馬鹿塘水電站二期工程蓄水初期混凝土面板堆石壩監測

劉 偉，覃珊珊

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

由于外荷載不確定性以及施工因素影響，大壩在施工期常發生不可預知的變形、開裂以及滲流量過大等安全問題，影響大壩的健康工作狀態，若不能及時發現并解決這些問題，最終可能造成難以估計的損失，大壩施工期監測診斷對大壩安全施工有重大意義[1-4]。大壩安全監測資料是大壩安全分析、評價和監控的主要依據[5-7]，本文在大壩安全監測與應用方面做了一些工作，通過大壩安全監測，從工程角度分析馬鹿塘水電站在施工期的工作狀態，依此給出具體的解決建議并及時反饋到下一步施工。

1 工程概況

馬鹿塘水電站位于云南省文山州境內最大的河流盤龍河上，麻栗坡縣境內，為盤龍河梯級規劃中的第八個梯級，屬Ⅱ等大(2)型工程，共分兩期開發建設。水電站樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、左岸岸邊溢洪道、左岸放空隧洞、右岸引水隧洞、調壓井、壓力鋼管道、地下發電廠房、地面出線場及尾水洞等組成，水庫正常蓄水位627 m，總庫容5.36億m3，電站裝機容量240 MW。

馬鹿塘水電站二期工程混凝土面板堆石壩壩頂高程634.00 m，最大壩高154 m，壩頂長度約493.40 m。大壩填筑于2007年1月開始，2009年2月底填筑高程630 m接近壩頂，累計填筑時段約26個月，填筑方量約603萬m3，面板澆筑分兩期完成。大壩于2009年11月10日開始蓄水，開始蓄水時水位為519.0 m，于2009年12月水庫蓄至水位570.0 m左右。2009年12月～2010年3月庫水位基本穩定在570～572 m之間，無明顯上升。2010年3月～2010年5月庫水位又逐漸抬升，于2010年5月8日達到最高水位583.4 m。2010年5月后庫水位逐漸降低，截止2010年7月7日庫水位降低到558.7 m。蓄水過程見圖1。

圖1 大壩蓄水位～時間曲線圖

2 監測系統布置

在最大壩高、左右岸地形突變處各布置1個監測橫斷面，共3個監測橫斷面，樁號分別為壩縱0+141.000、壩縱0+233.159、壩縱0+330.000，在這些斷面上開展大壩變形監測、滲流監測、應力應變及溫度監測工作，典型監測儀器布置見圖2。

圖2 最大壩高監測斷面監測儀器布置圖

2.1 變形監測

壩體變形監測分為壩體表面變形監測和壩體內部變形監測，壩體內部變形監測又分為堆石體水平位移和豎直位移(沉降)監測，根據監測部位不同采用不同的監測手段。表面變形監測采用視準線的方法，水平位移采用引張線式水平位移計監測方法，沉降采用水管式沉降儀監測方法。

2.2 滲流監測

根據大壩安全監測規范以及大壩實際情況，對通過壩體和壩基的滲水流量、兩岸壩肩繞壩滲流水位用量水堰監測通過壩體和壩基的滲水流量。在下游壩趾建滲流匯集量測系統，用以監測水庫蓄水期滲水流量的演變過程和正常高水位時的滲水流量。

為監測水庫蓄水后兩岸壩肩繞壩滲流水位，檢驗大壩壩肩防滲帷幕的防滲效果，在左右岸邊坡布置水位孔。在最大壩高監測斷面的灌漿帷幕下游鉆孔埋設滲壓計，監測各灌漿孔間帷幕是否連續，是否有“天窗”存在；檢驗在長期高水頭作用下的帷幕耐久性，并測量幕后不同高程的滲水壓力。在最大壩高監測斷面的灌漿帷幕下游壩基順河向布置滲壓計，監測壩基的滲水壓力。

在周邊縫布置三向測縫計的縫下游墊層料中，對應地布置坑埋式滲壓計，以監測周邊縫止水防滲效果及縫后滲水壓力狀況。

2.3 應力應變及溫度監測

為了解壩體應力狀況，在最大壩高監測斷面的三個高程的過渡料中及面板與墊層料接觸面布置土壓力計。為了解混凝土面板的應力應變及溫度，在面板內的不同部位布置混凝土應變計組、無應力計、鋼筋計和溫度計。

