馬來西亞沐若水電站首次蓄水期變形監測成果分析

【摘要】馬來西亞沐若水電站（Murum）屬大（I）型水利樞紐工程，電站地處熱帶季風氣候區。本文主要對沐若碾壓混凝土重力壩在建設期及首次蓄水期超過校核洪水位期間的變形情況做一點探討，以供相關工程項目參考。

【關鍵詞】水平位移；正倒垂；變形監測；蓄水期；沐若

前言

對于水利工程，在大量的工程實踐和科研活動中，變形監測占有重要的位置，其主要建筑物即壩體在蓄水后的穩定直接關系到人民的生命財產安全。因此，對于首次蓄水的沐若水電站重力壩，在首次蓄水期的變形觀測工作就顯得尤為重要，其變形限值及變形規律不僅是檢驗設計標準和施工質量的直接依據，更是電站運行期壩體穩定與否的基礎保障。

1、概述

1.1 項目概況

沐若水電站地處馬來西亞的砂撈越州，壩址位于拉讓（Rajang） 河流域源頭的沐若河上，壩址控制流域面積約為2750 km2，是拉讓河上游梯級開發中的第2個梯級電站。

工程分成兩大部分，即大壩區和廠房區，兩區域相距約9.0km。大壩區由碾壓混凝土重力壩、導流洞、生態流量引水發電系統等組成；碾壓混凝土重力壩軸線為曲線形式，壩體分23個壩段，總長度432.12m；壩頂高程EL546.0m，壩體設計高度146.0m，壩基寬度為139.3m，最大壩寬122.0m（10#壩段）。

工程主要任務是發電，水庫正常蓄水位EL540.0m，死水位EL515.0m，年徑流量120億m3，總庫容120.43億m3，調節庫容54.75億m3。引水發電廠房裝機4臺，單機容量為236MW，總裝機容量944MW。

1.2 水文地質概況

沐若水電站所處河流流域屬熱帶季風氣候，相對濕度全年不低于85%，全年最低氣溫高于18℃，全年最高平均氣溫30.7℃，最低平均氣溫23.2℃。流域發生降雨的頻率大于100天/年，年平均降雨量約為4456mm。

沐若電站大壩壩基巖體工程地質類別主要有3類，即Ⅱ、Ⅲ與Ⅳ類。壩區兩岸山體較單薄，地層陡傾，巖性以砂巖、頁巖、泥巖及其組合為主。壩基跨越三類巖石，即砂巖類，頁巖、泥巖、粉砂巖類，砂巖與頁巖、泥巖、粉砂巖的組合巖類。由于這三類巖體物理力學性狀差異較大，因此壩基可能存在較為突出的不均勻變形問題，壩址區工程地質條件較差。有必要對壩體采取一定的監測手段。

2、變形監測項目布置

2.1 表面變形監測

沐若大壩區變形監測采用前方交會法對壩體水平位移測點進行變形測量。根據設計方案，壩體水平位移外部觀測點布置在壩頂，由于首次蓄水時壩頂還未澆筑，因此，選擇在壩體2/3高度處即EL510.0m處的典型壩段的下游面布設4個混凝土觀測墩，設強制歸心盤，分布于2#、6#、10#、14#壩段，其編號分別為TD02、TD06、TD10、TD14。具體布置見圖1。

2.2 正倒垂線監測

沐若大壩共布置5條倒垂線、7條正垂線。布置在2#、6#、10#、14#及19#壩段。各壩段分別布置一套倒垂裝置，其中6#、14#壩段各布設兩條正垂線裝置，10#壩段布設3條正垂線裝置。正垂線測量裝置分段懸掛，即壩頂至EL500.0廊道、EL500.0廊道至壩基。與倒垂線組合使用，可以觀測大壩在蓄水期間不同高程的絕對水平位移量。具體布置見圖1。

為監測重力壩壩體整體沉降情況，在各壩段壩頂EL546.0m各布置一個精密水準測量點，在左岸勘探平硐0+120.0m處基巖布置一個工作基點LS1，在下游1.5KM基巖穩定處布置一個水準基點LE1，LE1采用鋼管標，鉆孔24米至基巖面，灌漿并做隔熱處理。

