混凝土拱壩安全監(jiān)測及變形性態(tài)分析研究

張曉旭

(齊齊哈爾市龍沙區(qū)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

0 前 言

大壩安全監(jiān)測對穩(wěn)定性研究和安全評價具有十分重要的現(xiàn)實意義，文章結(jié)合對某碾壓混凝土雙曲拱壩的環(huán)境量監(jiān)測資料，基于統(tǒng)計模型原理掌握水位、氣溫和降雨量等影響因子的變化規(guī)律，通過幾何水準和靜力水準監(jiān)測方法對壩體水平位移、垂直位移進行考證并得出安全性評價結(jié)論，所得成果對于大壩的安全形態(tài)研究具有一定的參考價值。

1 工程概況

某水電站為一等大(Ⅰ)型工程，樞紐工程由混凝土拱壩、泄水表孔、底孔和電站廠房等建筑物組成[1]。拱壩壩軸線長414m，壩頂高程2350m，最大壩高126m，最大底寬42m，正常蓄水位2345，庫容6.2億m3。壩址區(qū)年溫差較大，年降雨量254-320mm，年蒸發(fā)量1736mm，多年平均最高、低氣溫為-12.28℃、25.02℃，年平均氣溫8.24℃[2]。

2 變形監(jiān)測布置

2.1 水平位移監(jiān)測

壩址區(qū)設(shè)置垂線監(jiān)測、大壩和基巖極坐標監(jiān)測、弦長觀測等，多種監(jiān)測手段來評價大壩和壩肩巖體的的水平位移[3]。

監(jiān)測面6組垂線包括：右1/4拱壩段、拱冠壩段、左1/4拱壩段、左岸重力墩1段；入巖深度150m的右壩段；右岸2145m高程廊道。上述垂線設(shè)置可監(jiān)測大壩及基巖體、左岸重力墩以及斷層F7的位移變化。

2.2 垂直位移監(jiān)測

壩址區(qū)同時設(shè)置水準測點和Ⅰ等水準路線，水準控制網(wǎng)的建立可準確監(jiān)測大壩垂直位移變化和基點校測[4]。

1)幾何水準點設(shè)置：各壩段壩頂面22個測點，2145m縱向廊道共24個測點，2105m廊道18個測點，可共同監(jiān)測壩體和基巖的垂直位移變化。

2)靜力水準設(shè)置：2145m廊道兩側(cè)壩體與巖體交接處，2074m廊道5#、14#橫縫處，2035m廊道10#橫縫處，共同監(jiān)測壩體與基巖面的相對滑動變形。

3 統(tǒng)計模型分析原理

大壩應(yīng)力變形主要來自水壓、溫度等外界環(huán)境因素和時間效應(yīng)的影響，故大壩單元結(jié)點變形δ可表示成[5]：

δ=fH(t)+fT(t)+fθ(t)

(1)

式中：fH(t)為水壓分量；fT(t)為溫度分量；fθ(t)為時間效應(yīng)分量。

1)水壓分量fH(t)

Hi與δHi關(guān)系多項表達式為：

(2)

式中ai擬合系數(shù)；H上游水位高程；ni擬合次數(shù)。

2)溫度分量fT(t)

(3)

式中：bi為溫度因子回歸系數(shù)；Td為平均氣溫。

3)時效分量fθ(t)

fθ(t)=c1(ln(1+t0+t))+c2(t0+t)

(4)

式中：c1,c2為時效分量回歸系數(shù)；t為累計監(jiān)測日；t0為建模始測日。

4)位移變化統(tǒng)計模型表達式：

(5)

4 大壩位移變化分析

結(jié)合2145m、2074m高程的靜力水準點和2074m、2035m高程廊道兩岸的基準點布設(shè)，不同高程面的幾何水準測點統(tǒng)計表，見表1；靜力水準測點統(tǒng)計表，見表2。

表1 不同高程面的幾何水準測點統(tǒng)計表

表2 靜力水準測點統(tǒng)計表

4.2 壩體垂直位移分析

4.2.1 長序列監(jiān)測資料分析

通過對比可知，2074m高程幾何水準測值相對靜力水準測值反應(yīng)更客觀，接近實際監(jiān)測值。2074m高程幾何水準測值過程線，見圖1。

圖1 2074m高程幾何水準測值過程線

1)2001年11月—2002年1月在大壩15壩段測點LD29、左岸基巖測點LR15-LR19發(fā)生位移1.8mm，分析原因為該時段承建單位的不同測量方法所致。1997年10月—2002年1月上游水位升高至2178m期間，大壩沉降變形增加，7、15壩段垂直沉降增加1.0mm，11壩段增加1.2mm，左、右岸基礎(chǔ)變形保持在約1mm，總體表現(xiàn)為沉降變形河床部位大于大壩兩岸。

