混凝土双曲拱坝安全监测资料分析

2024-02-04陈旭光李洪强

小水电 2024年1期

陈旭光，施旷，李洪强

(1.宁海县水利水电工程质量监督站，浙江宁海 315600 ；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江杭州 310020； 3.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020)

0 引言

随着水利水电工程在经济社会中作用增强，有关部门越来越重视大坝安全监测。大坝安全是直接影响水利水电工程功能与作用的重要因素，因此，其安全监测对于保持工程的顺利运行具有重要的意义与作用[1]。

我国的大坝安全监测开始于20世纪50年代中期，60年代逐步开始研制和生产各种监测仪器；80年代后研制了倾斜仪、水位计等新设备；90年代后，开发研制了许多现代化的方法和监测设施，如自动化监测系统[2]等。发展至今已有70 a的研究历史，但是总体还存在着较多的问题；例如，监测手段滞后，监测数据处理不及时，缺乏监测标准，数据分析软件效率较低等[3]。

因此，结合某电站近7 a的安全监测资料，对其进行相关分析，以期为大坝安全监测工作提供参考。

1 概述

1.1 工程概况

某水电站坝址以上控制流域面积132 km2，多年平均流量4.8 m3/s，水库正常蓄水位408 m，总库容3 820万m3，装机容量3.6万kW，保证出力0.42万kW，多年平均发电量7 740万kW·h，装机年利用小时2 150 h。水库规模为中型水库，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，永久性水工建筑物正常设计洪水频率为50年一遇(P=2%)，校核洪水频率为500年一遇(P=0.2%)。水电站以发电为主，水库兼有淡水养殖等综合运用，枢纽建筑物由拦河坝、二道坝、发电引水隧洞和压力引水钢管、地面式厂房和开关站组成。

大坝为混凝土三心变厚双曲拱坝，正常蓄水位408 m，死水位385 m，坝顶高程416 m，防浪墙顶高程417.2 m，拱冠梁处坝顶宽4.5 m，坝底宽14.72 m，最大坝高82.0 m，厚高比0.179 5，坝顶外弧长279.40 m，顶拱中心角90.12°。坝顶中央设三孔净宽为40.50 m的开敞式自由溢洪道，堰顶高程408 m。溢流堰为全椭真空型实用堰，落差式鼻坎挑流，并利用下游混凝土施工围堰作为二道坝，以形成水垫消能。

1.2 监测项目布置情况

大坝安全监测的主要项目包括大坝表面监测、大坝接缝变形监测、大坝渗流监测、大坝渗流量和大坝边坡深层位移监测等，其中渗流、大坝深层位移、接缝变形等观测项目采用自动化监测系统，分别采用渗压计、固定式测斜仪和测缝计监测；大坝表面变形观测采用人工观测。

1.2.1 表面变形布置

大坝表面变形测点共12个，编号为LD1～LD12。其中1号坝段设置测点LD1，2号坝段设置测点LD2，4号坝段设置测点LD3，7号坝段设置测点LD4、LD5，8号坝段设置测点LD6，9号坝段设置测点LD7，10号坝段设置测点LD8、LD9，13号坝段设置测点LD10，14号坝段设置测点LD11，16号坝段设置测点LD12。在左右两岸设置2个工作基点，编号为LS1、LS2。

1.2.2 大坝接缝变形布置

在坝体廊道内上游侧分缝处布设双向测缝计，共8组，编号为：J5_1～J12_1，采用不锈钢保护箱对测缝计进行保护，同时在廊道内布设1支温度计。

1.2.3 渗流监测布置

(1)绕坝渗流布置

在大坝坝顶右坝肩灌浆平洞口设1支测压管，编号为RC1；在右岸坝肩下游边坡423 m高程和下游贴坡380 m高程各布设1支测压管，编号为RC2、RC3；在大坝左岸下游山坡415 m高程、398.81 m高程和385.65 m高程各布设1支测压管，编号分别为RC4、RC5和RC6。绕坝共布置6支测压管，每根测压管内置1支渗压计。

(2)坝基扬压力

大坝基础灌浆廊道5～13号坝段的排水幕线上共布设有9个扬压力孔，其中扬5_1、扬13_1两支扬压力孔布置于廊道的两端，其他7支扬压力孔均布置在各坝段中部；每根测压管内置1支渗压计，共9支，编号为Y5_1～Y13_1。