3 監測成果分析

監測成果分析主要采用常規定性分析方法。監測資料分析的常規方法可分為比較法、作圖法、特征值統計法、測值影響因素分析法等，并在以上分析基礎上進行綜合分析評價。

3.1 變形監測

面板堆石壩壩體的變形總體而言由壩體自重及水壓力產生。壩體填筑期，壩體在自重的作用下以徐變的形式產生沉降及向上下游方向的位移；大壩蓄水后，壩體在自重和庫水壓力的垂直分力作用下產生沉降，在庫水壓力的水平分力作用下，產生向下游的水平變形。

大壩沉降分布圖以及水平位移分布圖如圖3和圖4所示，圖中給出了2010年7月7日最大壩高監測斷面522、556、590 m高程分層沉降及水平位移分布，所有監測測點所測得的壩體沉降特征值如表1所示。

圖3 最大壩高監測斷面壩體沉降分布圖(單位：cm)

圖4 最大壩高監測斷面壩體水平位移分布圖(單位：cm)

表1 最大壩高斷面壩體沉降特征值對比表

大壩沉降總體分布規律為：①河床最大壩高斷面及左右岸監測斷面沿同一高程上的沉降分布規律相似，但河床部位沉降量大于岸坡部位，左岸沉降量大于右岸，壩軸線下游側沉降大于上游側。分析認為是由于壩體分期填筑，先填的堆石體先密實，壓縮性較低，變形模量較高，所以壩軸線上游側沉降前期大，后期幅度減小。另外按照壩體材料分區，壩軸線上游為主堆石區，下游為次堆石區，下游壩料及壓實要求較上游低，所以總沉降壩軸線下游大于上游。②最大沉降出現在河床斷面壩軸線下游約1/3～1/2壩高處，測值為136.6 cm，與一般面板堆石壩沉降最大點的規律相符。③根據表1特征值統計，蓄水后發生的沉降平均占總沉降量的17%，一方面說明水壓對堆石體變形有一定的影響，不容忽視，另一方面也表明蓄水以來，由于庫水位不高，時效影響因素即堆石自重作用還在延續。

大壩水平位移總體分布規律及特點為：①河床最大壩高斷面及左右岸監測斷面沿同一高程上的水平位移分布規律相似，但在量值上河床斷面大于岸坡斷面，左岸大于右岸。說明水平位移分布規律與沉降分布總體相似。②壩軸線上游側堆石體基本為向上游位移，從上游向下游位移量呈遞減趨勢。③壩軸線下游側堆石體均為向下游位移，越靠近壩體邊緣處位移越大。④向上游最大水平位移出現在河床最大壩高斷面高程522 m上游壩體，為10.6 cm。⑤向下游最大水平位移出現在河床最大壩高斷面高程556 m下游壩坡處，為39.7 cm。⑥根據表4特征值統計，蓄水后不同高程堆石體發生的位移變化不盡相同，556 m(1/2壩高)壩軸線上下游側堆石體均表現為向下游位移，位移平均占總位移量的33%，變化最為明顯，說明水壓對堆石體變形有一定的影響；蓄水后522 m(1/3壩高)及590 m(2/3壩高)壩軸線下游側堆石體向下游位移，但壩軸線附近及上游側堆石體仍向上游位移，也表明蓄水以來，由于水位不高，時效影響因素即堆石自重作用還在延續。

3.2 滲流監測

滲流量和滲水壓力是大壩工作性態的綜合指標，特別是在水庫蓄水期，是評價大壩施工質量和判別大壩工作狀態是否正常的重要依據。

1)滲流量監測。大壩壩體及壩基滲流量通過設于下游壩腳的量水堰測量，大壩滲流量、庫水位～時間曲線見圖5大壩量水堰于2009年8月3日開始觀測，蓄水前最大滲流量約12 L/s。自2009年11月10日蓄水后，滲流量與庫水位存在密切的相關性，于2010年5月8日在庫水位達到最高蓄水位583.4 m時，測得最大滲流量為66.93 L/s。截止2010年7月7日實測滲流量40.52 L/s，目前滲流量變化平穩，處于正常范圍內。

圖5 大壩滲流量、庫水位～時間曲線圖

2)帷幕灌漿防滲效果。在大壩河床最大壩高監測斷面的灌漿帷幕下游鉆孔，孔深40 m，孔內埋設3支滲壓計以監測灌漿帷幕防滲效果。大壩灌漿帷幕后滲水壓力～時間曲線見圖6。

根據圖6，蓄水前孔內有4.5～45 m的滲水壓力，主要受天然地下水及環境的影響，滲水壓力隨孔深呈遞增分布。蓄水后，滲水壓力增幅與孔深成正比，最深測點增幅近40 m水頭，約占幕前總水頭的34%。由于幕后水頭偏高，一定程度上反映出測點與庫水間有某種連通或幕底繞滲，但隨著壩前填筑料的固結及壩前淤積，滲漏會逐漸變小，且根據目前滲水量，參考類似工程經驗，滲漏不會危及大壩安全。

