經歷汶川特大地震的紫坪鋪水利樞紐工程安全監測分析

宋 彥 剛， 由 麗 華， 王 昆， 龍 選 明， 補 翔 成

(四川省紫坪鋪開發有限責任公司，四川 成都 610059)

0 引 言

汶川特大地震至今已有10年，紫坪鋪水利樞紐工程積累了大量的地震前后監測數據。以往學者多利用監測數據和概念化模型來研究施工期大壩變形趨勢及地震對大壩、高邊坡的變形影響[1-4]，而在樞紐工程全局性的監測分析研究方面較少。因此，通過對工程建設期以來的監測數據進行綜合分析，探討地震對紫坪鋪水利樞紐工程的影響及當下樞紐工程的運行性態具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介與規模

紫坪鋪水利樞紐工程位于岷江上游，是一座以灌溉和供水為主，兼有發電、防洪、環境保護、旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程，也是都江堰灌區和成都市的水源調節工程。水庫正常蓄水位高程877.00 m，汛期限制水位高程850.00 m，防洪高水位高程861.60 m，設計洪水位高程871.20 m，校核洪水位高程883.10 m，正常蓄水位庫容9.98億m3，防洪庫容1.664億m3，調節庫容7.74億m3，校核洪水位以下的總庫容11.12億m3，為不完全的年調節水庫。水庫控制灌溉面積約93.33萬公頃，水電站裝機容量4×190 MW，多年平均發電量34.17億kWh。根據樞紐工程的規模、效益及重要性，紫坪鋪水利樞紐工程屬大(Ⅰ)型工程。

水利樞紐工程由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪排沙隧洞、沖沙放空隧洞、引水發電隧洞和發電廠房等永久性建筑物組成。樞紐工程的主要擋水建筑物為Ⅰ級建筑物，按1 000年一遇洪水設計(流量8 300 m3/s)，可能最大洪水校核(流量12 700 m3/s)；發電廠房為2級建筑物，按100年一遇設計洪水設計，500年一遇洪水校核。擋水建筑物地震設計烈度為Ⅷ度，其余永久性建筑物地震設計烈度為Ⅶ度[5]。

1.2 區域地質及地震

樞紐區處于龍門山斷裂帶中央斷裂與前山斷裂之間，“5·12”地震前的歷史地震資料表明，工程臨近地區(40 km范圍)未發生強震，其最大地震為灌縣地震，距壩址5 km，震級為4.75級。“5·12”地震后，國家地震局將距震中17.7 km、距中央斷裂地表破裂垂直距離約為5.5 km的紫坪鋪水利樞紐工程壩址區的地震烈度進行了修正，地震基本烈度由原來的Ⅶ度提高到Ⅷ度。

1.3 監測項目

紫坪鋪水利樞紐布置了較完善的監測系統，主要有四大類：

(1)大壩監測，含大壩內、外部變形監測及混凝土面板應力應變、滲流、強震等監測項目；

(2)高邊坡變形監測，含引水發電洞進出口邊坡、泄洪排沙洞進出口邊坡、溢洪道邊坡等邊坡的變形監測；

(3)地下洞室的結構力學和水力學原形監測、閘門及金屬結構運行監測，含泄洪排沙洞、沖沙放空洞、溢洪道、引水發電洞的塔體、隧洞結構、高速水流等運行狀況監測；

(4)水庫庫岸變形和左岸壩前堆積體監測。

2 大壩監測

紫坪鋪壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程884.00 m，壩頂寬12 m、長663.77 m，防浪墻高程885.40 m，最大壩高156 m。大壩分三期填筑，其上游壩坡為1∶1.4，下游壩坡在840.00 m高程上、下分別為1∶1.5與1∶1.4(見圖1)。大壩面板分三期施工，Ⅰ、Ⅱ期面板澆筑頂高程分別為高程796.00 m和845.00 m。面板頂部厚30 cm，底部厚83 cm，混凝土強度等級為C25。面板共有48條12.5 mm寬的垂直縫，其中中部壓縫29條，兩岸拉縫19條。面板與趾板間的周邊縫設有2道止水，寬12.5 mm。壩基趾板下設置有兩排防滲帷幕，下游排主帷幕最大深度102 m，深入基巖相對隔水層5 m以上；上游排副帷幕最大深度62 m，約為下游排副帷幕的0.6倍。

