阿爾塔什大壩安全監測方案及初期蓄水分析

袁 媛,楊冰然，何四星，郭躍珍

(1.新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發有限公司，新疆 喀什 844000)

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程是葉爾羌河干流梯級規劃中“兩庫十四級”的第11個梯級，在保證向塔里木河生態供水和灌溉用水的前提下，滿足防洪、發電等綜合利用功能[1]。位于新疆維吾爾自治區莎車縣和阿克陶縣的庫斯拉甫鄉交界處，距喀什約310km。水庫總庫容22.49億m3，工程等別為大(1)型Ⅰ等工程，大壩為1級建筑物，壩頂高程1825.80m，大壩抗震設計烈度為9度，100年超越概率2%基巖峰值加速度為320.6g[2]。

2 監測設計原則及項目

監測設計系統應滿足以下原則和要求[3]：

(1)監測系統能夠及時、全面合理反映工程建筑物工作狀態的真實情況。

(2)針對擋水大壩的具體結構型式、工程布置特點及水文地質條件、基礎防滲處理等進行儀器的布設。

(3)監測斷面、監測項目和測點布置目的要明確，緊密結合工程實際，突出重點，兼顧全面，力求有效、可靠、合理和經濟。

(4)重點部位的重點監測項目要采用多種監測手段，以便使監測數據相互補充和校核，從而保證監測數據的準確、可靠。

(5)所選擇的監測儀器設備可靠、穩定耐久，并應在滿足安全監測的前提下充分考慮設置在施工方便和監測不受干擾或少受干擾的部位。

布置以下監測項目：

(1)大壩變形監測控制網：包括平面位移監測控制網和垂直位移監測控制網，為整個壩址區的變形監測提供基準。變形監測采用專二級控制網控制樞紐區的變形。

(2)壩體變形監測：包括壩頂及下游壩坡的水平和垂直位移監測。砂礫石填筑體內部變形及壩基變形監測：包括施工期和運行期填筑體內部的水平和垂直位移監測；砂礫石基礎的沉降變形監測[6- 11]。

(3)面板變形監測：包括面板與墊層間脫空、面板接縫(周邊縫、板間縫等)開合度及剪切變形[12]。

(4)應力監測：面板應力監測、壩基混凝土防滲墻應力監測、連接板下土壓力監測。

(5)滲流監測：繞壩滲流監測、壩基礎面滲透壓力監測及滲漏量監測[4- 6]。

(6)地震監測：布置強震儀監測地震。

3 監測項目的布置

3.1 壩體變形監測

3.1.1壩體表面變形監測

在壩面埋設5排壩面標點，其高程分別為1780、1740、1711、1671m及壩頂1825.8m下游壩肩一排，標點間距50～100m，共設置45個水平垂直位移標點[4]。

3.1.2壩體內部變形監測

在0+160、0+475、0+590、0+305m四個斷面分別布置水管式沉降儀監測壩體內部沉降，引張線式水平位移計監測壩體水平位移。高程布置在約1/3、1/2、2/3壩高處，即設置在1791.0、1751.0、1711.0m高程。河床部位的0+475m和0+305m斷面在建基面附近增加一個高程監測基礎的沉降，設置在1671.0m高程處。共計沉降監測點62個，水平位移監測點48個。各測點埋設管路引至下游壩面觀測室內進行監測[5]。見表1。

表1 壩體內部變形測點布置表

3.1.3面板撓度變形監測

在壩0+420m樁號的面板和連接板設置了各一條SAA陣列式位移計監測面板及連接板變形情況[7]。

3.2 面板脫空監測

0+160、0+475、0+590m三斷面分別在面板和墊層之間設置脫空計監測面板脫空情況，布置高程在1820、1808、1795m處，共布測點9點[8]。見表2。