壩基基礎廊道共布置17個精密水準測量點，分布在8#-12#壩段壩基廊道，自上游至下游各縱向廊道分別布置一個水準點。具體布置見圖示2。

3、監測成果統計與分析

根據多年水文資料統計，沐若水電站大壩區年降雨量大于4400mm。大壩自2013年9月21日蓄水開始，2013年12月蓄水位即達到頂層廊道EL500.0高程處（壩體2/3高度），2014年11月17日達到設計水位EL540.0，2015年2月9日蓄水位達到EL542.78，首次超過校核洪水位EL542.46。從蓄水開始至達到設計水位歷時14個月，超過校核洪水位歷時僅17個月。

蓄水位超過校核洪水位后緊急啟動大壩安全應急預案，并同時消減庫容，至2015年6月觀測日止，庫水位基本維持在死水位附近，未再有超過校核洪水位情況發生。本文主要針對蓄水開始至蓄水超過校核洪水位后半年期間的變形監測數據做一點探討。

3.1 表面變形成果分析

壩體下游面水平位移變形測點于蓄水前取得基準值并于蓄水期間持續觀測，觀測采用前方交會法進行觀測，觀測頻率每月至少一次。至2015年6月止，各測點沿左右岸方向變形基本無大的變化，主要變形來自上下游方向的位移。其變化趨勢線見下圖3，正值表示向下游方向移動。

從上圖變化趨勢可以看出，蓄水位在達到EL500.0水平位移變形測點布設高程處前，測點基本無明顯位移變化，自蓄水位超過EL500.0（壩體2/3高度）后，各點水平位移變化開始呈明顯向下游位移變化的趨勢，至2015年2月9日，蓄水位超過校核洪水位時，各點向下游位移量均達到最大值，其中位移變化相對較大的點為河床壩段的TD10和TD06，向下游位移絕對量分別為33.44mm、30.13mm；變化量相對較小的為岸坡壩段的TD02和TD14，向下游位移絕對量分別為19.44mm、15.56mm。

從測點變形規律來看，隨著庫水位上升到測點埋設高程EL500.0m（即壩體2/3高度）處后，大壩的變形呈現整體向下游位移趨勢，且河床壩段變化較岸坡壩段變化大。符合一般變化規律，在庫水位穩定后其變形也趨于穩定，無明顯變化或突變情況。

3.2 正倒垂線成果分析

3.2.1 倒垂線成果分析

沐若電站大壩倒垂裝置分別布置在2#、6#、10#、14#、19#壩段，倒垂孔鉆孔深度均為50米；蓄水前全部安裝完并取得基準值。自蓄水開始至超過校核洪水位及其后半年期間壩體變形趨勢如圖所示，正值表示向下游方向移動。

從各倒垂數據變化規律分析：在蓄水前期，水位到達EL500.0（壩體2/3高度）處前，壩基基本穩定，有略向上游方向位移的趨勢，變化量不超過1.0mm；水位達到EL500.0高程后，壩基整體均有向下游位移現象。各壩段變化均在8.0mm左右，均未超過設計限值10.0mm。其中位移變化最小為右岸的19#壩段，向下游位移量為4.75mm，分析原因為右岸有完整基巖的巖石，巖石基礎承受了部分荷載，較其他壩段壩基穩定性更佳。蓄水位于2015年2月達到校核洪水位后，壩基位移達到最大值，當庫水位穩定在EL540.0m后，變形亦趨于穩定。因此判斷，變形主要集中在水位到達EL500.0至EL542.0期間，隨水位的升高變形逐步加劇，并在庫水位維持在一定水位時變形收斂。

3.2.2 正垂線成果分析

各壩段正垂線根據廊道布置分層懸掛。受土建工作影響，EL500.0m至EL546.0的正垂未及時安裝，未能在蓄水前取得基準值，因此，根據各分段數據整理出EL500.0m高程處壩體的絕對位移變形情況，自蓄水開始至超過校核洪水位及其后半年期間壩體變形趨勢如圖所示，正值表示向下游方向移動。

從正垂數據變化分析：在蓄水前期，壩體基本穩定，有略向上游方向位移的趨勢，變化量不超過1.0mm；當水位達到EL500.0高程后，大壩整體均有向下游位移現象，當蓄水位于2015年2月達到校核洪水位時，10#、6#、14#壩段壩體在EL500.0高程相對壩基的位移量分別為25.34mm、19.41mm、10.9mm。再與相應壩段倒垂線數據進行結合，得出10#、6#、14#壩段壩體在EL500.0高程的向下游的絕對位移分別為33.38mm、27.96mm、19.92mm，其最大位移量均未超過設計限值48.0mm。

同時，與壩體下游面EL510.0m處埋設的TD10、TD06、TD14變化量33.44mm、30.13mm、19.44mm進行比較，其位移方向及位移量基本相同。證實了兩項監測手段的可靠性和精確性。當庫水位保持在EL541.0左右期間，壩體位移變形無明顯變化，變形趨于收斂。

