成屏混凝土面板壩安全監測及運行管理

李彩霞

（浙江遂昌成屏水力發電有限責任公司，浙江遂昌323300）

1 工程概況

成屏水力發電廠位于浙江省遂昌縣境內甌江支流松蔭溪的上游，距遂昌縣城12 km。水庫流域面積為185 km2，主流長27 km，庫區多年平均降雨量1728 mm。水庫設計洪水位346.78 m（P=2%），校核洪水位349.43 m（PMF），相應總庫容5230萬m3，正常水位為346.08 m，發電死水位為324.00 m。工程以發電為主，兼顧防洪、灌溉等社會義務。

電廠水工建筑物主要包括：攔河壩、發電引水隧洞、副壩及溢洪道等設施。樞紐屬三等工程,主要建筑物為3級，主壩按2級建筑物設計。

攔河壩為混凝土面板堆石壩，壩高74.6 m，壩頂長217 m，壩頂高程為350.78 m。上、下游壩坡均為1∶1.3，下游壩坡為干砌石護面，設三座觀測房，并在302 m和326 m高程各設一條馬道，壩內設一條灌漿、觀測、交通廊道。

主壩兩岸山坡基巖大都裸露，巖性多為熔結凝灰巖。施工時大壩基坑進行了全面開挖，趾板部位絕大部分已挖至微風化～新鮮巖石，局部為弱風化基巖，河床段壩基覆蓋層施工時已挖至弱風化～微風化基巖。

工程于1985年10月開始興建，1989年6月投產發電，1991年10月工程全部竣工。

為滿足工程下游防洪要求，提高水庫防洪標準，2008～2010年對大壩及溢洪道等水工建筑物進行了改造。改造后水庫設計洪水位353.54 m（P=1%），校核洪水位354.05 m（P=0.05%），相應總庫容6094萬m3，正常水位為346.00 m，發電死水位為324.00 m。改造后的面板堆石壩壩高78.32 m，壩頂長217.70 m，壩頂高程為354.50 m。

成屏大壩是國內首批興建的幾座面板壩之一，當時設計水平、施工工藝及設備等相對落后，也無較多的工程經驗可以借鑒，加之本工程的一些具體情況，蓄水以來，大壩的運行狀況已反映出一些問題和缺陷。通過運行單位科學合理的安全監測及精心妥善的維護管理，工程至今已安全運行20余年。

2 面板壩的安全監測

成屏面板壩安全監測系統包括巡視檢查、環境量監測、變形監測、滲流監測和應力、應變及溫度監測五個部分。其中大壩變形監測系統包括大壩表面變形及大壩內部變形監測，表面變形監測通過Leica TCA1201+全站儀（前期使用T3經緯儀及NA2+GPM3水準儀）采用視準線法加EDM三角高程法觀測位移測點的水平及垂直位移，表面變形工作基點本身的位移則通過布設于大壩下游0.5～1.9 km的基準點TN1、TN2和各工作基點共同組成的大壩平面及高程變形控制網定期進行復測校核，大壩表面變形測點布置見圖1。內部變形監測通過鋼絲水平位移計及水管式沉降儀觀測壩體內部測點的水平及垂直位移。大壩滲流監測包括大壩滲流量及壩基滲流壓力監測。應力、應變監測主要包括面板應變及鋼筋應力監測。

圖1 大壩表面變形網布置圖Fig.1 Layout of dam surface deformation network

大壩表面變形觀測在視準線法加EDM三角高程法基礎上，采用了先進的技術措施，有效降低了大氣垂直折光的影響，使表面變形觀測點的位移量觀測精度高于DL/T 5259-2010《土石壩安全監測技術規范》規定的±3.0 mm，達到了預期效果。

2.1 大壩表面水平位移觀測

2.1.1 全站儀進行視準線觀測應采用小角度法

大壩表面水平位移觀測采用視準線法中的小角度法。與活動覘牌法比較，小角度法觀測視準線具有位移測點布設相對靈活的優點，即使位移測點偏離基準線一定的距離仍可進行正常觀測，后視基點可靈活布設而不一定要布設在視準線的延長線上，但工作基點應布設在視準線的延長線上。如在本工程中，壩頂水平位移基準線與面板頂部水平位移基準線共同使用后視基點TB7。

