某水库大坝观测资料及其运行性状分析

刘东升

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐830000)

水库位于新疆阿勒泰地区福海县境内，其大坝位于额尔斯河峡谷出口处，为黏土心墙砂砾石坝。大坝全长为1 900 m，70.6 m为最大坝高，2.82 亿m3为水库总库容，645.0 m为正常蓄水位。

大坝主一座、副坝两座，主坝与副坝最大坝高相差较大，主坝两侧坝肩与两边副坝之间的连接部分，主要是主、副坝高差较大，特别是主坝左坝肩的坡度较陡，该部位心墙黏土料随压强的增大而体积缩小的变化较大，将导致发生不均匀沉降，遇水会受热，从而其中的粒子运动速度就会加快，占据了额外的空间，同时黏土料在无外力作用下，放置在空气中，因水分蒸发所引起的尺寸变化较大;副坝中右坝坝基岩石风化严重，且有断层通过心墙;此处裂隙发育，坝基的透水性大。

因此，为了大坝安全稳定，在坝体内部及外观测量中放置对大坝施工期和蓄水运行期的性状进行全过程监测相对完好的一系列观测系统，使各建筑物处于良好的工作状态，延长工程使用年限，确保水库工程安全，发挥好工程效益。

大坝于1999 年建成，于次年5 月顺利通过下闸蓄水阶段验收，水库水位在第二年7 月达到汛限水位和正常蓄水位645.0 m，截至2015 年水库已正常运行了13 a，发挥了重要的社会、生态和经济作用。

1 介绍水库大坝变形、渗流和位移等仪器埋设放置

为了全面掌握水库工作状态，监视工程安全;服务工程运行，提高工程效益;检验设计与施工，促进坝工科技发展，通过水利设计院提供方案，对下列监测仪器作如下安排:

1)大坝外部变形观测。在主坝上游坝坡、下游坝肩、坝坡和马道，布设4 排平行坝轴线的观测点，测点间距为5 ～50m，合计40 个测点，均同时作为竖向和水平位移的观测点。右副坝的上游坝坡、下游坝肩和坝坡布设3 排平行坝轴线的观测点，测点间距为50m，合计23 个测点，只作为竖向位移的观测点。主要目的是观测大坝在施工和运用期间是否稳定和安全。

2)大坝各部位与岸坡接触表面对水工建筑物及其地基内由渗流形成的浸润线、渗透压力、渗流量和渗水水质等的观测叫渗流观测。为了更好的观测坝基帷幕灌浆和心墙固结灌浆防渗效果，大坝安装了146 支钢弦式孔隙水压力计:水库大坝主坝4 个部位截面、左副坝2 个部位截面，右副坝3 个部位截面，共划分为9 个区域。坝体和主坝心墙与岸坡接触面对水工建筑物及其地基内由渗流形成的浸润线、渗透压力、渗流量和渗水水质等的观测共划分为5 个区域，左副坝1 个部位截面、右副坝1 个部位截面、主坝1 个部位截面为最大断面、左坝肩1 个部位截面、右坝肩1 个部位截面。

3)黏土心墙形变:沉降测斜观测，布置此仪器的目的是为了观测防渗黏土心墙在施工过程中和蓄水运行工作期间所发生的变形:沿坝垂直轴线和平行轴线两个方向的位移。防渗心墙中心线周围6 个区域分别布置6 根沉降测斜管，主坝及其左右坝肩4个部位截面，右副坝2 个部位截面。

4)防渗心墙与岸坡混凝土垫层间的水平和剪切位移变化。在主坝左坝坝肩和右副坝断层部位共埋设22 支TS 型电测位移计:左坝坝肩上下游埋设布置了18 支，右副坝断层处埋设布置了4 支。