3.3 垂直位移成果分析

由于蓄水開始時壩頂受土建工作約束未形成，壩頂精密水準基準值蓄水前無法取得，壩體絕對沉降觀測有所滯后。因此，此處僅討論壩基上下游的相對沉降，即壩基擾度觀測。

根據壩基水準點埋設分布，擬定以壩基寬度最大的10#壩段最下游點BM04DB10為相對沉降參考基點。施測采用DNA03電子自動安平水準儀。觀測過程中，儀器的操作及各項限差執行《國家一、二等水準測量規范》，觀測人員及往返測路線保持相對固定。

10#壩段為壩體中間部位，承受水荷載及其他相對其他壩段較大。觀測成果以10#壩段為典型觀測斷面進行分析，沉降趨勢見圖示。沉降量為正值表示壩基下沉。

從沉降數據變化分析：壩基沉降觀測于蓄水前半年取得基準值，蓄水期間前每月至少觀測一次。根據其數據變化規律發現在蓄水位在EL500.0之前壩基上游相對下游均呈逐步下沉現象，即壩基向上游方向傾斜，各部位相對下游固定點的沉降量比較均衡且均不超過1.0mm；分析為前期壩基主要受庫區靜水庫容荷載的影響。2014年1月22日，當蓄水位超過EL510.0高程（壩體2/3高度）后，壩基上游相對下游呈抬升趨勢，即壩基向下游方向傾斜，各沉降點上升幅度逐步增大，至蓄水位達到校核洪水位時變化達到最大值，從趨勢圖看出，越靠近壩基上游的點（BM01DB10）抬升越大，最大抬升超過7.0mm，壩基中游部位沉降點（BM02DB10&BM03DB10）基本是上游沉降點抬升值的一半，符合壩基作為一個完整剛性體的傾斜特征。自蓄水位穩定在EL541.0左右時，其相對沉降基本趨于穩定，變形收斂。

4、結論

1）首次蓄水期，水位未達到EL500.0之前，通過各壩段倒垂線監測數據及各底層廊道沉降點監測數據分析可以看出：壩基主要因靜水庫容的自重作用使庫底變形而產生向上游轉動；待水位超過EL500.0后，結合正倒垂監測數據及EL510.0下游壩面埋設的觀測墩監測數據分析可以看出：水庫水壓力及壩底的揚壓力使壩基反向向下游轉動，同時水庫凈水壓力作用到壩體上使壩體產生完全變形，產生向下游的水平位移變形。

2）通過各監測項目的數據比較，可以看出各監測手段監測到的變形趨勢及變形數值是基本吻合的，側面印證了各監測手段的正確性，同時印證了壩體變形趨勢的精確性。在首次蓄水期間水位即達到校核洪水位的情況下，各測點變形數值均未超過設計限值，證明了大壩設計的可靠性及施工質量的過硬。

3）通過監測數據的分析，可以看出引起重力壩變形的因素很多，包括水位變化、自然條件、地質條件、壩體的結構等等。主要的變形規律表現在：重力壩的水平位移變形與水位有直接的關系，變幅隨壩高而加大，同一壩段監測斷面，擾曲呈拋物線狀，測點高的位移變幅大；對于不同壩段，中間河床部位壩段變幅大，岸坡壩段的變幅小；壩基軟弱破碎的壩段位移變幅大，壩基堅硬完整的變幅小。

4）對國內大部分重力壩體來說，冬夏季上下游壩面的溫差易引起壩體季節性偏移，故溫度分析是一項重要的內容。但對于沐若水電站重力壩而言，由于其地處熱帶季風氣候條件，常年平均氣溫基本無溫差，本文僅討論首次蓄水至校核洪水位期間的變形情況，時間跨度短，而壩基的傾斜基本與溫度無關，主要受水位的影響，因此本文的變形分析未考慮溫度因素的影響。

5）對于大壩安全監測來說，是一個長期的、持續的過程。本文僅討論重力壩在首次蓄水期的變形情況，對于后期的壩體變形有必要進行持續觀測。

參考文獻：

[1]趙志仁等.大壩安全監測設計[M].鄭州：黃河水利出版社， 2003.7.

[2]馬來西亞沐若水電站工程地質勘察報告.武漢：長江勘測規劃設計研究院，2010.

作者簡介：

陳軍（1981-），男，工程師，中國水利水電第八工程局有限公司科研設計院。