芹山混凝土面板堆石壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與成果初步分析

1、芹山混凝土面板堆石壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與成果初步分析 芹山混凝土面板堆石壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與成果初步分析吳樹(shù)延（福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，福建 福州350001） 關(guān)鍵詞：混凝土面板堆石壩；監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)；監(jiān)測(cè)成果分析；芹山水電站 摘 要：芹山混凝土面板堆石壩大壩監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目有：混凝土面板壩內(nèi)外部水平、垂直位移，面板與趾板之間周邊縫變形，面板之間垂直縫開(kāi)合度及面板撓曲變形等監(jiān)測(cè)；混凝土應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)；壩體、壩基滲透壓力和滲流量，繞壩滲流量等滲流監(jiān)測(cè)。對(duì)已取得的監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行初步分析，并與類似工程進(jìn)行對(duì)比后認(rèn)為，芹山混凝土面板堆石壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)是科學(xué)合理的，大壩處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。1工程概況 芹山水電站是穆陽(yáng)溪梯級(jí)開(kāi)發(fā)中

2、的第一級(jí)水電站，水庫(kù)總庫(kù)容2.65億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容1.95億m3，是具有多年調(diào)節(jié)性能的“龍頭”水庫(kù)，電站總裝機(jī)容量70 MW，多年平均發(fā)電量1.45億kWh。壩址處河谷狹窄，深切呈“V”形，兩岸山體雄厚、地形基本對(duì)稱，壩址工程地質(zhì)條件良好。樞紐建筑主要由攔河壩、主要由攔河壩、溢洪道、引水系統(tǒng)、地面廠房及開(kāi)關(guān)站等組成。 芹山水電站工程攔河壩為混凝土面板堆石壩，水庫(kù)正常蓄水位755.0 m，壩頂高程760.0 m，壩基最低高程638.0 m，最大壩高122.0 m，壩頂長(zhǎng)259.8 m，壩頂寬9.0 m。 攔河壩于1998年1月開(kāi)始填筑，3月底大壩全斷面填筑至657.0 m高程后，隨即進(jìn)行壩面過(guò)水

3、保護(hù)，汛期壩面過(guò)水；汛后于1998年9月開(kāi)始?jí)误w二期填筑，到1999年2月底臨時(shí)斷面填筑到720.0 m高程，之后開(kāi)始澆筑一期混凝土面板；1999年10月11日導(dǎo)流洞下閘水庫(kù)蓄水，同年12月底大壩全斷面填筑至756.0 m高程；2000年1月開(kāi)始澆筑二期混凝土面板，2000年7月初大壩填筑完成至壩頂760.0 m高程。2大壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)21監(jiān)測(cè)項(xiàng)目 為了確?；炷撩姘宥咽瘔蔚陌踩\(yùn)行，通過(guò)對(duì)大壩進(jìn)行原型監(jiān)測(cè)及資料反饋，達(dá)到監(jiān)視大壩的運(yùn)行狀態(tài)，驗(yàn)證有關(guān)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法的目的；同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)，在施工過(guò)程中可進(jìn)一步檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性及評(píng)價(jià)施工質(zhì)量。該工程大壩監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目有變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)和滲流監(jiān)測(cè)

4、三大類。2.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置及儀器埋設(shè)成活率2.2.1變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng) 平面監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)由左右岸共10個(gè)點(diǎn)組成，以邊角網(wǎng)的形式采用TC2002全站儀按二等邊角網(wǎng)技術(shù)要求進(jìn)行觀測(cè)；高程監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)由左右岸共4個(gè)點(diǎn)組成兩個(gè)閉合環(huán)線，采用NA3003水準(zhǔn)儀按國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求進(jìn)行觀測(cè)。2.2.2變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng) （1）表面變形監(jiān)測(cè)。在壩頂防浪墻、壩頂下游側(cè)、壩下游坡以及上游面板上沿平行壩軸線布置7排共61個(gè)水平、垂直位移測(cè)點(diǎn)，水平位移（橫向和縱向位移）采用極坐標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，垂直位移采用三角高程法進(jìn)行觀測(cè)。 （2）內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)。在大壩河床部位的橫剖面，作為壩體內(nèi)部水平、垂直位移的觀測(cè)斷面，每隔19 m分4個(gè)高