圖1 大壩分期填筑圖

大壩布置有較多的監測儀器監測壩體施工與后期運行性態。大壩的DAM0+251 m與DAM0+371 m斷面為壩體變形監測斷面，埋設水平位移計與水管式沉降儀等儀器；在混凝土面板內部埋設鋼筋計監測面板鋼筋應力，埋設應變計監測混凝土應力應變；在面板垂直縫埋設單向測縫計，面板周邊縫埋設三向測縫計，面板與墊層間埋設兩向脫空測縫計等監測儀器；防浪墻頂部及壩后坡布置外觀監測點監測大壩外觀變形。除部分監測儀器在“5·12”地震中受損外，其他儀器均正常運行，監測儀器完好率84%。混凝土面板及板間縫、周邊縫的監測儀器布置情況見圖2。

圖2 大壩面板監測儀器布置圖

2.1 大壩變形特征

2.1.1 外觀變形

紫坪鋪大壩布置有外觀監測點32個，其中壩頂防浪墻16個，壩后坡16個(見圖3)。監測值正負號規定：X向與壩軸線平行，向左岸變形為正；Y向垂直于壩軸線，以向下游變形為正；Z向沉降變形，以鉛垂向下為正。目前，外觀監測點均能正常運行。

2008年4月以前，大壩外觀監測點受初期蓄水影響的變形特征為：靠近左岸的監測點向右岸變形，Y4為最大變形量測點，其值為-34.4 mm；靠近右岸的監測點向左岸變形，Y11為最大變形量測點，其值為33.0 mm；大壩中部的監測點主要以向下游方向變形為主，在向下游向變形上，壩后坡較高高程監測點的變形量大于較低高程監測點，Y19為向下游向最大變形量測點，監測值為99.9 mm；原河床段填筑的壩體沉降變形大于岸坡段填筑的壩體，最大沉降變形監測點Y19的值為188.3 mm。地震前壩體的變形符合大壩變形一般的規律。

“5·12”汶川特大地震導致大壩變形明顯，統計分析地震前后的監測數據發現其變形特征如下：靠近左岸的外觀點向右岸變形了150～270 mm，靠近右岸的外觀點向左岸變形量在50 mm內；靠近左壩間的觀測點向上游變形了0～200 mm，靠近右岸的外觀點向下游變形了250～350 mm；壩體沉降變形量在7.7～790.6 mm之間，較大沉降值集中在原河床段，最大值出現在Y7測點。

圖4與圖5分別為原河床斷面Y7、Y26觀測點的時間—位移曲線圖。分析圖4、圖5可知，2008年5月至2011年底，大壩的變形速率逐漸減小，累計位移的時間曲線趨于收斂；2012年后，壩體外觀監測值趨于穩定，并呈現周期性變化。2016年大壩外觀監測點變化情況為：X向變形量在-7.1～6.7 mm之間，Y向變形量為-9.3～3.9 mm之間，沉降變形量為-5.6～4.0 mm之間。截至2016年12月，各監測點累計位移變形情況見圖3。

圖3 大壩外觀測點布置圖

圖4 震后Y7的位移—時間曲線

圖5 震后Y26的位移—時間曲線

2.1.2 內部變形

紫坪鋪大壩在0+251 m斷面的高程760.00 mm、高程790.00 mm、高程830.00 mm、高程850.00 mm高程與0+371 m斷面的高程790.00 mm、高程830.00 mm、高程850.00 mm高程布置有沉降儀和水平位移計監測大壩內部變形，分析監測數據得到如下成果。

2005年10月至2008年4月，壩體變形由前期2 mm/月的緩慢勻速變形變為受首次蓄水影響的11.5 mm/天的快速變形，首次蓄水后，壩體變形又趨于緩慢(見圖6、圖7)。“5·12”汶川地震造成大壩水平與沉降變形明顯，大壩下游壩體變形大于上游壩體，較高高程壩體變形大于較低高程壩體(見圖8、圖9)。監測資料顯示地震沉降變形最大的V25監測點變形量為835.1 mm，水平位移變形最大的H26監測點變形量為477.8 mm。2008年6月至2011年，壩內監測儀器受余震及災后重建施工影響有一定的變形。2012～2016年，壩內沉降與水平變形趨于穩定，其中沉降與水平變形監測點受庫水位升降影響的年均變幅為15 mm與5 mm。2016年12月，沉降監測最大值測點為V25，其監測值為1 160.23 mm；水平監測最大為H37測點，其監測值為622.79 mm。

