烏江渡水電站壩體接縫變形監測分析

馬傳彬，文富勇,2

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司,長沙 410014；2.水資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室,長沙 410014)

0 前 言

拱形重力壩是指在平面上稍拱向上游的重力壩,其壩軸線曲率小、半徑大，可利用拱的作用在一定程度上提高壩的超載能力或潛在安全度，一般運用于地形地質并不完全適用于修建拱壩但又要求重力壩有較大安全潛力的情況。該類壩型的設計計算既要按照重力壩進行應力和穩定分析，也要按照拱壩進行校核計算，以便進行比較了解其潛在能力[1]。變形監測是大壩結構形態和安全狀態最直觀、最有效的反映[2]。壩體接縫變形作為混凝土拱形重力壩安全穩定的重要監測效應量，其工作性態對驗證壩體是否滿足設計要求及指導后期運行具有重要意義[3]。

目前，國內關于混凝土壩接縫變形監測資料分析的方法主要為監測資料初步分析和監測數學模型相結合的方式。其中常用的監測數學模型主要針對單個測點單種效應量而建立的監測統計模型[4]、監測確定性模型和監測混合模型,這3類單測點監測數學模型屬于傳統監測模型，已在實際工程中得到檢驗，應用效果良好。本文以烏江渡水電站混凝土拱形重力壩為例，通過監測資料初步分析和統計模型分析成果相結合、單測點分析和多測點綜合對比分析相結合，對壩體接縫變形工作性態進行了分析評價，為混凝土拱形重力壩日常觀測與維護提供參考。

1 工程概況

烏江渡水電站攔河大壩為混凝土拱形重力壩，壩頂高程765.00 m，最大壩高165.00 m，壩頂弧長394.6 m，設計正常蓄水位760.00 m，死水位720.00 m。大壩最大底寬119.50 m，高程708.00 m以下的壩體橫縫通過接縫灌漿形成拱形整體，上部57 m高的壩體為單塊穩定的重力壩，自右向左共分17個壩塊，最大壩寬23 m。河中4～14號壩段壩軸線半徑為500 m，中心角26°36′的圓弧；右岸1～3號壩段圓弧半徑為80 m，左岸15～17號壩段為直線等寬壩段。烏江渡水電站于1970年開工，1971年截流，1979年11月水庫下閘蓄水，同年底第一臺機組并網發電，1982年3臺機組全部投產，1983年工程竣工驗收移交生產。2008年完成大壩的第三次定期檢查專家組意見認為，大壩及基礎運行情況正常，壩體結構完整，變形規律未見異常[5]。

2 壩體接縫變形監測儀器布置

混凝土拱形重力壩壩內設有橫縫和4道縱縫，橫縫將壩分為20個壩段，4道縱縫將斷面分為5個澆筑倉面。為便于壩體應力傳遞，保證廠房、大壩混凝土的整體性，對縱縫及高程708.00 m以下的橫縫進行了灌漿，并埋設了一系列測縫計共計79支，監測縫隙的開合情況。具體埋設部位：8號壩段的縱縫及與7、9號壩段連接的橫縫；4號壩段的縱縫及與5號壩段連接的橫縫；13號壩段的縱縫；10號壩段的縱縫及與11號壩段連接的橫縫；混凝土與基巖的接合面；廠房壩段分縫面；右岸防滲墻和右泄洪洞懸掛體的結構縫。

壩體高程680.00 m拱圈接縫變形監測儀器平面布置見圖1，8號壩段接縫變形監測儀器布置見圖2。

圖1 高程680.00 m拱圈接縫變形監測儀器平面布置 單位：m

圖2 8號壩段接縫變形監測儀器布置 單位：m

3 監測資料可靠性分析

3.1 監測基準值的選取

根據電廠提供原始監測資料及大壩歷次定檢監測系統綜合評價成果，壩體測縫計監測布置及監測基準值選取時間詳見表1所示。

表1 壩體測縫計布置考證表及基準值選取時間統計

3.2 監測資料的可靠性分析

由于監測原始數據本身存在不可控誤差，對于日變形量較小的變形基體，會使相鄰監測期內出現一種周跳、往復的虛假的變化軌跡[6]。因此，在對監測資料進行定性分析之前，首先對壩體各監測部位的測縫計測值進行可靠性分析。通過對時程變化過程線分析可知：

