雙樹寺水庫多年沉降監測與分析

肖 讓，張永玲，梁越力，李 俠，俞海英，吳克倩，鄧浩亮

(1.河西學院土木工程學院/河西走廊水資源保護利用研究所，甘肅 張掖 734000；2.民樂縣洪水河管理處，甘肅 民樂 734503)

確保水利工程安全運行是做好水利工程運行管理工作的核心和落腳點，也是水利工程補短板強監管的重要目標。土石壩主要特點是地形適應性強，所以得到了廣泛的應用[1- 3]。根據大量的工程實踐經驗發現，危及土石壩安全的主要因素有：過大變形、不均勻沉降變形和滲透破壞[4]。本次監測主要針對壩體是否有過大變形做出分析，根據土石壩沉降實測資料表明，土石壩的沉降過程在施工填筑期、停工期、竣工期及運行期具有明顯的階段性，各時期的沉降規律有差異，而且壩體沉降的主要影響因素為庫水位、土體固結和溫度等。譚濤通過研究土石壩填筑期的沉降規律，得出各測點的沉降量隨大壩填筑而逐步增加，各測點沉降過程線和填筑過程線相關性良好，大壩的沉降主要由壩基沉降引起，符合土石壩變形規律。張社榮，韓啟超等通過研究土石壩竣工后的沉降規律，得出壩體同一部位的沉降速率隨時間的增長而減緩，且在填筑完成后的第3年沉降速率已經較小，明顯表現出了沉降穩定的趨勢[5- 7]。

鑒于土石壩經過長期運行，初步考慮到土體固結和溫度對土石壩沉降影響較小，故本文主要分析庫水位對大壩沉降的影響。

1 工程概況

雙樹寺水庫位于民樂縣永固鄉上灣村洪水河出山口處，距縣城9km，庫區總面積1.2km2。水庫主要擔負著永固、洪水、三堡、六壩4個鎮的灌溉任務，是一座以灌溉為主兼顧防洪、發電的完全年調節水庫。水庫工程于1971年1月動工興建，1975年11月建成發揮效益，2003年水庫進行除險加固。大壩為壤土心墻砂礫石混合壩，壩頂長556.75m，壩頂寬6m，最大壩高58.5m，最大壩底寬295.25m，心墻底寬61.5m，平均高程2423.5m，頂寬4m，心墻頂高程2480.8m，壩頂高程2482m，防浪墻高程2483.73m。

庫設防標準為千年一遇洪水校核，洪峰流量852m3/s，50年一遇洪水設計，洪峰流量375m3/s，水庫校核洪水位為2481.73m，設計洪水位為2479.61m，總庫容2580萬m3，興利庫容2380萬m3，正常蓄水位2480m，死水位2442m，死庫容108萬m3。

2 監測方法

2.1 監測點布置

為方便監測，大壩表面變形監測點主要布置在壩頂和下游壩坡處，各監測點布置均滿足SL551—2012《土石壩安全監測技術規范》的要求。監測點具體位置為:從大壩左岸溢洪道作為起始點(0+000)，沿壩頂中軸線依次設置三個沉降觀測點，編號為BD- 1、BD- 2、BD- 3；沿67馬道(67指馬道高程為2467.000)中軸線依次設置四個沉降監測點，編號為67- 1、67- 2、67- 3、67- 4；沿52馬道(52指馬道高程為2452.000)中軸線依次設置四個沉降監測點，編號為52- 1、52- 2、52- 3、52- 4[8]。大壩沉降監測點編號和位置見表1，布置圖如圖1所示。

表1 編號和位置對應表

圖1 大壩沉降監測點布置圖

2.2 監測方法

3 大壩監測數據分析

3.1 監測年份水位變化分析

對于西北地區的流域，每年12月份至次年3月份為結冰期，期間水位基本不變。從4月份開始，由于上游冰雪融化等諸多原因，水庫來水增多，庫水位開始上漲， 2014—2016年庫水整體漲幅程度略小，其他年份庫水位在一年內均有明顯的漲落，如圖2所示。從圖2可以看出，庫水位每年6月份與9月份前后均有較大程度的漲落，呈“V形”變化趨勢。其中，6月份庫水位最低，9月份庫水位達到最高，導致這種現象的原因是水庫汛期來水增多、引水發電和引水灌溉等。為了能較大程度反映庫水位對壩體沉降的影響，本次沉降分析只針對每年4、7、10月份壩體的沉降變形進行分析。

圖2 監測年份水位變化圖

3.2 各監測年份壩體沉降數據分析

3.2.12013年監測結果

2013年各監測點沉降圖如圖3所示。由圖3得出，壩體各監測點均發生了垂直變形，其中，BD- 1、BD- 2、BD- 3三點隨著月份的增加，沉降量不斷增加，變化值為9mm，其他監測點垂直變形相對4月份來說，先沉降之后又開始恢復，并且呈現出“回彈”現象。