5、程布置測(cè)點(diǎn)。分別布置2組7測(cè)點(diǎn)引張線水平位移計(jì)和4組15測(cè)點(diǎn)水管式沉降儀，各高程上的引張線水平位移計(jì)和水管式沉降儀分別通過(guò)相應(yīng)高程附近下游壩坡上的觀測(cè)房?jī)?nèi)的量測(cè)設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)；各觀測(cè)房旁均設(shè)有表面變形觀測(cè)點(diǎn)，可測(cè)出觀測(cè)房自身的位移量。 （3）周邊縫、垂直縫變形監(jiān)測(cè)。在河床部位周邊縫上布置1組二向測(cè)縫計(jì)，在左右岸周邊縫上各布置5組三向測(cè)縫計(jì)，在靠近兩岸壩肩部位面板的張性縫區(qū)域，各布置2支測(cè)縫計(jì)。2.2.3面板應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 在混凝土面板內(nèi)、面板可能的受壓區(qū)和受拉區(qū)內(nèi)，沿不同高程布設(shè)應(yīng)變計(jì)組、鋼筋計(jì)和無(wú)應(yīng)力計(jì)。共設(shè)置二向應(yīng)變計(jì)組9組、四向應(yīng)變計(jì)組5組、無(wú)應(yīng)力計(jì)7支和鋼筋計(jì)8支，由壩頂三座觀測(cè)房進(jìn)行

6、集中觀測(cè)。2.2.4滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 滲流監(jiān)測(cè)包括壩基滲透壓力、滲流量和繞壩滲流量等。在河床兩側(cè)壩基設(shè)置2支滲壓計(jì)，左右岸壩基各設(shè)置1支滲壓計(jì)；在大壩下游河床設(shè)置一座量水堰；在大壩左右岸各設(shè)置1個(gè)地下水位觀測(cè)孔，以監(jiān)測(cè)大壩蓄水后兩岸巖體的繞滲情況。2.2.5儀器埋設(shè)成活率 工程內(nèi)部觀測(cè)儀器實(shí)際總成活率（包括不可抗拒的原因）為87.1%，其中施工干擾破壞占4.3%、儀器自身?yè)p壞占4.3%、埋設(shè)方面引起的損壞占4.3%。3監(jiān)測(cè)成果初步分析3.1變形監(jiān)測(cè)成果3.1.1壩體表面水平、垂直位移 壩體表面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)位移成果見(jiàn)表1。從表1可知：壩體表面縱向水平位移量（X）較小，橫向水平位移量（Y）較大；左右岸有

7、向河床的縱向水平位移，但測(cè)值均不大；Y最大值發(fā)生在河床部位最大斷面附近，上游面最大測(cè)值38.1 mm，下游面最大值56.3 mm；Z最大值與Y相似，也發(fā)生在河床部位最大斷面附近，但測(cè)值比水平位移值大，上游面最大值為81.7 mm，下游面最大值為66.0 mm。 此外，在施工期，主要受壩體填筑過(guò)程和堆石體齡期的影響，Z變化速率最大，Y次之，X最小；在蓄水初期，主要受堆石體齡期和庫(kù)水位的變化影響，當(dāng)壩體填筑高度和庫(kù)水位基本不變時(shí)，堆石體齡期的影響是主要的，Z變化速率最大，X次之，Y最??；庫(kù)水位對(duì)位移的影響中，Y變化速率最大，X和Z次之；外界氣溫的變化對(duì)壩體位移的影響不明顯。3.1.2壩體內(nèi)部水平、

8、垂直位移 （1）壩體內(nèi)部水平位移。高程697.0 m和735 m水平位移計(jì)觀測(cè)成果見(jiàn)圖1、2。從圖1、2可以看出：水平位移變化速度與庫(kù)水位上升速度有密切的關(guān)系，特別是在水庫(kù)蓄水初期庫(kù)水位上升較快期間，水平位移變化的較快（0.60.8 mmd）；當(dāng)庫(kù)水位上升到700 m高程以上且?guī)焖幌鄬?duì)穩(wěn)定階段，水平位移的變化也相對(duì)較緩，且水平位移過(guò)程滯后于庫(kù)水位約20多天。施工期和蓄水初期壩體內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的水平位移方向均朝向下游，截止到2000年9月24日，大壩內(nèi)部水平位移最大值：高程697.0 m處為96.0 mm，高程735.0 m處為22.0 mm。 （2）壩體內(nèi)部垂直位移。壩體最大斷面678.0 m和

