某高海拔土石壩蓄水安全監測資料分析

旺 加，楊 軍，呂梽檳，田振華

(1.西藏自治區拉洛水利樞紐及灌區管理局，西藏 拉薩 851414；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；3.北京中水科工程集團有限公司，北京 100038)

0 引 言

土石壩在壩工領域一直居于筑壩形式的首位。在土石壩技術取得迅速發展的同時，不同程度的老化和安全性問題，亦廣泛存在于水工領域[1]。1991年水利部編寫的《全國水庫垮壩統計資料》對大量土石壩事故原因和運行齡期作了詳細統計分析，常見事故風險包括洪水漫頂、滲透破壞、沿管道滲漏、滑坡等，大都因洪水設計標準偏低、施工質量差、防汛準備不足、缺少安全監測所造成[2]。王竹青[3]、姜景山[4]等通過對土石壩監測資料進行分析，對穩定性評價的重要性及評價方法進行了研究，研究結果表明，嚴格控制監測項目設計、儀器選型、儀器埋設等階段的標準化作業流程，確保數據采集的結果、資料整理分析及反饋等步驟的有效性，對土石壩監測資料進行及時有效的分析和穩定性評價具有重大意義。

拉洛水利樞紐及配套灌區工程位于西藏自治區日喀則市西部，樞紐工程壩址區位于距拉洛鄉下游約6 km峽谷進口河段，是雅魯藏布江右岸一級支流夏布曲干流上的控制性工程。水庫總庫容2.965億m3，正常蓄水位4 298.00 m，裝機容量42 MW。壩頂長425.6 m，壩頂高程4 305.00 m，最大壩高61.5 m，壩頂寬7 m，上游壩坡4 269.00 m高程以下為1∶1.75、以上為1∶2.0，下游壩坡在4 280.00 m高程以下為1∶2.25、以上為1∶2.0，坡腳設排水棱體，屬大(2)型Ⅱ等工程。大壩環境量監測主要有上下游水位、氣溫及降雨量等監測資料。庫水位呈一定的年周期變化，年較高水位一般發生在夏季，秋季水位逐漸下降，至次年5、6月份，水位降至最低點；上游水位已于2020年夏季達正常蓄水位4 298.00 m。

由于土石壩材料及結構的復雜性，特別是在工程施工期和運行初期，對監測資料進行整理分析，是監測工作的重點和難點。工程壩址所屬高海拔地區屬于高寒缺氧地帶，樞紐海拔4 050～4 300 m，多年平均氣溫4.8℃，極端最低氣溫零下23.9℃，多年平均降雨量310～330 mm，最大凍土深101 cm。由于負溫下填筑的黏土含水量及施工機械有效出力等難于控制，工程設計中需充分考慮雨季和季節性因素，冬季凍土、凍融循環次數及高寒氣候對壩基開挖、填筑、混凝土澆筑等有效施工期影響，根據冰凍厚度采取適當排水防凍及保溫措施，邊坡開挖均需放緩，以防止凍融循環下的邊坡失穩及黏土心墻的凍害損傷發生。凍融損傷影響延伸至監測層面，由于監測儀器布設方案、監測數據數量和質量不同于一般情況，將給數據處理及評價帶來一定難度。杜麗榮[5]、蘭雁[6]、伍文峰[7]等通過不同的工程實例，分析成果評價工程的安全狀態，解決安全穩定問題，為本文研究提供了很好的借鑒。大壩自2016年截流成功，歷經了5年的蓄、放水運行過程。本文將對大壩滲流及變形監測數據進行初步分析與計算，以綜合評價大壩的安全穩定性。

1 壩體變形及滲流監測網布設

高海拔地區土石壩面臨高寒氣候條件，負溫下黏土含水量難于控制，冰凍厚度及高頻凍融循環過程將極大影響監測儀器的工作效率，在做好防凍保溫工作的同時，合理進行監測儀器布設，嚴格控制監測儀器工作環境，是確保監測資料可靠度的重要途徑。根據拉洛水電站工程所屬設計等級、壩址區地質條件、壩體受力特征以及有關監測規范與手冊等要求，將壩體及壩址區的變形、滲流、應力等監測項目作為分析對象，在大壩及基礎埋設了大量的監測儀器和設備并進行全面監測，以了解結構物的運行狀況。

