石頭河水庫大壩位移監測分析

宋鐵軍

（陜西省石頭河水庫灌溉管理局樞紐管理處 陜西 眉縣 722311）

1 基本情況

石頭河水庫位于陜西省眉縣斜峪關，是一座以灌溉為主，結合防洪、發電、城鎮供水、水產養殖等綜合利用的大（二）型水利工程。水庫大壩為粘土心墻砂卵石混合壩，最大壩高114m，壩底寬488m，壩頂長590m，寬10m，壩頂高程808m。

石頭河水庫大壩在施工及運行期間，相繼布設了變形、滲流、庫區淤積、水文氣象等安全監測設施。多年來，這些設施的正常運行，為正確分析評判大壩工作狀態提供了重要依據。大壩位移監測設施在整個大壩安全監測系統中，布設合理、觀測周期長、觀測資料最為連續、可靠。本文就從位移監測方面談一下自己的分析和建議。

2 監測項目布置

石頭河水庫大壩變形監測項目包括表面位移監測和內部位移監測。表面位移監測包含表面豎向位移和橫向水平位移觀測兩項；內部變形監測為內部分層豎向位移觀測。

2.1 表面變形監測

用于大壩表面位移監測的固定基點共有83個，其中：Ⅳ等黃海高程點2個，布設在大壩下游；高程起測基點9個；用于表面橫向水平位移觀測的校核基點8個，工作基點14個；表面豎向位移及橫向水平位移共用的測點50個。校核基點、工作基點、測點均為墩式鋼筋砼結構，并加蓋保護，且布置在平行于壩軸線的8條直線上；上游坡面3條，距壩軸線較近的一條稱S1、依次向上游為S2、S3；位于壩頂壩軸線下游的1條為X1；位于壩下游坡面有4條，依次向下游為 X2、X3、X4、X5。

2.2 內部變形

大壩心墻區共設置了4組橫臂式沉降儀，第一組在0+203斷面壩軸線下游0.5m處，為河床清基最深部位，基礎高程為694.60m；第二組在0+312.05m斷面壩軸上游1.84m處，為河床基巖F1斷層地帶，基礎高程為700.066m；第三組在左岸臺地0+021.73m處，基礎高程為783.158m；第四組在右岸臺地0+459.48m處，基礎高程為782.708m。至1990年底，0+203.00斷面固結管因測沉器卡管后不能按橫梁測點進行測量。0+312.05斷面固結管也因測沉器卡管報廢。0+021.73m和0+459.8m兩根固結管目前尚好。

3 監測項目觀測

3.1 觀測周期

大壩在正常運行情況下，變形監測每4個月觀測一次（3月、7月、11月）；汛期庫水位變化較大時（陡升陡降）或水位超過汛限水位798m時，增加一次觀測；當庫水放空時，亦增加一次觀測。

3.2 觀測方法和要求

（1）變形觀測的正負號規定：水平位移：向下游為正，反之為負。豎向位移：向下為正，向上為負。

（2）大壩表面豎向位移采用水準法測量，參照國家三等水準測量方法進行閉合路線測量，閉合差控制在±1.4 n1/2mm（n為測站數）內，采用DS1型精密水準儀和3m雙面水準尺配合使用。

（3）大壩表面橫向水平位移采用視準線法測量。使用SD—65型視準儀和活動覘標。觀測位移測點時，每測回的允許誤差應小于4mm（取兩倍中誤差）。所需測回數不得少于兩個測回。

（4）大壩內部分層豎向位移采用橫臂式沉降儀用測沉器觀測。在大壩表面豎向位移觀測時一并測出橫臂式沉降儀管口高程，再用測沉器配合鋼尺測出管頂至管內下口距離，平行測讀兩次，讀數差不得大于2mm，后換算出各測點的高程。

4 位移監測資料分析

考慮監測資料的連續性、準確性和代表性，本文選用1988年～2010年的位移觀測資料進行分析。大壩S1排測點在大壩上游壩頂附近，可反映大壩壩頂段的位移變化，X4排測點在大壩下游壩腳附近，可反映大壩壩腳段的位移變化，此兩排測點連續性好、測點分布合理，代表性強，故選用此兩排測點為分析對象。

4.1 大壩表面水平位移變化規律分析

從圖1、2可以看出，S1排測點的累計位移是向上游位移，并隨著測點高程的增加有所增大，如截至2010年11月，S1排測點累計位移在-60mm～-40mm之間變化。X4測點累計位移向下游位移，并隨著測點高程的降低，向下游的位移量減少，如截至2010年3月，X4排各測點累計位移一般在0～40mm之間變化。由此看出，大壩壩頂附近水平位移以上游移動為主，且隨著測點高程的增加有所增大，而壩腳附近位移以下游移動為主，且隨測點高程降低而減少，大壩水平位移總體以局部位移為主，對大壩整體邊坡穩定有利。