(1) 部分壩段測縫計人工觀測資料中，其接縫開合度測值出現“尖點型”突變，且變幅較大。以圖3、4所示測點為例，其中4號壩段中左2.5 m的J4-1最大突變值大約2 mm。將上述時段的上游水位、氣溫等壩體接縫變形敏感性環境量與其他時段相比，均無明顯差異；此時段前期較長時段內，庫水位無驟升情況，且壩體未進行過結構加固改造；因此，初步斷定上述“尖點型”并非對壩體接縫變形的真實反映，在資料分析中應予以剔除。

圖3 4號壩段中左2.5m J4-1測縫計接縫開合度變化過程線

圖4 5號壩段橫縫 J4-9測縫計接縫開合度變化過程線

(2) 部分壩段測縫計人工觀測資料中，其接縫開合度測值出現“階躍型”突變，且變幅較大。以廠房2號機中心線的J2-3為例，其測值變化過程線如圖5所示。1997年12月之前，其接縫開合度在0.46 mm左右變化，1998年1月測值發生臺階型突變，突變值約5 mm，此后在5.45 mm左右穩定變化。將上述時段的上游水位、氣溫等壩體接縫變形敏感性環境量與其他時段相比，均無明顯差異；此時段前期較長時段內，庫水位無驟升情況，且壩體未進行過結構加固改造。因此，初步斷定上述“階躍型”突變為人工錄入錯誤所致，并非對壩體接縫變形的真實反映，在資料分析中應予以處理。

圖5 2號機中心線 J2-3 測縫計接縫開合度變化過程線

4 壩體接縫變形特征分析

4.1 4號壩段縱、橫縫開合度分析

(1) 4 號壩段縱、橫縫開合度測值均為正值，即均呈張開狀態。其中縱縫開合度相對橫縫測值較大。以壩段中心線處的J4-1、J4-2測點為例，大壩第三次定檢以來，二者測值分別穩定在6.3～8.5 mm，而4、5號壩段橫縫處的J4-7、J4-10分別在1.90 mm和0.50 mm左右變化。

(2) 各縱、橫縫測點處的溫度均呈較為明顯的年周期性變化，但與壩址氣溫相比，存在明顯的滯后性，滯后時間大約為5個月。其中4號壩段Ⅰ縱縫縫面的J4-1、J4-2測點溫度變幅較小，Ⅱ縱縫上部J4-6測點處于下游附近變溫區，溫度年變幅6℃左右。4、5號壩段橫縫處的J4-10測點溫度年變幅較大，其接縫變形隨溫度呈現明顯的年周期性變化[7]。

(3) 各測點測值變化過程線統一表現為2003年之前測值變化較為平順且變化規律性較好；2003年之后測值須狀測值較多。初步斷定上述現象與測縫計運行時間較長、易出現測值漂移、靈敏度下降有關。