表2 脫空監測測點布置表

3.3 接縫變位監測

3.3.1周邊縫變位監測

在左、右岸及河床部位設置三向測縫計進行監測混凝土面板與趾板間的開合度、相對沉降和沿縫方向的剪切位移。布置測點14點。

3.3.2板間縫變位監測

在混凝土面板壩靠近兩壩肩上部位的為受拉區，布置單向測縫計，在高程1798.0m的板間縫處，左壩肩部置8測點，右壩肩部置8測點。

3.4 應力應變監測

3.4.1面板應力應變監測

在面板上選擇4個斷面即最長面板斷面壩0+475m、河床斷面壩0+305m、拉應力最大斷面(左岸0+160m，右岸0+583m斷面)在高程為1666、1691、1729、1761、1796m，布測點13點，分別布置二向應變計，無應力、鋼筋計，監測面板的應力應變及鋼筋應力情況。

3.4.2土壓力監測

在壩0+475m斷面、壩0+305m斷面連接板下，設置土壓力計各1支。

3.5 滲流監測

3.5.1繞壩滲流監測

在兩壩肩巖石上及壩下游坡線之外的山體上埋設6根測壓管監測繞壩滲流情況。鉆孔深度深入枯水期地下水位線5m。

3.5.2周邊縫止水滲漏監測

在周邊縫三向測縫計位置的趾板下游墊層料中對應部位埋設滲壓計，監測周邊縫變形與止水防滲及縫后滲水壓力關系。共布測點12點，具體位置見表3。

表3 滲流監測測點布置表

3.5.3壩基滲流監測

壩基滲流監測結合壩體內部變形監測，選擇0+475m斷面、壩0+305m斷面，在建基面設置滲壓計，監測基礎滲流。

3.5.4滲漏量監測

結合下游圍堰，在主河床壩0+475斷面的圍堰上，高程1662.0m處設置量水堰，量水堰為梯形堰。

3.6 防滲墻監測

選擇兩個斷面防0+185m(壩0+422.599m)及防0+230m(壩0+467.545m)，在防0+185m(壩0+422.599m)斷面混凝土防滲墻高程1635.0、1610.0、1585.0m距防滲墻上下游面10cm處各埋設1支單向應變計，同高程防滲墻軸線處埋設1支無應力；防0+230m(壩0+467.545m)斷面混凝土防滲墻高程1635.0、1610.0m距防滲墻上下游面10cm處各埋設1支單向應變計，同高程防滲墻軸線處埋設1支無應力。

另根據防滲墻應力計算的結果，巖石面變化處，防滲墻應力偏大，在防滲墻應力最大的斷面設置單向應變計及無應力計，選擇監測壩防0+160m(壩0+397.714)和防0+200m(壩0+437.545m)斷面，高程埋設在墻體入巖高程處，距防滲墻上下游面10cm處各埋設1支單向應變計，同高程防滲墻軸線處埋設1支無應力。

3.7 地震監測

在壩0+475m斷面壩頂高程1825.8m、1/2壩高處高程1740m及壩腳處各設置1臺強震儀，壩頂左右壩肩各1臺，岸邊穩定巖石處各設置1臺強震儀，共設置6臺強震儀監測地震反應。

4 初期蓄水階段安全監測成果分析

工程于2019年10月30日下閘蓄水，安全監測系統的施工及監測資料分析單位為貴陽勘測設計研究院有限公司，面板壩的安全監測儀器數量總計為415支，截止2022年3月底，安全監測儀器共埋設411支，完好的有402支，儀器完好率為97.8%，其中表面變形監測完好率為100%。庫水位最高已蓄至1802.0m，正常蓄水位為1820.0m。

4.1 壩體內部沉降監測

由表4可知，各監測斷面壩體的最大沉降量均發生于1713m高程左右，在1/3填筑壩高內，此處填筑料為爆破堆石料，其中最大累計沉降值為780.8mm，發生在河床段壩0+475m斷面TC2- 5測點，位于壩軸線下游81m，埋設高程1713.28m。河床部位兩監測斷面在高程1673m埋設沉降儀監測深厚覆蓋層基礎沉降，最大累計沉降值為548.6mm，為TC1- 5測點，與壩體最大沉降量同屬壩0+475m斷面的不同高程。