大壩監測項目綜合考慮壩體和壩基監測，在壩頂、下游壩坡4 293.00 m高程和4 280.00 m高程馬道上分別設1縱向觀測斷面；沿大壩軸線在最大壩高部位、地形突變處、地質條件復雜部位，壩體與基礎廊道布置2-2(Y0+109.91)、3-3(Y0+199.185)、4-4(Y0+276.845)3個共用的永久監測斷面；壩體另單獨布置1-1(Y0+039.91)、5-5(Y0+386.446)2個永久監測斷面，。壩頂監測儀器平面布設如圖1所示。

圖1 壩體監測斷面及主要測點布置

(1)滲流監測。每個監測斷面下游側的壩體及壩基分別布設3～4支滲壓計，共布置18支滲壓計。在每個監測橫斷面4 293.00 m高程馬道各布設2根測壓管；在2-2、3-3、4-4監測斷面4 280.00 m高程馬道各布設2根測壓管；在1-1、5-5監測斷面下游4 302.00 m高程各布設2根測壓管，共計20根。

(2)變形監測。壩頂、下游4 293.00 m高程馬道和4 280.00 m高程馬道上分別布設8～10個水平位移標點，進行大壩表面水平位移監測，同墩布置壩體水準點進行表面垂直位移監測。壩體內部在3個監測橫斷面分別布設1根深入基巖的測斜管，用以監測各橫斷面不同高程壩體，垂直壩軸線方向的水平位移，同時在測斜管中采用沉降儀測量壩體內的分層豎向位移；瀝青混凝土心墻的豎向位移通過在心墻的5個監測橫斷面底部各布設1支沉降計來完成監測；另外，為監測心墻與過渡料之間的錯動變形，布設了14支位錯計。

(3)應力應變監測。為監測瀝青混凝土心墻內部的應力應變狀態，在壩體監測斷面，分高程布設共計30支應變計和24支無應力計，同時布設38支溫度計。在基礎廊道監測斷面，共布設鋼筋計20支、應變計3支及無應力計3支。

針對壩址區地基和壩體的特點，結合地質上存在的問題，把壩體和壩基的變形、滲流場、應力等監測成果作為重點分析對象。拉洛水庫蓄水過程分4個階段：第一階段，2016年9月下旬工程截流，至水庫蓄水到4 265 m水位；第二階段，水庫通過下閘驗收，水位由4 265 m逐步蓄水至4 276.71 m；第三階段，水庫蓄水位從4 276.74 m逐漸蓄至死水位4 287.00 m；第四階段，2020年汛后逐步蓄水至正常蓄水位4 298.00 m。現針對拉洛土石壩工程特點和已有的分析方法，對首蓄期間的監測成果進行系統全面分析。

2 壩體滲流穩定性分析

壩體及壩基布置的18支滲壓計P01DB～P18DB及20支測壓管BV01DB～BV20DB，均于下閘蓄水之前埋設并開始進行觀測，主要用于監測并分析壩體心墻區、基礎及覆蓋層的滲壓水位過程線，滲壓計測值與測壓管水位呈現規律基本一致。由于受到填筑荷載引起的超靜孔隙水壓力影響，施工期大壩心墻軸線處滲壓水位與填筑高程走勢基本一致，心墻下游靠近反濾層處滲壓水位與上游水位走勢相似[8]。

蓄水期壩基滲壓過程線如圖2所示。從圖2可知，受岸坡地下水影響，上游低水位下兩岸壩基灌漿帷幕后壩基上部測點折算水位會高于上游庫水位，如1-1監測斷面壩基測點P01DB、P02DB，測值基本保持在一個相對穩定的狀態；大壩基礎及覆蓋層在蓄水以來，滲流得到了較好控制。受圍堰防滲影響，P04DB、P05DB等壩基灌漿帷幕前測點折算水位與庫水位存在相關性，但部分測點折算水位低于庫水位約18 m，無論是滲壓水位還是測壓管實測水位，都呈現出了一定的滯后性。