圖6 0+251 m斷面高程850 m高程監測點沉降變形過程曲線圖

圖7 0+371 m斷面高程820 m高程監測點水平位移過程曲線圖

圖8 0+251 m斷面沉降變形布置圖

圖9 0+251 m斷面水平位移分布圖

2.2 面板應力應變

大壩面板安裝有鋼筋計、應變計、溫度計和無應力計各15支(套)，分別布置于面板的4個監測斷面(0+68 m、0+251 m、0+371 m、0+586 m)；安裝有單向測縫計、三向測縫計各15支，除1支單向測縫計受地震影響損壞外，其余儀器均正常運行。

2.2.1 面板應力應變

地震前，面板鋼筋計應力監測值為-106.13～5.11 MPa，鋼筋以受壓為主；地震后，鋼筋計測值變化了-14.56～9.12 MPa不等，變化應力遠小于鋼筋的可承受應力；2012～2016年，面板鋼筋應力已經趨于穩定并受庫水升降與溫度影響呈周期性變化(見圖10)。2016年12月，鋼筋計測值為-98.65～-4.13 MPa，經換算測得面板混凝土應力小于10 MPa，此混凝土應力遠小于設計抗壓值，表明監測點附近的面板混凝土不存在受壓破壞。面板混凝土應變受地震影響較小，目前監測值已趨于穩定并隨溫度呈周期性變化。

2.2.2 面板接縫變形

面板垂直縫主要為壓縫，而拉縫僅分布于左右壩肩近壩頂高程的面板條塊間。垂直縫變形受水荷載、壩體變形及溫度影響。初蓄期，垂直縫變形較大；運行期，垂直縫變形受氣溫與庫水位升降呈周期性變化。面板三向測縫計的X向變形代表面板與趾板的開合度，Y向為面板與趾板剪切錯動變形，Z向反應面板相對趾板的沉降。根據周邊縫所處部位的不同，周邊縫可分為河床段周邊縫與壩肩周邊縫。監測成果顯示，施工期與初蓄期的河床段周邊縫以張拉沉降變形為主，X向變形的開合度增大明顯，Y向變形不明顯，Z向沉降變形較大，即施工期壩體沉降變形和初蓄期沉降變形及水荷載引起的變形；運行期變形趨于穩定。紫坪鋪大壩周邊縫受地震影響較小，監測顯示地震造成測值出現了小于5 mm的跳躍(見圖11)。

圖10 鋼筋計T8時間——應力曲線(2012-2015)

圖11 周邊縫Z3時間——位移曲線

2.3 壩基滲壓與繞壩滲流

大壩左右岸布置有9個繞滲孔監測大壩的繞壩滲流，河床段壩基安裝有滲壓計監測壩內地下水位。繞滲孔地下水年變幅為1.52～7.59 m，庫區水位年變幅約為50 m，對兩者進行相關性分析，發現各繞滲孔與庫水位之間的相關性系數在0.345～0.509之間，呈中低度相關，說明左右壩肩的帷幕灌漿防滲體系運行良好。在相似庫水位下，地震后壩內滲壓計的測值比地震前測得的水頭值增大約1.5 m，并與庫水位呈現正相關關系。

2006年10月30日，壩后量水堰監測值為51.78 L/s，是地震以前時段的最大值，對應的水位高程為高程874.7 m。地震發生前，壩后量水堰滲流量為10.78 L/s，對應庫水位高程為高程828.7 m。地震后的第五日，壩后滲流量為15.98 L/s，對應的庫水位高程為高程831.4 m，分析認為地震對大壩滲流量的影響不大。災后重建修復后至2015年，壩后量水堰滲流量隨庫水位升降呈周期性變化，其監測值小于50 L/s并滯后于庫水位2～3天。

