烏拉泊水庫大壩沉降監(jiān)測的分析

□李金成（烏魯木齊水業(yè)集團(tuán)有限公司）

烏拉泊水庫大壩沉降監(jiān)測的分析

□李金成（烏魯木齊水業(yè)集團(tuán)有限公司）

文章以烏拉泊水庫為例，介紹了水庫大壩內(nèi)部變形監(jiān)測情況，通過選取具有代表性的樁號標(biāo)點(diǎn)繪制大壩累計沉降過程線，對大壩建成以來壩體壩基沉降變化分布規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)研究和探討，并通過建立累計沉降量s與時間t之間的雙曲線函數(shù)關(guān)系進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)的回歸分析。結(jié)果表明，所建立的函數(shù)模型與大壩實(shí)際沉降情況基本吻合，通過該模型既可以進(jìn)行大壩運(yùn)行期間各個時間沉降量的推算，又可以對模型參數(shù)實(shí)時修正。

水庫；大壩；沉降監(jiān)測；分析

1 工程概況

烏拉泊水庫始建于1959年，水庫設(shè)計庫容5784萬m3，1961年建成并投入使用，受當(dāng)時條件限制水庫在防洪、抗?jié)B、抗震方面均存在隱患。1975年和1978年被列為全國重點(diǎn)病險水庫和重點(diǎn)抗震加固水庫。烏拉泊水庫位于達(dá)坂城～柴窩堡洼地的西部，水庫以北4 km處為烏拉泊斷裂（F1）、15 km處為妖魔山斷裂（F2），兩斷裂均為區(qū)域性活動斷裂，尤其后者近期斷裂活動比較強(qiáng)烈，是一條至今仍在活動并有發(fā)生潛在中強(qiáng)震能力的斷裂。據(jù)《中國地震烈度區(qū)劃圖》，該區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000），烏拉泊水庫屬大（1）型Ⅰ等工程，其主要建筑物大壩、泄洪建筑物按1級建筑物設(shè)計，次要建筑物按3級設(shè)計，臨時建筑物按4級設(shè)計。水庫大壩為粘土心墻壩，壩長1.05 km，最大壩高27.60 m，壩頂高程1089.60m，壩頂寬6 m。壩頂防浪墻頂高程1090.80m。上游壩坡1086m高程以上為1：3.00，樁號0+530-1050m壩段上游壩坡1 086m高程以下至壩腳，壩坡為1：4.50，1086m高程以上至壩頂，壩坡為1：3，采用現(xiàn)澆150 mm厚混凝土護(hù)坡，下游壩坡加厚修整為1：2.25，再鋪設(shè)厚60mm預(yù)制混凝土六棱塊，壩頂為混凝土路面。

2 水庫大壩沉降監(jiān)測分析

2.1 壩體表面沉降監(jiān)測設(shè)施

烏拉泊水庫壩體沉降和位移主要發(fā)生在施工期內(nèi)，用于壩體內(nèi)部沉降位移觀測的標(biāo)點(diǎn)為事先埋設(shè)，而僅有的是主壩面沉降與位移的表面式監(jiān)測標(biāo)點(diǎn)，從施工開始后一直處于監(jiān)測狀態(tài)，收集了大量數(shù)據(jù)資料，可以通過分析歸納土壩沉降規(guī)律，對大壩運(yùn)行情況加以判斷。

2.2 沉降過程線及回歸分析

2.2.1 沉降過程線

以水庫所在流域下游靠近壩頂標(biāo)點(diǎn)位置的歷年觀測資料進(jìn)行分析，烏拉泊水庫于2008年開始進(jìn)行沉降觀測，文章選取具有代表性的樁號標(biāo)點(diǎn)繪制施工期內(nèi)累計沉降量過程線，詳見圖1。

圖1 施工期內(nèi)累計沉降量過程線圖

由圖1可見，主壩沉降的初期，壩體沉降量增加較快，隨著時間的推移，在主壩沉降后期緩慢增加，至2011年逐漸趨于穩(wěn)定，由于樁號0+200和0+380具有較大的填土高度，所以按照土石壩沉降規(guī)律，其填土高度比樁號0+500大。

沉降量絕對值大小受填土高度影響較大，沉降量與壩高之比即為沉降率，沉降率是判斷大壩是否存在裂縫的常用指標(biāo)，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，大壩完工或沉降率＜1%不會產(chǎn)生裂縫，而沉降率＞3%則產(chǎn)生裂縫的可能性較大。結(jié)合烏拉泊水庫大壩歷年觀測資料來看，各標(biāo)點(diǎn)沉降率均較小，充分表明大壩碾壓質(zhì)量好，抗裂強(qiáng)度高，產(chǎn)生裂縫可能性小，詳見表1。