從影響各測點變化的主要因素看，上游庫水位升降對壩體水平位移測值有一定影響。庫水位升高，測值增大，庫水位降低，則測值減小，尤其下游壩體影響更為明顯。

從各測點的特征值看：S1排測點中向上游位移最大為-59.68mm，發生在0+446.00m的S1-6測點處（1995年5月21日），X4排測點中向下游位移最大為40.41mm，發生在0+203.00m的X4-2測點處（2007年3月19日）。由此可見，上游壩坡最大位移點一般發生在0+446.00m左右壩段，位移量較大；下游坡向下游方向變形的最大位移點一般在河床壩段（最大壩高）處，位移量不大。

圖1 S1排測點水平位移變化過程性

圖2 X4排測點水平位移變化過程性

圖3 S1排測點豎向位移變化過程線

圖4 X4排測點豎向位移變化過線

圖5 西臺地0+021.73m斷面壩體層累積壓縮量變化圖

4.2 豎向位移觀測資料分析

從圖3～圖4可以看出，隨著時間的推移，大壩豎向位移逐漸增大。尤其與壩前初次蓄水密切相關，在1994年前快速完成大壩大部分沉降量。從壩體豎向位移總體情況來看，其豎向位移過程符合壩體的變形規律。后期的蓄水對壩體的沉降影響較小。從變化趨勢來看，S1排測點沉降未見穩定跡象，X4排測點沉降基本趨于穩定。

從其特征值可以看，截至2010年3月，壩體最大沉降位移為297mm（為最大壩高的0.26%），發生在上游坡0+203.00m的S1-3測點處，其次為292mm，發生在0+312.00m的S1-4測點處，這主要是由于上游坡遇水濕化影響所致。下游坡X4排測點沉降量相對較小，最大沉降量為29mm。由壩體沉降特征值分布規律可得出，壩體最大沉降量發生在河床壩段0+203.00m～0+312.00m的中上部（心墻兩側），存在一定程度的拱效應，這符合土石心墻壩沉降變形的一般變化規律。壩腳處測點沉降位移變化基本穩定，表明了邊坡無滑動破壞的跡象。

4.3 壩體內部變形分析

目前0+271.73m和0+459.80m固結沉降管可以正常觀測，本次分析的觀測序列為1980年12月12日～2010年3月17日。繪制各層累積壓縮量過程線見圖5～圖6。

從圖中可以看出，0+459.80m斷面底部的0#～1#層間土體固結壓縮量最大，最大固結壓縮量為 377mm，0+271.73m斷面底部的0#～1#層間土體固結壓縮量較大，最大固結壓縮量為108mm。可以看出，大壩壩體固結沉降總量的90%左右是大壩完工至初次蓄水（1981年）的初期完成的，之后的30余年內，大壩固結沉降量較小，基本趨于穩定。

5 結論及建議

圖6 東臺地0+459.80m斷面壩體層累積壓縮量變化圖

5.1 結論

石頭河水庫大壩位移監測整體布置合理，監測周期長，監測資料完整、可靠，對研究分析大壩在施工和運用期間穩定和安全起到了重要的作用。

通過對石頭河水庫大壩位移觀測資料的整理分析，得到如下主要結論：

（1）壩頂附近累計水平位移是向上游位移，最大位移點在0+446左右斷面，并隨著測點高程的增加而增大，壩腳附近累計水平位移是向下游位移，最大位移點在0+203左右斷面，并隨著測點高程的降低而減小；壩前庫水位升降對壩體水平位移測值有一定影響。庫水位升高，測值增大，庫水位降低，則測值減小，壩體向下游位移減小。大壩水平位移總體以局部位移為主，且位移量相對較小，大壩整體邊坡穩定。

（2）大壩豎向位移隨著時間的推移，豎向位移逐漸增大。初次蓄水后，在1994年前快速完成大壩大部分沉降量。從壩體豎向位移總體情況來看，其豎向位移過程符合壩體的變形規律。從變化趨勢來看，S1測線測點沉降未穩定，X4排測點沉降基本趨于穩定。從其特征值可以看，壩體最大沉降量發生在河床壩段0+203.00m～0+312.00m的中上部（心墻兩側），需進一步加強監測；壩腳處測點沉降位移變化基本穩定，表明了邊坡無滑動破壞的跡象。

（3）壩體內部變形觀測分析。大壩壩體固結沉降總量的90%左右是大壩施工期至運行初期完成的，之后的20多年內，大壩內部沉降量較小，基本趨于穩定。

5.2 建議

（1）加密觀測橫斷面。X1、S1測線觀測視線超過900m，測點距離最大達109m，不符合《土石壩安全監測規范》有關要求，建議在測線上加密測點，并盡量選擇較好的天氣條件進行觀測，以確保監測精度高，監測資料真實、可靠，能正確反映大壩實際運行工況。

（2）補全工作基點及校核基點。在左岸泄洪洞箱涵頂設立鋼筋混凝土觀測墩（或塔）作為工作基點，使X5縱斷面上兩岸均有工作基點，以提高資料的精確度。在可能的情況下，達到各觀測縱斷面上兩岸各設一個工作基點和一個校核基點。

（3）石頭河水庫大壩的位移監測儀器及方法都是上世紀七十年代的產品和方法，測量誤差大、勞動量大。建議對位移監測系統進行自動化升級改造。陜西水利