9、697.0 m高程處各測(cè)點(diǎn)垂直位移變化過(guò)程見(jiàn)圖3、4。在同一高程上，壩體內(nèi)部垂直位移測(cè)值在壩軸線的測(cè)點(diǎn)最大，向壩軸線上游測(cè)值逐漸減小，如高程697.0 m從壩軸線往上游的4個(gè)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖4)，2000年9月24日實(shí)測(cè)累計(jì)值分別為655.0、517.0、405.0 mm和209.0 mm，分別約占總壩高的0.54%、0.42%、0.33%和0.17%。在水庫(kù)蓄水之前，壩體填筑時(shí)間越長(zhǎng)，則壩體后期垂直位移越小，且在高程低處前期垂直位移量占總垂直位移量的比例比高處大，如高程678 m的4個(gè)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖3)蓄水前垂直位移量分別占總垂直位移量的57%、57%、71%和76%，而高程697 m的4個(gè)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖

10、4)蓄水前垂直位移量分別占總垂直位移量的31%、57%、64%和67%。3.1.3周邊縫和垂直縫變形 實(shí)測(cè)周邊縫三向位移值：左岸垂直于周邊縫的張開(kāi)值為8.1 mm，最大閉合值為9.3 mm；平行于周邊縫的最大滑移（剪切）值6.6 mm；垂直于面板的最大沉陷值為7.1 mm。右岸垂直于周邊縫的張開(kāi)值為6.6 mm，最大閉合值為7.8 mm；平行于周邊縫的最大滑移（剪切）值11.2 mm；垂直于面板的最大沉陷值為15.0 mm。周邊縫變形主要受庫(kù)水位和外界溫度的影響，張開(kāi)度或閉合度受外界氣溫影響較明顯，而滑移和沉降受庫(kù)水位的影響較明顯。周邊縫變形蓄水初期隨庫(kù)水位的升高而迅速增大，庫(kù)水位上升速度快，

11、周邊縫變形速率也大，但隨后變化速率減少，變化趨勢(shì)逐漸趨向平緩。受岸坡開(kāi)挖形狀的影響，左右岸周邊縫最大測(cè)值發(fā)生在岸坡較陡或坡度變化部位附近。實(shí)測(cè)面板最大張開(kāi)值為1.9 mm，測(cè)值不大。3.2面板應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)成果 面板混凝土應(yīng)變以壓應(yīng)變?yōu)橹?，面板變形總體上大致呈“鍋底形”，僅在局部邊角區(qū)出現(xiàn)較小的拉應(yīng)變。河床部位面板實(shí)測(cè)應(yīng)變量最大值為：水平向最大壓應(yīng)變?cè)诟叱?97.0 m處為-37810-6，相應(yīng)順坡向壓應(yīng)變?yōu)?17910-6；順坡向最大壓應(yīng)變?cè)诟叱?66.0m處為-35210-6，相應(yīng)水平向壓應(yīng)變?yōu)?26610-6；順坡向最大拉應(yīng)變?cè)诟叱?35.0 m處為15210-6，相應(yīng)水平向壓應(yīng)變?yōu)?17

12、810-6。左岸部位面板實(shí)測(cè)應(yīng)變量最大值為：水平向最大壓應(yīng)變?cè)诟叱?97.0 m處為-10910-6，相應(yīng)順坡向壓應(yīng)變?yōu)?12210-6；順坡向最大拉應(yīng)變?cè)诟叱?16.0 m處為3010-6，相應(yīng)水平向壓應(yīng)變?yōu)?9010-6。右岸部位面板實(shí)測(cè)應(yīng)變量最大值為：水平向最大壓應(yīng)變?cè)诟叱?16.0 m處為-14810-6，相應(yīng)順坡向壓應(yīng)變也為最大值-12110-6；順坡向最大拉應(yīng)變?cè)诟叱?35.0 m處為4610-6，相應(yīng)水平向壓應(yīng)變?yōu)?5510-6。面板應(yīng)變一方面隨庫(kù)水位升高，壓應(yīng)變?cè)龃?，?yīng)變沿最大坡面上的分布圖形類似撓曲變形圖形；另一方面，隨混凝土溫度升高，混凝土膨脹壓應(yīng)變減小，而拉應(yīng)變?cè)龃?。根?jù)已建工程資料統(tǒng)計(jì)，面板壓應(yīng)變一般在-10010-6-40010-6之間，拉應(yīng)變一般在10010-6以下。因此與其他類似工程相比，本工程混凝土面板的壓應(yīng)變不大，僅河床面板高