(4) 各縱、橫縫測點測值逐年和多年變幅穩定在0.18～0.89 mm之間，變幅相對較小，各測點目前均無趨勢性變化。

圖6 2號機中心線 J4-1 測縫計接縫開合度變化過程線

圖7 4號壩段中心線 J4-2 測縫計接縫開合度變化過程線

圖8 13號壩段右0.3m J13-4測縫計接縫開合度變化過程線

圖9 14、15號壩段橫縫 JF-1 測縫計接縫開合度變化過程線

圖10 右防上游基巖 JF-2測縫計接縫開合度變化過程線

圖11 1號機中心線 J1-1 測縫計接縫開合度變化過程線

圖12 3號機中心線 J3-1 測縫計接縫開合度 變化過程線

4.2 13、14號壩段縱、橫縫開合度分析

(1) 位于13號壩段右0.3 m的J13-4測縫計在1996年1月之前測值變化平順，測值基本穩定在1.7 mm輕微波動，接縫保持張開狀態。1996年1月測值出現“階躍型”突變，接縫開合度由1.7 mm突變至0.5 mm。將該時段的上游水位、氣溫等壩體接縫變形敏感性環境量與其他時段相比，均無明顯差異，初步斷定該“階躍型”并非對壩體接縫變形的真實反映。截至2003年1月，測縫計安裝埋設已有20余年時間，之后其測值波動頻率及變幅日趨增大，其測值基本失真。初步斷定上述現象與測縫計運行時間較長，靈敏度變差、測值易出現飄零有關。

(2) 位于14號壩段基礎的J14-1測縫計過程線變化平順，測值保持在0.3～0.5 mm，變幅較小，且未表現出趨勢性變化。

(3) 布置于14、15號壩段橫縫的J14-2測縫計溫度變化表現出較為明顯的年周期性，自安裝埋設以來，其接縫開合度呈閉合趨勢變化，該變化趨勢對壩體變形有利，且變幅較小，多年最大變幅在0.1 mm以內。

4.3 右岸防滲墻與巖體面縫隙開合度分析

分別布置于右岸防滲墻與巖體面接縫上、下游處的JF-1、JF-2測縫計，其測值在2005年1月之前變化穩定，過程線基本呈變化平順的直線。截至2005年1月，兩測縫計安裝埋設已有20余年，其測值變幅及波動頻率日趨增大，將該時段的上游水位、氣溫等壩體接縫變形敏感性環境量與其他時段相比，均無明顯差異。因此，可判定上述現象主要與測縫計運行工作時間較長、靈敏度下降、測值易出現飄零有關，并非對壩體接縫變形的真實反映。

4.4 廠房壩段縫隙開合度分析

位于1號機組中心線的J1-1測縫計自1983年安裝埋設以來，其接縫開合度呈逐漸張大的趨勢性變化，截至2013年6月，其測值由起測時的2.2 mm增至2.7 mm，該趨勢性變化對大壩安全不利，在后續運行期日常觀測中，應引起重視，并查明造成該現象的根本原因。

5 結 論

通過對烏江渡水電站混凝土拱壩接縫監測資料的分析，可以得出以下結論：

(1) 壩體測縫計均埋設于1982年或1983年，其中50%以上測點在埋設初期或第三次定檢之前已無測值,建議對上述測縫計進行甄別復測，對于重點接縫變形部位且可修復或更換的儀器應及時做修復更換處理，并納入電站日常觀測中。

(2) 與壩體橫縫測值相比，壩體縱縫接縫開合度相對較大。該變化規律表明壩體高程708.00 m以下接縫灌漿后，高程708.00 m以下為整體式拱形重力壩，其變形既有重力壩特點又兼有拱壩受力變形特點，各壩段主要承受軸向壓力，橫縫接縫變形較小且趨于穩定。

(3) 各縱、橫縫測點處的溫度均呈較為明顯的年周期性變化，但與壩址氣溫相比，存在明顯的滯后性，滯后時間大約為5個月。以4號壩段為例，其Ⅰ縱縫縫面的J4-1、J4-2測點溫度變幅較小，Ⅱ縱縫上部J4-6測點處于下游附近變溫區，溫度年變幅6℃左右。4、5號壩段橫縫處的J4-10測點溫度年變幅較大，其接縫變形隨溫度呈現明顯的年周期性變化。

(4) 各測點測值變化過程線統一表現為2003年之前測值變化較為平順且變化規律性較好；2003年之后測值須狀測值較多，產生此現象與測縫計運行時間較長、易出現測值漂移、靈敏度下降有關。