采用全站儀進行視準線觀測時應采用小角度法。使用傳統的光學經緯儀，因其沒有垂直軸傾斜自動補償功能，一旦工作基點與位移測點有較大高差，則經緯儀垂直軸傾斜引起的系統誤差將無法消除。如本工程原T3經緯儀氣泡偏離一格時，對于相對其高差為15 m的位移測點將產生約0.5 mm的系統誤差。而徠卡全站儀由于其具有“三軸自動補償”功能，可完全消除這種系統誤差。但全站儀中的“三軸自動補償”功能只是在度盤讀數中自動加入改正，并非物理上的軸系改平，所以全站儀作視準線法觀測要發揮其“補償”功能，則只能采用小角度法，而不應采用活動覘牌法。再者，全站儀望遠鏡的放大倍率均不高，用人工照準覘牌的照準誤差較大，況且TCA全站儀無水平制動設施，難以確定固定不變的基準線。

2.1.2 小角度法位移量觀測值全中誤差

小角度法位移量觀測值全中誤差計算公式為

式中L為位移測點P在上下游方向偏離基準線的距離；Mβ為小角度觀測的全中誤差；Ms為工作基點至位移測點水平距離S觀測的全中誤差；m儀中為儀器對中誤差和后視目標對中誤差，這兩項誤差不會產生累積，其綜合影響最大值將不大于其中最大的一項（如假設為儀器對中誤差）；m目標為位移測點目標偏心（對中）誤差；ρ=206265。使用同等級儀器在照準次數相同的情況下，活動覘牌法與小角度法觀測視準線的精度相當。

本工程視準線法觀測項目中，工作基點至位移測點水平距離S最大值為223 m，采用TCA1201+全站儀按全圓觀測法一測回進行水平方向觀測，水平距離S每年按精密光電測距要求定期進行一次觀測。大壩各表面位移測點水平位移量觀測全中誤差均在±2.3 mm以內。

2.2 大壩表面垂直位移觀測

2.2.1 大氣垂直折光對三角高程的影響

大壩表面垂直位移觀測是在采用視準線法觀測的同時由EDM三角高程觀測得到基點到位移測點的高差h，從而得到位移測點的垂直位移。

由于地球曲率和大氣折光的影響，在所觀測的h中包含有球氣差的影響。然而，變形觀測中，由于每次觀測中的地形、地物（植被條件等）均一致，故球差的影響在變形測量中已完全消除。對于視距較短、地形地物較單一、通風對流效果良好且視線不受庫面大氣折光影響的土石壩工程，選擇垂直折光較為穩定的地方在10～16時之間觀測,大氣垂直折光的影響也大為降低。加之變形觀測中采用了“四固定”的方法，提高了垂直角的觀測精度（對于光學經緯儀基本消除了垂直度盤刻劃誤差的影響，電子經緯儀或全站儀度盤刻劃誤差可忽略不計），一般情況下垂直角觀測精度能達到水平角的觀測精度。

EDM三角高程現場觀測時，采用在位移測點附近大氣折光情況比較接近的穩定點進行三角高程觀測，從而分析推算大氣垂直折光系數K值。為提高判斷K值變化的靈敏度以及提高K值修正的精度，可采用對多個固定點或對固定點進行多次觀測的方法。故在三角高程變形觀測中，觀測位移測點高程的同時，觀測與位移測點大氣垂直折光基本一致的固定點高程，如在本工程中工作基點TB3、工作基點TB4設站觀測時，均同時觀測后視基點TB7的高程，以掌握推算大氣垂直折光的變化情況，必要時進行K值變化引起的位移測點高程觀測值修正。

為掌握大氣垂直折光系數K值的變化以及其對三角高程觀測值的影響，本工程在2004～2011年期間的不同季節，在測站TB4采用T3經緯儀對后視基點TB7高程進行了30次觀測，TB4～TB7的平距為292 m，視線兩端附近地形地物基本一致且為空曠陸地。8 a間30余次的觀測表明，大氣垂直折光系數K值基本穩定，除少數幾次雨天觀測的K值變化較大外，正常觀測條件下，包含K值變化影響在內的“雙照準法”二測回垂直角觀測全中誤差為±0.97″，說明K值變化對垂直角觀測誤差影響較小，其綜合誤差能滿足國家規范要求。