3 泄洪及引水發電建筑物應力應變分析

紫坪鋪泄洪及引水發電建筑物內安裝有鋼筋計、土壓力計、滲壓計、測縫計、應變計等儀器，除個別監測儀器受地震影響損壞或監測值不穩定外，其余監測儀器運行正常。

3.1 泄洪建筑物

3.1.1 泄洪洞

地震前后鋼筋計應力監測值變化量較小，均在10 MPa范圍內，后期鋼筋應力變化在一定程度上受氣溫影響較為明顯。目前鋼筋應力監測值以受壓為主，壓應力最大達110 MPa，局部鋼筋受拉，拉應力小于15 MPa，鋼筋的拉(壓)應力監測值均遠小于鋼筋的抗拉(抗壓)強度。土壓力監測值顯示地震對其影響不明顯，目前，實際監測值相對穩定且較小。地震對泄洪洞內安裝的滲壓計影響明顯，在靠近上游庫區側的滲壓計監測值最大變化在100～300 kPa之間，靠近下游側的監測值變化多小于20 kPa；地震后滲壓計水頭值逐漸消散，現在變化較穩定，有一定的規律性。

3.1.2 沖砂洞

地震前后沖砂洞進水口的三向應變計、鋼筋計均有較為明顯的變化，但變化量級較小。地震對沖砂洞不同斷面的影響不盡相同，最為明顯的是對進出口段的影響稍偏大。震后至今，監測數據趨于平穩且呈現出一定的周期性，說明目前沖砂洞圍穩定，混凝土結構受力較小。

3.1.3 溢洪道

鋼筋應力監測值受地震影響較小，應力值突變量均小于±16 MPa，如今鋼筋計監測值在-81.49～167.82 MPa之間。土壓力監測值顯示，地震前后監測值變化量在9.61～268.89 kPa之間，截止2016年12月，土壓力監測值均小于500 kPa。側縫計在地震前后有一定變化，其中C5的變化量最大達10.05 mm，其他側縫計的變化量在3 mm以內。滲壓計在地震期間變化量不大。

3.2 引水發電建筑物

3.2.1 引水系統進水塔

地震前引水系統進水塔處的三向應變計監測值集中在-470～-250 με之間，地震引起的變化量在-27.36～29.99 με之間，目前儀器測值趨于穩定。土壓力計監測值受地震影響較小，變化量在-629.25～109.49 kPa之間，目前各測點應力值在212.27～574.13 kPa之間，并隨庫水位升降呈周期性變化。地震造成進水塔底板測縫計監測值變了0.1 mm，目前測縫計變形趨于穩定，年均變幅在0.25 mm內。受地震影響，鋼筋計監測點的應力值變化了-19.37～8.19 MPa，目前監測點應力值在-61.16～53.12 MPa范圍內，小于鋼筋的抗拉(壓)強度。

3.2.2 引水隧洞

地震前后三向應變計監測值的變化量在-126.75～123.57 με之間，現在各點測值已趨于穩定。鋼筋計應力變化較小，除1號引水洞RG14-1應力變化量為-55.36 MPa，其余各鋼筋計應力變化均在±60 MPa范圍內。地震前后，4號引水洞P1滲壓計的監測值變化148.41 kPa，其余各部位滲壓計變化均不超過50 kPa，震后一段時間，滲壓水頭值消散，分析認為地震造成巖體孔隙水壓力增大，隨時間推移水壓力逐漸消散。洞身測縫計監測值受地震影響變化了0.2 mm，現各儀器測值趨于趨于穩定。

3.2.3 廠房

地震對廠房鋼筋計應力影響較小，震后鋼筋計應力測值在±36 MPa范圍內，目前應力測值變化已趨于穩定并在±42 MPa范圍內。三向應變計受地震影響有一定的變化，變化量在-120.76～67.85 MPa之間，現已趨于穩定。受地震影響，廠房滲壓計P7變化55.6 kPa，其余滲壓計變化量小于11 kPa。

4 高邊坡及堆積體應變特征

紫坪鋪水利樞紐工程邊坡按部位分為泄洪洞進出口邊坡，引水系統進出口邊坡，溢洪道邊坡，左壩肩邊坡及左岸壩前邊坡。邊坡受區域地質構造影響，巖體結構面發育，強度低，并且有斷層及層間剪切破碎帶穿過邊坡坡面。因此，工程采用了錨索、錨桿等邊坡支護措施。為有效的掌握邊坡在開挖及樞紐工程運行過程中的穩定性，對已支護的紫坪鋪水利樞紐工程高邊坡安裝了鋼筋計、錨索測力計、多點位移計等監測儀器。

左岸壩前堆積體距大壩618 m，前緣直達岷江，順坡長度約1 600 m，沿江寬300～870 m，平面面積1 km2。工程將施工圍堰修建于堆積體坡腳處，以起到“壓腳增穩”的作用，并在堆積體上布置有測斜孔、滲壓計等儀器監測堆積體的穩定性。