(3)下游贴坡扬压力

为了解坝后右岸下游贴坡与基岩间的水压力情况，在375 m高程和385 m高程各布置1个扬压力孔，每根测压管内置1支渗压计，编号为PY1、PY2。

1.2.4 大坝渗流量监测布置

在大坝廊道左右岸上下游侧各安装1套量水堰装置，共4套。

1.2.5 大坝边坡深层位移监测布置

在右坝肩边坡共布置4个测斜孔，其中上游边坡423.62 m高程和429.46 m高程处各布设1孔，下游贴坡395.36 m高程和375.24 m高程各布设1孔。在测斜孔内埋设有十字导向槽的测斜管，在测斜孔内安装固定式测斜仪，4只测孔共布置21个测点，测点编号：IN1_1～IN1_7、IN2_1～IN2_5、IN3_1～IN3_5、IN4_1～IN4_4。

2 监测资料分析

具体的监测项目如表1所示。

表1 监测项目汇总表

2.1 环境量

环境量包括库水位和降雨量。

2.1.1 库水位

2016—2021年，最高水位出现在2019年8月10日，为412.15 m；最低水位出现在2021年7月23日，为387.82 m。2022年，最高水位出现在6月21日，为405.89 m；最低水位出现在11月7日，为390 m；年平均库水位为396.34 m，全年水位未超过正常蓄水位和设计洪水位。

2.1.2 降雨量

(1)2016—2021年最大日降雨量为220 mm，出现在2016年9月15日；最大3 d降雨量为304 mm，出现在2016年9月13日—9月15日；最大月降雨量为498.5 mm，出现在2016年9月。

(2)2022年，最大日降雨量为50 mm，出现在8月27日；最大3 d降雨量为88.5 mm，出现在8月30日—9月1日；最大月降雨量为214.5 mm，出现在6月；总降雨量为1 265.75 mm，降雨天数为133 d。

2.2 表面变形监测资料分析

表面变形监测数据时段是2016年1月—2022年12月。

2.2.1 水平位移

(1)径向位移

2016—2022年，主坝向下游最大位移为6.19 mm，向上游最大位移为40.65 mm；截止到2022年12月31日，最大累计位移为24.66 mm，出现在测点LD6。总体上看，目前坝体坝体径向位移呈周期性变化，未呈现趋势性的增大现象，详见图1。

图1 坝顶测点径向水平位移变化过程线

(2)切向位移

2016—2022年最大累计位移为14.34 mm，为测点LD9，位于坝轴线1/4～1/3处，符合拱坝切向位移变化一般规律。大坝切向位移变化较稳定，最大年位移量为9.28 mm，其他测点均在9 mm以内，未发生大的变幅，详见图2。

图2 坝顶测点切向水平位移变化过程线

2.2.2 垂直位移

2016—2022年，大坝垂直位移沉降最大值为1.57 mm，为测点LD12，为16号坝段；抬升最大值为8.53 mm，出现在测点LD7，为9号坝段。大坝垂直位移随气温呈周期性变化，坝体表面垂直位移变形性态基本稳定。沿坝纵轴线看，坝体垂志位移呈现中间大两头小的规律，符合坝体垂直变形的基本规律，详见图3、图4。

图3 坝顶测点垂直位移变化过程线

图4 测点沿坝轴线纵向分布图

2.3 大坝接缝开合度监测资料分析

2016—2022年，大坝接缝张开度最大值为0.08 mm；大坝接缝闭合最大值为1.08 mm。近7 a的数据变化随气温呈周期性变化，规律性很好。各测点累计变形量均小于等于1 mm，开合度较小，大坝接缝变形处于合理范围内，接缝开合度变化趋势较平缓，基本稳定，详见图5。

图5 接缝开合度过程线图

2.4 坝体渗流监测资料分析

2.4.1 绕坝渗流

大坝右岸3个测压管水位与库水位呈一定相关性，但未呈现趋势性变化，渗流状态基本稳定。测点RC6水位高于库水位，主要受山体地下水影响，其水位变化受库水位一定程度的影响较小；RC4和RC5与库水位相关性不明显，左岸绕渗现象不明显，详见图6。

图6 绕坝测压管水位过程线图

2.4.2 坝基扬压力系数

坝基扬压力系数计算公式如下：

当HX≥HC时：=(HP-HX)/(HS-HX)

当HX

式中，HP为测压孔水位(m)；HS为上游库水位(m)；HX为下游水位(m)；HC为基岩高程(m)。

2016—2022年扬压力系数最大值为0.70，为测点Y9_1，岸坡测点Y5_1、Y6_1和Y12_1扬压力系数均超过0.35，与库水位相关性明显。扬压力系数增大集中在5月20日至8月25日内。为减小扬压力系数，2022年10月于5、6、9、11坝段新造5个排水孔。新造孔后，5、6、9坝段扬压力系数明显下降，详见图7。