2.2.2 ED M三角高程法位移量觀測值全中誤差

對于采用全站儀進行的EDM三角高程測量，在變形觀測中如忽略球氣差的影響,則垂直位移量觀測值全中誤差為

式中mD為工作基點至位移測點斜距D的觀測中誤差；mτ為垂直角觀測全中誤差；m1、mv分別為儀器高及目標高觀測中誤差。

垂直角觀測，量取儀器高時必須采用固定的鋼尺（無零點差）或用固定的專用卡尺，全站儀儀器高，也可量取至全站儀兩側支架的某一固定的特征點（如電池槽下沿處，而該處至儀器中心的距離對本儀器來說是常數）。由于觀測墩底座面的傾斜問題（傾斜度按4′考慮），量取儀器高時可采用底座面四周（或對徑兩側方）分別量測取中數，或者每次量取儀器高時，在底座面的固定位置量取等有效措施，可以將儀器高量取的中誤差m1控制在±0.1 mm。目標高度由于采用固定覘桿或固定的棱鏡及配套基座，一般目標高觀測誤差mv較小或該項誤差不存在。

本工程三角高程觀測項目中，工作基點至位移測點水平距離S最大值為223 m，相應的垂直角為6°，采用TCA1201+全站儀按中絲法一測回進行垂直角觀測，水平距離S每年按精密光電測距要求定期進行一次觀測。大壩各表面位移測點垂直位移量觀測全中誤差均在±2.3 mm以內。

2.3 大壩表面變形及滲流監測資料分析

成屏混凝土面板壩運行初期（1990～1995年），壩頂最大累計沉降量已達187 mm，壩頂最大累計水平位移量已達115 mm。大壩運行10 a后，壩頂位移測點最大年沉降（垂直位移）量仍維持在10 mm左右，1995～2005年期間，壩頂最大累計沉陷量達94 mm、向下游水平位移達75 mm。大壩的滲流量長期較大，年最大滲流量都在50 L/s以上，如1999年4月30日（時庫水位為341.72 m）觀測到的大壩較真實滲流量為75 L/s，2005年2月22日（時庫水位為341.15 m）觀測到的大壩較真實滲流量為62 L/s。見表1及圖2、圖3。

大壩總滲流量主要包括壩體滲漏、壩基滲漏及地表水潛流（客水）等。本工程為基本剔除客水的影響，一般情況下低溫多雨季節應選擇前3日日降雨量都在2 mm以下，前4～5日共降雨10 mm以下的觀測日；高溫干旱季節只要前3日日降雨量都在2 mm以下的觀測日，數據都作為大壩滲流量的較真實數據，表1中的滲流量監測數據均較真實。

表1 大壩監測值統計表Table 1:Statistics of dam monitoring data

圖2 壩頂表面水平垂直位移過程線Fig.2 Graphs of horizontal displacement and vertical displace?ment on crest surface

圖3 大壩總滲流量過程線Fig.3 Graph of dam seepage

3 大壩運行管理

成屏混凝土面板堆石壩為興建于20世紀80年代的國內首批混凝土面板壩，是國內首批興建且至今仍在安全運行的面板壩。由于當時的設計水平、施工工藝及設備等相對較落后，也無較多的工程經驗可以借鑒，加之本工程的一些具體情況（如面板壩的面板垂直接縫未設表面止水設施；當時碾壓臺車的噸位為12 t，大壩基礎尚有數米的覆蓋層未予清理等），本混凝土面板壩自蓄水初期至今已表現出一些不足之處，如較大的大壩滲流量及大壩變形。

面板壩的滲流量是衡量面板壩運行性態的最重要指標。長期大滲漏會不斷將大壩壩體中的細小筑壩材料沖蝕帶走，使大壩出現更大的沉陷、水平位移等變形情況，而大壩變形（尤其是大的不均勻變形及向下游水平位移）又會導致面板的進一步張拉，加劇接縫及裂縫的變位，嚴重時會致使面板分縫及周邊縫中的止水設施破壞，造成大壩嚴重滲漏直至重大損害。面板壩的變形與滲流相輔相成，本工程大壩運行管理的主要方向是控制大壩的變形及滲流狀況。

3.1 大壩修補維護工作

（1）根據本工程大壩運行狀況，1998～2000年期間，結合大壩安全定檢工作，將庫水位降低至296 m以下，對大壩面板等開展了全面的現場檢查工作，發現了面板的幾處破損及裂縫，并及時進行了修補維護。因1998年年底及1999年年初期間大壩經歷了較長時間的低溫低水位工況，原來水庫蓄水后堵塞各種裂隙的細小顆粒干涸松動、流失，而1999年汛期又逢水位快速上漲，滲流狀況產生了較大的變化，表現為滲流量的明顯增大。隨后的幾年間，如2000年汛后至2004年期間，大壩的滲流量及變形等運行工況逐漸趨于好轉，明顯好于1998年以前的狀況，說明大壩安全定檢期間的檢查維護工作起到了一定效果。