4.1 巖質高邊坡

4.1.1 泄洪洞進出口邊坡

地震前，1號泄洪洞進口邊坡位移計安裝時間早于該處錨索施工，其監測值受錨索張拉施工影響呈負位移向坡內運動；2號泄洪洞進口邊坡位移計安裝時間晚于該處錨索施工，且受帷幕灌漿影響，監測值為正位移向坡外變形；坡體變形和錨索預應力損失主要發生在施工期，邊坡累計位移監測量在-21.21～25.3 mm之間錨索；邊坡錨索應力損失率小于10%。受地震影響，除未被錨索支護部位的監測點的位移量變化了22.2 mm，其他部位監測值變形均小于1 mm；除1臺邊坡錨索監測值增加了153.5 kN外，其余錨索預應力變化較小；說明在地震動荷載作用下，錨索對邊坡的支護效果好。地震后，泄洪洞進出口邊坡位移趨于穩定，累計位移小于±30 mm，年變化量小于0.5 mm，錨索預應力測值趨于穩定并具有一定的周期性。

4.1.2 溢洪道邊坡

溢洪道邊坡采用了錨索和錨桿支護。地震前，位移計累計監測值均小于9 mm，邊坡變形較小。受地震影響，錨索加固段邊坡變形較小，位移變化量小于±4 mm，錨桿支護段邊坡變形加大，最大達26.6 mm，說明在地震動荷載影響下，錨索支護要優于錨桿支護。地震后，邊坡累進性變形趨于穩定，累計位移量小于30 mm，年均變化量在±1 mm以內。

4.1.3 引水發電洞進出口邊坡

地震前，引水發電洞進出口邊坡的累計位移變形量小于87 mm，其反映出邊坡變形受錨索支護影響，在靠近錨索支護點的巖體變形量較小，遠離錨索點的巖體變形量較大。在地震動荷載作用下，邊坡位移變化量小于±12 mm，錨索應力有不同幅度的增加，其最大應力增量為90.4 kN，說明邊坡變形受到錨索抑制，錨桿應力變化較小。目前，邊坡位移計、錨索及錨桿應力均趨于穩定，其中位移年均變幅小于±1 mm，錨索預應力損失值均小于15%，錨桿應力值小于±11 MPa。

4.1.4 其他部位邊坡

左壩肩邊坡與左岸壩前邊坡累計位移監測值均小于5 mm，年平均變化量小于0.1 mm，表明邊坡穩定。

4.2 壩前堆積體

堆積體測斜孔的A向為邊坡的臨空方向，B向為臨空向向右旋轉90°方向。地震前，各測斜孔位移變形量較小，基本趨于穩定。地震發生后，測斜孔監測值變化明顯，各孔孔口位移增量范圍大致為55～100 mm，局部可達196.72 mm，孔口累計位移矢量方向由原來的無明顯趨向變為震后的趨向134°；測斜孔在基覆界面有明顯的錯動，錯動位移最大達58.08 mm，位移矢量方向大致為157°方向，近似垂直于岷江走向。目前，測斜孔IN-2的孔口和基覆界面處的變化已趨于穩定。

5 結 語

(1)地震前，紫坪鋪大壩的變形特征符合一般大壩的變形規律。地震使大壩產生明顯變形，經災后重建修復，結合大壩變形、壩內滲壓、壩后滲流等指標的分析，表明壩體變形趨于穩定，大壩的防滲體系運行正常平穩。

(2)泄洪及引水發電建筑物的應力應變監測值均正常，未發現結構存在漸進性的拉(壓)破壞。

(3)高邊坡在地震動荷載作用下未發生較大變形，目前已趨于穩定，說明邊坡支護設計合理、錨索預應力張拉標準科學，并且還反映出動荷載作用下邊坡錨索的支護效果要優于錨桿。

(4)強震作用下，堆積體整體保持穩定，其坡面最大位移為196.72 mm，基覆界面(潛在滑動面)的最大位移為58.08 mm，說明設計采用“圍堰壓腳”的方式來提高堆積體穩定性是可行的。

(5)紫坪鋪水利樞紐工程經受了汶川特大地震的考驗，運行性態良好，說明樞紐工程選址科學、設計合理、施工質量優良。

研究結果表明，地震只造成紫坪鋪水利樞紐工程局部的破壞，經災后重建修復后，樞紐工程各建筑物運行良好。