圖3 2013年各監測點沉降圖

通過SPSS軟件，對年內庫水位變化與各監測點沉降值進行相關分析得出，只有67- 3點處相關系數大于0.8，表現出強相關，而其他各點相關性并不顯著，見表2。分析得出有兩種可能的原因：一是壩體內部各部分土石的密實度、孔隙率等存在差異，在水壓力作用下，變化程度存在差異；二是壩體溫度應力仍然存在，在兩種力相互作用下，導致了壩體各部分變形規律不一。

表2 水位與沉降值相關分析表

3.2.22014年監測結果

2014年各監測點沉降圖如圖4所示，由圖4得出，BD- 1、BD- 2、BD- 3三點在年內發生負沉降，變形量達50mm，67、52馬道各監測點在4—7月份期間發生了明顯的沉降，隨后沉降開始恢復，并且有“回彈”現象，這與2013年沉降規律一致。對年內水位變化與各監測點沉降值進行相關分析，發現各監測點沉降規律與庫水位之間相關性均不顯著見表3。分析得出有兩種可能的原因：一是在發電、灌溉時期，來水與用水量不斷變化，導致庫水位呈“波形”變化趨勢，使得壩體沉降規律不明顯；二是影響壩體沉降的因素不僅僅只與庫水位有關，還有其他因素。

圖4 2014年各監測點沉降圖

表3 水位與沉降值相關分析表

3.2.32015年監測結果

2015年各監測點沉降圖如圖5所示，由圖5得出，該年分內各監測點沉降規律與2014年基本一致。對年內水位變化與各監測點沉降值進行相關分析，發現52- 2、52- 3、52- 4三點與庫水位變化關系顯著，其余各監測點相關性均不顯著，見表4。分析可能的原因：一是2014與2015年庫水位變化趨勢基本一致，二是相鄰年份壩體應力狀況基本相同，從而使得壩體各監測點沉降規律也表現出一致性。

圖5 2015年各監測點沉降圖

表4 水位與沉降值相關分析表

3.2.42016年監測結果

2016年各監測點沉降圖如圖6所示，由圖6得出，各監測點均發生沉降，其中，4月份與10月份沉降變化基本穩定，沉降值在20mm以內，7月份各監測點沉降規律略有差異。對年內水位變化與各監測點沉降值進行相關分析，發現BD- 3、52- 1、52- 2三點與庫水位變化關系顯著，其他各點相關性均不顯著，見表5。分析原因：一是監測環境對監測數據影響比較大，二是人為測量誤差造成的。

圖6 2016年各監測點沉降圖

表5 水位與沉降值相關分析表

3.2.52017年監測結果

2017年各監測點沉降圖如圖7所示，由圖7得出，各監測點均發生了沉降，而且沉降值在20mm以內，除52- 1點外，可能是由于人工測量誤差造成的。對年內水位變化與各監測點沉降值進行相關分析，BD- 2、67- 2、67- 4、52- 4四點與庫水位變化關系顯著，其他各點相關性均不顯著，見表6。

圖7 2017年各監測點沉降圖

表6 水位與沉降值相關分析表

3.2.62018年監測結果

2018年各監測點沉降圖如圖8所示，由圖8得出，壩體沉降規律與2016、2017年內沉降變化規律保持一致性，除個別監測點外，年內沉降基本趨于穩定，沉降值在20mm以內。對年內水位變化與各監測點沉降值進行相關分析，發現各監測點沉降值與庫水位之間相關性并不顯著，見表7。

圖8 2018年各監測點沉降圖

表7 水位與沉降值相關分析表

4 結論

(1)從2013—2015年的監測數據可以得出，壩體沉降仍然存在，但是壩體各監測位置沉降規律各異，最大沉降量為58mm，并且有“回彈”現象，造成此現象的原因有：一是壩體內部各部分土石的密實度、孔隙率、含水率等存在差異，在水壓力、浮力和滲透壓力等荷載以及濕化變形作用下，變化程度存在差異；二是壩體內部溫度應力仍然存在，在幾種力相互作用下，導致壩體各部分變形規律不一；三是人為監測存在誤差。

(2)從2016—2018年監測數據可以得出，壩體沉降開始趨于穩定，各監測位置年內沉降量基本相同，年沉降量在20mm以內，根據SL551—2012的要求，可以得出壩體為穩定狀態，運行狀況良好。

(3)壩體沉降在年內表現出明顯“彈性”變形狀態，在年間則整體趨于穩定狀態，基本沒有沉降變形，這與張社榮，韓啟超等人研究結論一致[8]。

(4)土石壩在運行階段，仍會發生較小的變形，通過相關分析，庫水位不是影響壩體變形的唯一因素，當庫水位變化時對下游壩坡影響較小，土體固結和溫度對壩體沉降仍然有影響。