主坝坝体仪器布置纵剖面图(见图1);大坝外部变形测点示意图(见图2);典型横断面(0+870)观测仪器布置(见图3)。

图1 主坝仪器布置纵剖面图

图2 大坝外部变形测点示意图

图3 桩号(0+870)观测仪器埋设布置

2 大坝观测资料分析的意义和目的

大坝安全监测的目的是为了在确保工程安全的前提下，更好地发挥工程效益。

2.1 大坝安全监测分析

1)水库大坝表面的变形观测点在水库蓄水后才进行安装的，第一次观测时间为2000 年6 月。自大坝蓄水截止到2012 年坝体表面竖向位移累计沉降量最大为481 mm(发生在上游坡测点0+960 断面处)，是坝高的0.71%，在同类土石坝中沉降量属于中等。蓄水后的2 年的沉降量约占累计沉降量的60%，此后逐年减少，表明坝体沉降逐步趋于稳定。

2)对主坝两坝肩的沉降进行观测，在左右两坝肩的坝顶下游处每相隔5 m的位置就埋设一个表面变形测点仪器，从2000 年蓄水至今:左右两坝肩的沉降变化基本一致，变化不明显，左坝肩两侧点间最大沉降差为31mm，计算左坝肩测点间最大倾度为0.62%，坝料的临界倾度γC=0.60%～1.40%［1］，超过坝料极限倾度下限，应加强对主坝左坝肩部位的监测。倾度计算公式为:

式中:ΔS 为两测点间表面沉降差值;ΔL 为两测点间水平距离，表面沉降点2－26 和2－27 两测点间表面沉降差最大为31 mm，水平距离5 m。

3)坝面沉降表现出明显的规律性:坝轴线上游侧的沉降值明显远远大于下游侧，水库主坝最大坝高处的沉降值也明显高于其他坝段。沉降量与覆盖层厚度有相关性，覆盖层越厚，沉降量也越大。最大沉降量发生在迎水坡0+960 断面(最大断面)，向两岸逐渐变小。坝顶下游测点的沉降为主坝两坝肩处沉降量最大，其中坝顶和下游坡测点的左坝肩沉降量大于右坝肩的，坝中间沉降量反而较小，呈马鞍型。分析为左、右坝肩为坝体接坡处，且受两坝肩渗水影响，故两坝肩沉降速度较快，沉降量较大，中间部位沉降固结时间较长，填筑压实较好，沉降量相对较小。

4)大坝坝轴线附近的6 个沉降测斜管观测的结果得出其变形规律，从施工到运行期大坝防渗心墙各部位断面最大沉降值。

表1 大坝防渗心墙各断面最大沉降值

由表1 可知，大坝最大断面0+960，其对应值为731 mm，是大坝坝高的1.05%，说明大坝防渗心墙沉降量变化最大是在施工期;水库下闸蓄水后，大坝心墙最大沉降量为997 mm，是坝高的1.43%，位于大坝610.0m 高程是最大沉降量位置，约在心墙的1/3 高度处。最大沉降4 个断面防渗心墙的过程线见图4。在0+960 断面，水库下闸蓄水初期产生了266 mm的沉降量，在防渗心墙施工时用的膨胀性防渗土料，在蓄水期发生土料饱和后压缩性比天然状态明显增大的变化。另外，在0+960 断面，蓄水时引起大坝砂砾石坝壳的最大沉降量上游为481 mm，下游为169 mm，由砂砾石料的湿陷所导致。

图4 主坝典型断面最大沉降过程线

5)表面横向水平位移:上游坡两坝肩测点向上游位移，位移量为42 mm，中间测点向下游位移，最大位移量为32 mm;下游坝坡各测点均向下游位移，从两侧向中间逐渐增大，最大位移量发生在1+060 断面，最大位移量为113 mm。坝顶以下1/3 坝高处附近横向水平位移最大，符合土石坝表面横向水平位移的一般变化规律。

6)表面变形测点观测的坝轴线方向水平位移较小，累计最大值为91mm。坝顶下游侧和下游坝坡的测点位移主要发生在两坝肩坝段，位移方向指向河床，位移量自坝肩坝段向河心逐渐减少，符合土石坝的变化规律。

