南水北调东线大屯水库表面变形安全监测监控指标研究

张 哲

(中国南水北调集团东线有限公司，北京 100070)

1 工程概况

南水北调东线一期工程自长江下游江都水利枢纽引长江水，通过13级泵站提级北送至东平湖，出东平湖后自流至德州、济南等地。自2013年正式通水以来，已积累了较长系列的泵站安全监测数据，具备开展安全监测指标研究的基本条件[1]。大屯水库作为南水北调东线工程山东境内的调蓄水库之一，是山东省鲁北输水工程的重要组成部分，其主要任务是调蓄南水北调东线向德州市德城区和武城县城区城市居民和工业供水的水量，保障南水北调东线鲁北输水工程完成供水目标[2]。

2 研究思路及对象

2.1 研究思路

本文以南水北调东线工程大屯水库围坝体2015—2018年安全监测数据为基础，通过对大屯水库运行特点和监测结果及围坝体表面变形数据进行分析，探索研究表面变形观测特征值，确定长期运行安全监测监控指标[3]。

2.2 研究对象

关键部位：围坝体。

关键安全监测项目：垂直位移、水平位移。

3 变形监测点布置及数据分析

3.1 监测点布置

大屯水库布置有大坝内外观变形、渗流、土压力、降水量及气温等监测点。其中，表面变形观测桩号0+960、1+810、2+810、3+910、4+910、5+910、6+910、8+010和8+910共9个断面设有表面变形监测点，每个断面布设3个测点，用于运行期表面位移观测(见表1)，其中，各个断面1号测点(如DTD1-1)位于坝体内侧，2号测点(如DTD1-2)位于坝体顶部，3号测点(如DTD1-3)位于坝体外侧。

表1 大屯水库围坝体安全监测表面变形观测仪器设施统计

3.2 监测资料分析

根据选取的大屯水库工程关键部位及关键监测项目，以大屯水库围坝体为对象，基于原型观测资料，重点分析其时空变化规律和特点，分析探索各效应量监测数据与环境量变化的相关性。

各监测成果的符号规定如下：表面垂直位移：下沉为正，反之为负，单位为mm；表面水平位移：向北为正，向东为正，反之为负，单位为mm。

3.2.1 垂直位移数据分析

垂直位移从2014年12月15日开始监测，并以该日作为累计垂直位移的基准日。本次分析的监测资料截至2018年6月，每年监测3～5次。特征值从2015年开始统计至2018年(见表2)。

表2 垂直位移安全监测数据 单位：mm

由表2可知：

对垂直位移的特征值进行分析，至2018年6月，坝体内侧垂直位移最大值在22.72～45.14mm，最大沉降发生在DTD7-1测点(6+910断面)，最小沉降发生在DTD8-1(8+101断面)；坝顶垂直位移最大值在17.81～47.17mm，最大沉降发生在DTD5-2测点(4+910断面)，最小沉降发生在DTD6-2测点(4+910断面)；坝体外侧垂直位移最大值在8.89～35.60mm，最大沉降发生在DTD6-3(5+910断面)，最小沉降发生在DTD5-3(4+910断面)。其中，最大沉降值为47.17mm，发生在2018年的4+910断面坝体顶部。

对垂直位移的年变幅进行分析，从27个测点来看，共有19个测点年变幅最大值出现在2015年，占比70.4%，1个测点年变幅最大值出现在2016年，6个测点年变幅最大值出现在2017年，1个测点年变幅最大值出现在2018年；从9个监测断面来看，共有4个断面的全部3个测点年变幅最大值均出现在2015年。以上情况反映出，垂直位移沉降年变幅最大值为2015年，说明蓄水初期沉降量相对较大。

对年度垂直位移变幅进行分析，2015年最大变幅为13.23mm，发生在DTD7-1测点(6+910断面坝体内侧)；2016年最大变幅为7.01mm，发生在DTD4-2测点(3+910断面坝顶)；2017年最大变幅为9.23mm，发生在DTD5-2测点(4+910断面坝顶)；2018年最大变幅为14.55mm，发生在DTD7-1测点(6+910断面坝体内侧)。变幅较大的2015年和2018年，最大值分别出现在当年的4月和3月，正是水库大量抬升阶段。

对年均值进行分析，至2018年6月，27个测点的累计沉降量的年均值逐渐增长，最大增长出现在2017—2018年的DTD5-2测点(4+910断面坝顶)，增量为12.83mm，其他时间内年增长量约在6～10mm，各年变化速率较为均衡。

对垂直位移的时空规律进行分析，各断面3个测点中，库区内侧(1号测点)和坝顶测点(2号测点)的累计沉降量非常接近，过程线几乎重合，这两个测点的沉降量略大于库区外侧测点(3号测点)，但3个测点的沉降速率基本保持一致。从2014年12月至2018年6月，各断面沉降尚未趋稳，年平均沉降速率约在4～13mm，其中2015年5—7月、2017年3—6月和2018年3—6月三个时间段内的沉降速率较大，对比库内水位来看，这三个时间段内库水位正大幅增长，增幅为5～8m，说明坝体垂直位移除了随时间缓慢均匀下沉外，还受水库蓄水影响。

