移最小。

3.2.2 坝体垂直位移

采用水管式沉降仪对坝体内部垂直位移进行变形监测，该仪器广泛用于土石坝的安全监测。水管式沉降仪观测坝体内部沉降是利用液体在连通管的水面最终会形成同一水平面的原理制成。如果大坝内部某测量点没有沉降发生，观测房测量管水位不会产生变化；反之，如果设在坝体内部的测头随坝体下降，则坝面测量管水位也跟随下降，从而判断出内部某一测点相对于观测房的沉降值。坝体内部垂直位移自2022年3月17日开始监测，累计沉降量为观测房基准点沉降(观测房基准点高程减去观测房起始基准点测高)加上测压管读数差(测压管起始读数减去测验管读数)。利用累计沉降量比上测点下土层起始厚度得到的累计沉降率来度量大坝内部的垂直位移，坝体内部垂直位移分布随时间和空间分布的情况如图10、图11所示。

图10 坝体内部垂直位移时间分布

图11 坝体内部垂直位移空间分布

图10监测结果表明，尽管测值过程线与水位的关系不明显，但总体上呈现出上升并趋于稳定。这表明坝基垂直位移随着时间的推移仍然在增大，增幅有所减小，而坝体沉降则趋于稳定。由图11可知，坝基垂直位移主要受到自重影响，其分布规律沿着各个坝段也呈现出河床段较大、边坡坝段较小的趋势，这与坝高变化基本一致。数据趋于平缓数值逐渐变小，同时EL.2525.000m高程的ES1～ES4 4个测点断面同时期沉降速率基本相同，表明沉降速率符合堆石坝一般变形规律。

因为坝体变形随库水位变化有一定的滞后性[5]，因此将坝体滞后的变形监测数据与正常监测时间的库水位进行Pearson线性相关性分析，探究大坝变形规律。

由表2可知，变形监测相对库水位监测时间滞后2个时段时，各监测点位水平位移与库水位均呈正相关关系，在库水位和坝体变形监测同步时，各监测点位与库水位均呈负相关，说明大坝的变形相对于库水位变化具有滞后性，且大概滞后2个监测时段。由于观测数据较少，得到的结论较模糊，因此后续需加强对大坝变形的监测，分析比较数据，得到较可靠的结论。

表2 监测点垂直位移与库水位相关系数表

4 结语

本文研究结果表明，表面变形监测中坝体水平位移分布与坝体填筑高度相关，高程越大，位移越大。坝体表面沉降均匀、稳定，垂直位移随吋间仍有增大趋势，但数据趋于平缓且数值逐渐变小，符合面板堆石坝一般沉降规律。表面变形监测中坝体顶部监测点与库水位呈正相关关系，即库水位升高坝体沉降增大，库水位减小，坝体沉降量减小，这一点也与张博等对丰满大坝的垂直位移监测结果相一致[6]。而大坝下游坡面处监测点与库水位呈负相关，可能因为坝低处监测点受库水位上升导致坝体内渗流浸润线升高，更多的土体被渗水浸泡膨胀出现坝体上升，库水位下降造成浸润线下降，从而坝体出现沉降。内部变形监测中，大坝向下游变形的水平位移规律与填筑高度相一致，即填筑高度越大，向下游的水平位移越大。坝体垂直位移随时间仍有增大趋势，但增幅减小，坝体沉降趋于稳定，内部沉降较库水位变化滞后2个监测时段，滞后的内部沉降位移与库水位呈正相关。大坝变形监测是土石坝的重要监测项目，大坝位移是大坝工作性态的综合反映，是判断大坝安全与否重要标准[7]。本文通过对大坝表面和内部的变形监测，挖掘土石坝变形规律，揭示其变形特性及安全形态，对大坝的安全运行具有重要意义。