7)坝体内部水平位移特点:主坝各断面测斜管观测表明:横向水平位移指向上游，位移量是从底部和顶部逐渐向中间增大，最大水平位移为48.16 mm;纵向水平位移量随高程逐渐增大，管口水平位移最大，累计最大位移值146.3 mm，指向右岸。右副坝两个观测断面的内部变形量不大。测斜管观测结果表明，大坝沿高程方向的水平位移，受上游坝壳湿陷变形影响较大;测斜管的变形量与同等规模的大坝变形量相比较，在正常范围内。

8)右副坝断层自大坝开始填筑至今，观测未产生明显位移，表明断层处于稳定状态。

9)主坝左坝肩运行期剪切向和水平向位移过程见图5:

图5 a 左坝肩岸坡剪切向位移过程线

图5 b 左坝肩岸坡水平向位移过程线

从图5 成果可看出剪切向和水平向位移，蓄水后各支仪器的位移量，随着库水位的升高也相应增加，当水库蓄至正常高水位后，接触变形逐渐趋于稳定。心墙轴线上游的水平和剪切位移值大于下游，且剪切位移大于水平位移。在施工阶段，水库水位608.0m 和613.0m 高程处心墙黏土料的极限抗拉抗剪应变小于位移变化量(εc =0.37%～0.42%)。水库蓄水一段时间后，在水库水位627.9m 高程以下测点极限抗拉抗剪应变测值也都远远小于位移变化量，截止到2012 年冬天，所对应的最大剪切应力测值和水平位移测值分别达到了183 mm 和131 mm，应变分别为15.2%和10.9%，这一结果表明大坝防渗体局部产生裂缝的可能性高。应变量公式为:

式中:S 为变形量，WY7 表示最大剪切向数值183 mm，WY6 表示最大水平向数值131 mm;L 表示有效范围为1.2m。

各位移计测点间允许最大倾度为1.4%，从图5可知此大坝最大倾度为0.83%(大于最小临界值0.6%)在范围内，位移计测点间变形的差异比较小，由此可分析得到:在水库水位同一高程处的变形值，一定是下游小于上游;而水库最大剪切向变形在水位608.0m 高程，水库最大水平向变形在水位607.2m 高程。

2.2 水库大坝渗流状态分析

1)大坝坝基渗流状态分析

通过帷幕灌浆后各观测断面的渗流测值和下游各测点的位势计算成果，来评价坝基防渗体的效果见表2。

表2 坝基内轴线下游测点位势计算表(库水位645.0m 时)

位势计算公式:式中:Φi为第i 个渗压计的位势值，%;hi为第i 个渗压计的渗压水位，m;H1、H2为上下游水位，m。

综上所述，0+960、1+060 两个断面经过灌浆帷幕后基岩内渗流，水头降低了60%以上，足以说明帷幕灌浆起到了良好的防渗作用。而0+870、1+105、1+785 三个断面的水头只降低了40%，充分说明坝基的帷幕灌浆起到的防渗效果不太理想。从0+385、0+720、1+680 三个断面的水头降低了20%～30%，只能说明坝基帷幕灌浆根本没有起到防渗效果。

2)大坝防渗体与混凝土垫层接触面的渗流状态

大坝0+870 处在混凝土垫层与心墙接触面上埋设的相关测点，2001 年3 月渗压水位与库水位相关性非常好，并于坝轴线及上游10m 的水位达到相同。通过分析资料显示:除了该断面防渗体与混凝土垫层接触变形没有达到预期效果外，该断面渗压水位变化幅度小，充分说明坝轴线下游部分的防渗体目前仍有较强的防渗能力。

在水库同一库区水位中S22、S28、S33 三支仪器的渗压水位监测结果见表3，测值表明该部位的防渗体和混凝土垫层接触部位的渗流条件在逐渐改善的同时此断面的渗压水位在逐年下降。

表3 S22、S28、S33 渗压计渗压水位统计表(库水位645.0m 时)

3)防渗体内测点的渗流状态

从防渗体坝轴线上游的测点0+720 断面638.3m 高程来看，测点水位与库水位相关性很好，说明此部位的坝体材料颗粒已在一定温度和压力下，溶液所含溶质的量达到最大限度，不能再溶解。反之坝体下游的测点水位与库水位相关性不明显，则说明防渗体的防渗效果好。