（2）針對大壩滲流量有增大的趨勢，2005年汛前對大壩周邊縫及面板張性垂直縫表面止水設施進行了檢查，發現原有的表面止水材料大部分已起不到正常效用，及時對其進行了修補維護。2005年汛期后至今的大壩監測資料表明，大壩的變形及滲流狀況均有明顯好轉跡象，說明2005年汛前周邊縫及面板張性垂直縫表面止水設施的修復維護取得了良好效果，見圖2、圖3。

3.2 大壩運行管理經驗

成屏混凝土面板堆石壩在先天條件不盡完善的情況下能安全運行至今，主要經驗有如下幾點。

3.2.1 領導重視，規范管理

本工程大壩下游有多個縣級以上城市及大中型工礦企業，各級領導對本工程的大壩安全管理都極為重視，幾十年來運行單位領導一如既往將大壩等水工建筑物的安全管理作為電站安全管理的重中之重。目前電站水工管理各項制度健全完善，責任落實到位，水工維護費用按時到位并嚴格做到專款專用，對水工建筑物存在的問題和缺陷做到早發現早處理，將事故隱患消滅在萌芽階段。實踐證明，水工建筑物缺陷早發現早處理是確保安全運行的有效措施。

3.2.2 重視混凝土面板的檢查觀測

面板對控制大壩滲流起最主要作用。面板運行監測包括面板的水平垂直位移、面板接縫（周邊縫及垂直縫等）變位、面板裂縫破損以及止水系統效用等。掌握面板運行狀況對分析大壩滲流有著直接作用，故在不同水位、溫度、時期等情況下均應對面板的運行情況進行及時檢查觀測，分析其運行狀態和性態，并及時進行必要的維護修補工作。

3.2.3 合理控制不同季節的庫水位

要盡量避免低溫空庫的不利運行工況。本工程經歷了幾次冬季放空水庫的運行工況，冬季低溫空庫后再快速蓄水會造成大壩滲流量的增大以及大壩變形的增加。從大壩安全運行角度出發，應盡量避免低氣溫情況下庫水位降得過低，尤其應避免冬季低氣溫時水位暴漲暴落。同時面板壩低溫高水位的運行也要避免，它會導致大壩滲流明顯加劇，對大壩的運行不利。

4 結語

（1）全站儀進行視準線法水平位移觀測應采用小角度法，后視基點可靈活布設而不需布設在視準線的延長線上，從而精減了后視工作基點的建立。實踐表明，小角度法觀測水平位移與活動覘牌法比較，工作強度減輕、觀測精度提高。

（2）EDM三角高程觀測，對于視距較短、地形地物較單一、通風對流效果良好且視線不受庫面大氣折光影響的土石壩工程，大氣垂直折光系數K值較穩定。只要在規定的觀測時間段內按規定進行ATR照準差檢校，考慮豎盤指標歸零誤差影響及大氣垂直折光變化等綜合影響后，其垂直角觀測全中誤差一般不大于水平角觀測全中誤差。

三角高程現場觀測同時，可觀測與位移測點附近大氣折光情況比較接近的穩定點高程，從而分析推算大氣垂直折光系數K值，必要時進行K值變化引起的位移測點高程觀測值修正。為提高K值變化判斷的靈敏度以及K值修正的精度，可采用對多個固定點或對固定點進行多次觀測的方法。

（3）成屏大壩自1989年試運行至今已安全運行二十余年，并經受了超過正常高水位0.5 m以上的運行考驗。運行單位通過規范的安全監測及精心妥善的維護管理，及時總結本工程大壩運行管理經驗，確保了大壩等水工建筑物的正常運行。■

[1]國家能源局.DL/T 5259-2010.土石壩安全監測技術規范[S].北京：中國電力出版社，2011.

[2]張啟岳.土石壩觀測技術[M].北京：水利電力出版社，1993.

[3]濮久武.三維坐標法在水壩變形觀測中的應用[J].水力發電，2004，（4）：63-65.

[4]中華人民共和國水利部.SL 210-98，土石壩養護修理規程[S].北京：中國水利水電出版社，1998.