表4 壩體內部累計沉降數值表

壩體總沉降量780.8mm占壩體與覆蓋層之和216.3m的0.36%，壩基總沉降量占下部堆石體與覆蓋層總厚度65m(覆蓋層厚度55m，壩體填筑厚度10m)的0.84%，沉降量較同類型工程測值偏小。

整體來看，各斷面上水平分層的數值在壩軸線下游的沉降量最大，兩側沉降量呈逐漸減小趨勢，垂向分層的測值在高程低壩高越高處的沉降量越大。壩基、壩體各測點沉降量分布規律性較好，符合土石壩沉降變形分布的一般規律。

4.2 壩體內部水平位移監測

根據表5監測成果，4個監測斷面的最大水平位移部位與沉降部位基本相同，均在在壩軸線下游爆破堆石體內，沿河床向下游方向位移，最大位移量發生在河床的壩0+475m斷面，數值為70.3mm。壩軸線上游壩高1/3范圍的部分測點產生沿河床向上游方向的位移，符合水庫蓄水后土石壩變形規律，最大位移量-25.3mm。壩體內部水平位移各斷面靠近壩軸線的測點位移量較小，爆破堆石體內的位移值最大，與同類工程相比水平位移相對較小。

表5 壩體內部水平位移數值表

4.3 面板撓度監測

SAA陣列式位移計在面板施工完成初期受壩體沉降影響一期面板頂部沉降最大底部最小[9]，整條測線為漸變趨勢，最大值為37.0mm。一期面板上游蓋重填筑施工后，撓度變形趨勢變為頂部最小[10]，底部最大，最大值為32.0mm。水庫蓄后1764.3m高程以下的面板受蓄水影響最大法向沉降增加了14.3mm，1764.30m高程以上面板受壩體自然沉降影響最大沉降量為30.0mm，蓄水后面板撓度變形趨勢為底部大頂部小。

4.4 壩基滲流監測

由河床段壩基滲流兩個監測斷面1d的單獨監測數值可知，在蓄水階段壩基滲壓計水頭在靠近面板部位測值最高，水頭自上游向下游呈下降趨勢，壩體浸潤線形態符合面板壩正常規律[11]。

4.5 周邊縫止水滲流監測

蓄水后沿周邊縫布置的滲壓計水頭在2021年8月22日的測值，此時庫水位已超1802m高程，在河床段滲壓水頭較大，兩岸滲壓計無水頭，左岸岸坡P4滲壓計的測值較高，經對照此處三向測縫計SJ5的數值分別為：開合度24.7mm、剪切2.9mm、沉降32.0mm，說明水庫在蓄水期間此處面板與趾板間產生張開變形及沉降，因此引起滲壓水頭值較高。后期需加強關注此處滲壓計及三向測縫計的變化情況，見表7。

表6 壩基滲流2021/8/22測值成果

表7 周邊縫滲流2021/8/22測值成果

5 結語

本工程地質條件復雜，為在深厚覆蓋層上建壩，前期設計階段進行了一系列的分析計算，施工期通過壩體內部變形監測掌握面板的實施時機，初期蓄水期間的各項監測數據，掌握關鍵部位的安全性狀。監測設施基本能反映大壩變形以及壩體滲流情況，監測儀器的完好率、穩定性目前均為正常范圍，為工程施工質量、后期運行安全及竣工驗收提供重要技術支撐。通過3年的運行檢驗，監測方案還存在不足之處，如表面變形為人工測量，尚未實現自動化；內部沉降變形中，與水管式沉降儀對比監測的液壓式沉降儀在埋設完成后基本失效，不足處為類似工程的儀器選型提供設計參考。