从防渗体坝轴线上游的测点0+870 断面来看，各测点的水位与库水位相关性很好，说明此部位的坝体材料颗粒已在一定温度和压力下，溶液所含溶质的量达到最大限度，不能再溶解。从2003 年3 月起坝轴线620.m 高程处，渗压水位逐渐呈上升趋势，足以说明此处已受渗流的影响，而该测点下游部位的测点测值相对稳定，无明显变化，说明下游部位还未受到水库水位的影响。

在防渗体坝轴线上游主坝0+961 断面，仪器监测渗压水位与库水位相关性好，该部位的测点处的坝体材料颗粒已在一定温度和压力下，溶液所含溶质的量达到最大限度，不能再溶解。而下游坝轴线的位置的测点测值相对稳定，无明显变化，说明下游部位还未受到水库水位的影响，同时也说明截止目前此坝段防渗体的防渗正常，见图6。

图6 a 0+960 断面582.5 高程心墙内测点孔隙水头过程线

图6 b 0+105 断面620 高程心墙内测点孔隙水头过程线

右副坝桩号1+785 部位截面防渗体内的测点中，除上游的S093、S092 和下游的S101 三支仪器监测数据以外，其它仪器监测的数据与库水位的相关性都很好，在坝轴线上安置的监测仪器未见渗水压力。综上所述，坝体心墙部位的防渗效果正常。

2.3 大坝应力分析

0+960 断面582.5 m高程上游侧和下游侧测点x、y、z 三个方向的总应力随着库水位的上升而增大，尤其上游侧测点受库水位影响更为明显。坝轴线部位测点蓄水初期x、y、z 三个方向的总应力随着库水位的上升而增大，但水库水位蓄至正常高水位645.0m 后，x 方向(上下游方向)的总应力随着库水位的变化而变化，而y、z 两个方向的总应力开始减小。主要是由于心墙在正常高水位作用下，有向下游变形的趋势，心墙顶部变形大，而心墙底部几乎不动，这样该部位心墙在z 方向出现受拉状态，导致y、z 两个方向的总应力开始减小。

通过观测资料分析，土压力计受库水位的影响是有规律性的，也就是说坝轴线上游的各测点受库水位的影响较大，而坝轴线及坝轴线下游的测点受库水位的影响较小，土压力变化主要受库水位的影响，未出现明显异常。

3 结 论

基于对上述安全监测资料和运行性状的分析，得出以下结论:

1)大坝竣工后观测到的表面沉降与内部沉降观测值较吻合，坝体内、外部水平位移和沉降分布有规律，符合心墙土石坝的变形及分布规律，表明大坝变形观测结果可靠。竣工后观测到的变形量在工程经验和规范允许范围内。

2)通过对坝体沉降速率分析可知，右副坝变形速率基本＜1 mm/100d，变形基本趋于稳定;而主坝及其两坝肩的变形速率＞1 mm/100d，说明变形尚未稳定。

3)右副坝断层部位蓄水后无明显位移，说明目前断层处于稳定状态。

4)埋设左坝肩附近的外部测点和心墙内的观测仪器均测得沉降差异较为明显，经倾度法计算最大的倾度值较为相近，且均超过坝料极限倾度下限(0.60%)。渗流分析表明，0+870m 断面坝轴线至心墙上游面心墙与岸坡混凝土垫层间可能存在剪切破坏带，但该部位上游侧自愈性反滤材料已对脱开处发挥了一定的封堵作用，近年来渗流状态有明显改善趋势，坝轴线下游部分心墙仍有较好的防渗作用。

5)大坝变形及渗流观测结果表明，防渗心墙变形小，工作正常，渗漏以坝基渗漏为主，坝体本身的渗漏很小，坝体已基本形成稳定渗流。

6)心墙与上下游坝壳之间存在变形差异，但因差异变形引起的拱效应不至于导致心墙产生水平裂缝。

［1］陈生水，霍家平，方绪顺.黏土心墙砂砾石坝工程性状分析［C］.土石坝与岩土力学:技术研讨会论文集.北京:地震出版社，2001:126－132.