3.2.2 水平位移数据分析

水平位移从2014年12月15日开始监测，本次分析的监测资料截至2018年6月，每年监测2～4次。特征值从2015年统计至2018年(见表3)。

表3 水平位移安全监测数据 单位：mm

由表3可知：

对水平位移的特征值进行分析，累计向北位移最大值为-9.6～26.95mm，其中向北最大位移出现在2017年3月的DTD4-3测点(3+910断面坝体外侧)，向南最大位移出现在2018年3月的DTD5-3测点(4+910断面坝体外侧)。累计向东位移最大值为-5.4～32.45mm，其中向东最大位移出现在2017年6月的DTD1-1测点(0+960断面坝体内侧)，向西最大位移出现在2017年6月的DTD4-3测点(3+910断面坝体外侧)。

对水平位移最大年变幅数据进行分析，南北向最大年变幅45.6mm，发生在DTD4-1测点(3+910断面坝体内侧)；东西向最大年变幅62.1mm，发生在DTD1-1测点(0+960断面坝体内侧)。

对水平位移均值进行分析，各断面南北向位移均值在-17.24～13.39mm区间内，东西向位移均值在-21.04～14.18mm区间内，两个方向的位移均值量级基本相当。

对水平位移的时空规律进行分析，各断面水平位移总体平稳，相邻测值变幅较大，但没有趋势性。

4 监控指标分析

4.1 监控指标分析

4.1.1 垂直位移监控指标分析

根据前述资料分析成果，围坝体垂直位移测次不多，每年仅3～5个测次，且目前各处沉降变形尚未完全稳定，因此不适合使用置信区间法及典型监测效应量的小概率法建立监控指标。通过对比发现，围坝断面沉降虽尚未趋稳，但沉降量与水位增幅及速率有较大关系。考虑到库内水位已有两个年份到达设计最大水位29.8m，分别为2017年5月23日18时以及2018年6月6日22时，因此，针对围坝体表面垂直位移监测项目，选取历史不利工况下的最大沉降速率建立监控指标。

进一步分析大屯水库库内水位发现，库水位分别在2015年、2017年和2018年出现三次显著抬升(见表4)。由表4可知，三次抬升中，水位增幅最大为2017年的第二次抬升，增长量为7.84m，历时53天；平均每日增幅最大为2018年的第三次抬升，库水位平均每日增幅0.166m。

表4 大屯水库库内水位三次抬升特征值统计

垂直位移监测基本为每个季度一次，如2015年监测日为4月15日和7月15日，2017年和2018年均为每年的3月15日和6月15日。垂直位移监测的两个测次均已覆盖了水位的增长起始与结束日。因此，通过统计水位抬升期间垂直位移的平均变化速率，取三个年份内的最大变化速率作为监控指标。

4.1.2 水平位移监控指标确定及分析

围坝断面表面水平位移测次较少，每年观测2～4次。基于已有观测成果发现，各断面水平位移总体平稳，虽相邻测值变化较大，但没有趋势性。因此，针对围坝体表面水平位移监测项目，采取控制变化极值的思路，选取运行期间各方向变形极值作为其监控指标。

4.2 研究结论

大屯水库围坝表面沉降受库内高水位影响较明显，在2015年、2017年和2018年三年的通水运行期间库内水位接近或达到设计最高水位29.8m，对应时段内的沉降速率明显升高。目前各部位沉降变形尚未趋稳，最大沉降约47mm，2018年最大沉降增幅14.55mm。经对9个断面27个测点4年来垂直位移最大值、最大变幅和年均变化量进行比对分析，结合水库水位变化特征，最终选取2015年、2017年和2018年三年的最大变化速率作为监控指标。

大屯水库围坝水平位移总体平稳，虽相邻测值变化较大，但没有趋势性。各断面东西向位移均值在-21.04～14.18mm，南北向位移均值在-17.24～13.39mm。两个方向的位移均值量级基本相当。经对9个断面27个测点4年来水平位移最大值、最大变幅和均值进行比对分析，选取各方向变形极值作为其监控指标。

5 结 语

南水北调东线一期工程于2002年12月27日开工建设，2013年11月15日全线通水。随着运行期间各阶段安全监测数据的积累，分析各建筑物安全运行性态，开展关键部位安全监测监控技术指标研究工作，能够有效指导后续工程运行的风险防控和维修养护，是南水北调东线工程安全平稳运行的重要参考。同时，本文有关研究，对于通过信息化手段管理水利工程项目具有指导作用，对于南水北调未来安全监测发展具有一定借鉴作用，对于维护南水北调“四条生命线”重要使命、切实履行“三个安全”责任具有现实意义。