2)2002—2010年庫水位維持在正常蓄水位，各監(jiān)測點未發(fā)生顯著的規(guī)律變形，呈現(xiàn)出年內(nèi)周期性小幅度變化，年變化值約為1.5mm。

3)通過對比，上游水位變化對大壩沉降影響和原型觀測試驗相差不大。

4)受外界環(huán)境、溫度等影響，高程2074m的垂直位移變化規(guī)律呈現(xiàn)出一定的周期性，河床壩段體現(xiàn)較為顯著，具體表現(xiàn)為溫度降低，混凝土預冷收縮，測點下沉；溫度升高，測點抬升。

5)2074m靜力水準測值出現(xiàn)較多突然抬升或間斷，可靠度低、連續(xù)性較差造成長序列資料不完整。但局部時間段連續(xù)性好、精度高，在加密觀測等小量值變形性態(tài)分析中應(yīng)用效果較好。

4.2.2 原型觀測試驗時段

4.2.2.1 2009年2-3月

2009年2-3月9壩段的靜力水準測值變化線，2009年2-3月9壩段靜力水準測值變化線，見圖2；2009年2-3月原型觀測試驗時段2074m高程靜力水準測點位移變化圖，見圖3。由圖示結(jié)果可得：

圖2 2009年2-3月9壩段靜力水準測值變化線

圖3 2009年2-3月2074m靜力水準測點變化量

1)上游水位和2074m高程測點位移呈現(xiàn)正比例變化，河床壩段比兩岸壩基相關(guān)性較好，各測點的變化量相比其較大。

2)試驗期間上游水位回落，沿壩軸線方向下沉量為：左、右岸基礎(chǔ)沉降量較小；7、15壩段下沉0.1mm，9、13壩段下沉0.3mm。庫水位上升時，左岸基礎(chǔ)部位無明顯沉降，7、15壩段抬升0.1mm，9、13壩段抬升0.2mm，11壩段抬升0.25mm。

3)壩體與基巖接縫位置：右岸壩段3月7日7壩段下沉0.1mm，之前時間段無明顯錯動。左岸邊坡15壩段測點3月7日下沉0.1mm。

4.2.2.2 2004年7-8月

2004年7-8月2074m靜力水準測點變化圖，見圖4。由圖可看出：

圖4 2004年7-8月2074m靜力水準測點變化圖

1)2004年7-8月上游水位下降，各沉陷點沉降變化不顯著。其中沿壩軸線方向左岸基礎(chǔ)部位無位移變化，7壩段下沉0.1mm，9、11壩段下沉0.3mm，10壩段下沉0.36mm，14、15壩段沉降0.2mm。

2)上游水位抬升、下降時大壩測點變形基本一致。

3)壩體與巖體接縫處未產(chǎn)生明顯沉陷變形，說明大壩此時處于彈性變形階段。

4.3 壩體位移分析

4.3.1 徑向水平位移

1)徑向水平位移基本呈現(xiàn)年周期變化規(guī)律，1-3月份壩體向下游位移明顯，7-9月份大壩受溫度影響上游位移增大，下游位移減少，位移變化符合拱壩一般變形規(guī)律。

2)受外界環(huán)境溫度影響，水平位移約占85%，水壓分量約占9%，時效分量占比較小，為6%。

3)2004-2010年受上游水位蓄水影響，水壓分量年變幅最大，在2009年達到最大值，其余年份基本保持于2180m高程附近，分析認為大壩徑向水平位移變化穩(wěn)定，未發(fā)生顯著的趨勢性變化。

4.3.2 壩體切向水平位移

1)切向水平位移同樣呈現(xiàn)出總體的年周期規(guī)律，1月-3月份低溫時大壩向兩岸位移增大，7-9月份壩體向河床位移增大，兩岸位移減小。

2)切向水平位移約占總位移的40%，水壓分量約占18%，時效分量約占32%。

3)2004-2010年水位變化較大期間水壓分量影響較大，其余時間水位保持在2177-2180m，故認為大壩切向位移變形穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

文章結(jié)合某混凝土拱壩變形監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，對比分析壩體2145m、2074m高程垂線測值和水平徑、切向位移測值隨上游水位、環(huán)境溫度的變化規(guī)律，結(jié)果表明壩體基本沉降變化過程線連續(xù)性較好，水準測點測值序列連續(xù)，未發(fā)生明顯突變，各測點監(jiān)測精度和穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。