2.2.2 回歸分析

結(jié)合圖1，利用經(jīng)驗(yàn)公式1/s=α+b/t建立累計沉降量s與時間t之間的雙曲線函數(shù)關(guān)系。2011年受氣候環(huán)境因素變化的影響，沉降量變動規(guī)律發(fā)生變化，故以2011年為界限，分為前后兩個階段進(jìn)行代表性標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)的回歸分析，結(jié)果見表2。

表1 烏拉泊水庫各標(biāo)點(diǎn)沉降率表

表2 回歸方程成果計算表

由表2可見，沉降量與時間之間相關(guān)系數(shù)較大（接近1），表明了回歸方程具有高度顯著的相關(guān)關(guān)系，將兩個時間序列回歸方程計算結(jié)果與沉降實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，2008-2011年沉降量差值為8 mm，2012～2016年沉降量差值為7 mm，也表明了沉降量實(shí)測過程線與回歸方程具有良好的擬合效果，烏拉泊水庫大壩累計沉降量與時間呈雙曲線函數(shù)關(guān)系，所建立方程完全符合大壩沉降規(guī)律。根據(jù)上述模型，還可以對大壩未來時期內(nèi)沉降情況進(jìn)行合理預(yù)測，繪制沉降預(yù)測曲線，并計算出具體的沉降趨勢和相應(yīng)時點(diǎn)的沉降量。利用模型進(jìn)行下一次沉降監(jiān)測，將實(shí)測沉降量數(shù)值進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證，以達(dá)到實(shí)時修正模型和模型參數(shù)的目的。

2.3 壩體沉降

2.3.1 沉降階段性分析

烏拉泊水庫大壩壩體所出現(xiàn)的最大沉降值為19.35 cm，出現(xiàn)在0+180.00斷面1 089.60 m高程處，沉降量為壩體高的0.81%，近2 a來壩體沉降量增加很小。壩體沉降幾乎都發(fā)生在施工期內(nèi)，由于大壩在施工中持續(xù)填筑及水庫蓄水的共同作用，測點(diǎn)處發(fā)生較快的沉降，但是其中主要原因還在于壩體填筑強(qiáng)度的增大，水庫蓄水影響較弱。填筑完成施工結(jié)束后，沉降速度大大減弱，可見壩體填筑速度和高度是影響壩體沉降的兩個關(guān)鍵量。

如上分析，壩體最大沉降值出現(xiàn)在高程最大的中間斷面壩軸線附近，為此筆者選取壩體不同高程壩軸線附近的測點(diǎn)，進(jìn)行沉降量統(tǒng)計，詳見表3。

表3 大壩各測點(diǎn)沉降量統(tǒng)計表

從表3可見，1086m高程以下壩體在大壩蓄水前已經(jīng)完成了80%沉降量，而到大壩完工前已經(jīng)完成95%沉降量，壩體沉降已趨于穩(wěn)定。

2.3.2 沉降分布分析

根據(jù)對烏拉泊水庫大壩沉降的監(jiān)測分析結(jié)果，壩體中間斷面最容易發(fā)生沉降，上游側(cè)沉降和壩體下層沉降次之，在施工完建后期沉降量激增，這種變形使大壩壩面沿壩坡向受壓嚴(yán)重，且因壩體向下游發(fā)生傾斜變形而出現(xiàn)大量水平走向裂縫。壩體填筑結(jié)束后，累計沉降量僅為28.30 cm，總體而言，壩體沉降量并不嚴(yán)重，分布較集中，沉降變形較協(xié)調(diào)。

3 結(jié)論

水庫大壩沉降監(jiān)測工作較為復(fù)雜且要求較高，文章對烏拉泊水庫大壩自2008年安裝沉降觀測設(shè)備以來沉降監(jiān)測情況進(jìn)行闡述，清晰地表明了水庫大壩沉降量始終處于可接受范圍內(nèi)，整體沉降量較小，而且根據(jù)預(yù)測，大壩整體情況安全，沉降量數(shù)據(jù)的變化基本穩(wěn)定。為保證監(jiān)測所獲得大壩變形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，需要縮短觀測周期、提高觀測次數(shù)，進(jìn)行定期檢測，為降低觀測成本，往往可以通過利用插值法，在沒有觀測的時間里通過插值進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取和結(jié)果的驗(yàn)證。

［1］譚濤，某平原水庫大壩外部變形監(jiān)測分析［J］，水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015（8）：110-112.

［2］董燕楓，安徽港口灣水庫大壩沉降分析［J］，安徽建筑，2015，22（6）：195-196.

［3］鄭建媛，崔柏昱，珊溪水庫大壩沉降監(jiān)測分析［J］，浙江水利科技，2011（11）：46-48.

TV698.1

B

1673-8853（2017）11-0082-02

李金成（1978.11-）男，工程師，主要從事水利水電工程運(yùn)行管理工作。

2017-9-22

編輯：符蕾