圖6 大壩帷幕后滲水壓力～時間曲線圖

3)周邊縫止水防滲效果。大壩周邊縫后墊層料內滲水壓力～時間曲線見圖7。根據圖7，蓄水前周邊縫后大部分測點處于無水狀態，僅是河床部位個別測點反映承受較小的水壓。蓄水后，河床部位P-06、P-07測點測值變化與帷幕后鉆孔內滲壓計相符，也表現為隨庫水位上升顯著增長，與庫水位同步變化。但由于同處河床部位的P-04、P-05測點測值蓄水后未有明顯變化，表明止水失效可能性不大，主要還是由于帷幕防滲局部較弱的原因導致。

圖7 大壩周邊縫后滲水壓力～時間曲線圖

3.3 應力應變及溫度監測

1)壩體應力。過渡料中及混凝土面板與墊層料坡面之間典型土壓力計應力～時間曲線如圖8所示。監測成果顯示，蓄水前，由于壩體填筑過程中堆石體變形對面板的擠壓作用，使得面板下游墊層料及過渡料承受壓應力，該壓應力隨著填筑高程升高呈現增長趨勢，最大測值出現在最大壩高斷面522 m高程處，大小為0.21 MPa；蓄水后，隨著庫水位提高，面板下游墊層料及過渡料承受壓應力也相應提高，與庫水位表現出較好的相關性，最大測值也出現在斷面522 m高程處，大小為0.79 MPa，蓄水前后，所監測到最大壓應力值相差0.50 MPa。

圖8 大壩壩體土壓力計應力～時間曲線圖

2)面板鋼筋應力。面板施工期，面板內鋼筋計應力主要受溫度變化影響，與溫度呈負相關的變化規律，溫度降低，鋼筋應力增大；溫度升高，鋼筋應力減小。岸坡以受拉為主，河床以受壓為主,面板鋼筋應力分布與面板拉壓區基本吻合。蓄水后，鋼筋應力均表現為壓應力增大，說明蓄水水壓使面板產生壓縮變形。最大拉應力出現在R-09測點，測值為91.2 MPa；最大壓應力出現在R-18測點，測值為-103.5 MPa。

3)面板混凝土應變。面板施工期，面板內混凝土應變主要受溫度變化影響，與溫度呈負相關的變化規律，溫度降低，向拉應變變化；溫度升高，向壓應變變化。蓄水后，受水壓作用，面板混凝土應變以壓應變為主，在河床局部存在拉應變。以目前監測數據來看，最大壓應變出現在河床底部的S4-02應變計組，測值為-383.6 με；最大拉應變出現在河床中部的S2-03應變計組，測值為166.8 με。

4)面板混凝土溫度。由于水泥水化熱作用，溫度測點在初期監測到一個快速升溫過程，最高溫度達到44.8℃。隨著水泥水化熱的散發，測點溫度呈現一個比較明顯的降溫階段，直到達到穩定溫度。面板混凝土溫度變化主要受季節氣溫影響，目前面板各部位穩定溫度介于20～35℃間。

4 結 語

綜上所述，通過對馬鹿塘水電站二期工程面板堆石壩各監測數據的分析，初步得到以下結論：①該面板堆石壩壩體的實測變形較大，但測值總體變化及分布基本合理，符合一般規律；②帷幕后壩基滲水壓力偏大，而且與庫水位有很強的相關性，雖然基本可排除周邊縫止水失效，但推測幕后與庫水間有某種連通或幕底繞滲，但隨著壩前填筑料的固結及壩前淤積，滲漏會逐漸變小；③應力應變及溫度監測數據受蓄水條件影響不大，測值在允許范圍內，變化過程符合一般規律，目前處于平穩狀態；④通過上述分析，表明馬鹿塘水電站二期工程面板堆石壩的各監測量均符合土石壩的一般規律，目前大壩工作正常。

鑒于自蓄水以來庫水一直處于較低水位(2010年5月8日達最高水位，為583.4 m，2010年7月7日水位為558.7 m)，遠低于正常蓄水位627 m。在目前庫水位條件下壩體變形已較大，而且壩體變形的時效作用仍將延續，因此，在下階段水位上升過程中，必須加強大壩的變形和滲流等監測工作，并及時對監測資料進行分析反饋，以便采取相應對策。