圖2 壩基滲壓計折算水位過程線

自下閘蓄水至2021年6月，通過繪制的壩體典型測點滲壓計、測壓管實測滲壓水位變化過程線及壩體緊靠心墻下游側滲壓水位過程線，測點P08DB與P09DB處于壩基帷幕前，測點P11DB與P10DB位于心墻后。3-3永久觀測斷面數據如圖3所示。

從圖3可知，大壩滲壓測值由低往高逐漸遞減；心墻后測點P11DB與P10DB的折算水頭與測點高程具有很強的相關性，且不隨庫水位上升而變化，說明壩體帷幕后基本處于無水壓狀態，滲壓測值未見異常，心墻工作狀態良好。BV10DB、BV11DB兩測壓管分別位于3-3監測斷面的4 293、4 280 m高程馬道，3-3斷面順河向滲壓折算水位過程線如圖4所示。

圖3 3-3監測斷面沿高程滲壓折算水位過程線

從圖4可知，河床部位壩體、壩基實測滲流壓力水頭受庫水位上升影響而增加，滲壓隨庫水位變化而升降，但明顯滯后于庫水位變化。折減主要發生在防滲心墻頂部以下高程，滲透水流經防滲心墻折減后，流經壩體下游壩殼填筑料及過渡料，基本平穩地進入壩后排水棱體并匯入下游集水溝中。整體滲壓分布規律合理，滲控系統阻水效果較好[9]。

圖4 3-3斷面順河向滲壓折算水位過程線

結合類似工程判斷[7]，壩體浸潤線、壩基滲流均在正常范圍之內，沒有突變或異常現象發生。

為了進一步對大壩滲流狀態進行分析評價，選取大壩上游設計洪水位4 298.95 m(方案F1)、下游水位4 260.33 m(方案F2)為計算工況，以3-3觀測斷面為例對壩體進行二維穩定滲流數值計算，同時對壩殼料的滲透參數進行敏感性分析。壩基帷幕底線高程4 225.48 m，帷幕標準按3 Lu考慮，主帷幕設計標準q≤1 Lu，相應滲透系數取值為3.0×10-5cm/s。滲流計算方案F1的壩殼料區滲透系數取值為1.0×10-3cm/s；方案F2壩殼料滲透系數取值為1.0×10-2cm/s。其他壩體材料滲透參數依據試驗結果取值，參數見表1。

表1 大壩二維滲流計算參數分區及取值 cm·s-1

大壩二維滲流計算成果見表2。從表2可知，計算方案F1情況下，瀝青混凝土心墻最大水平比降為39.14；下游壩殼料水平比降小于0.01，垂直比降為0.05，均小于允許比降；排水墊層的水平及出逸比降均小于0.01。計算方案F2情況下，當壩殼料滲透系數加大一個量級，取值為1.0×10-2cm/s，其他條件均相同時，從計算結果看與計算方案F1非常接近，心墻下游面最大比降為39.39；下游壩殼及排水墊層的比降均小于0.01。

表2 大壩二維滲流計算成果

在上述兩種計算工況下，壩殼料滲透系數取值為1.0×10-3cm/s或1.0×10-2cm/s時，壩體及壩基滲流場基本接近，壩殼和排水體滲透比降很低。可見，壩殼料并非滲流場形成的主要因素，心墻及帷幕承擔了防滲功能，壩體滿足滲透穩定性要求。

3 壩體沉降及壩坡穩定性分析

壩體中用于沉降監測的3套測斜管兼電磁沉降儀(以下簡稱“沉降磁環”)ES01DB～ES03DB，隨土建施工分別安裝在2-2、3-3、4-4三個永久監測斷面上。測值以下沉為正，抬升為負。測量時刻沉降磁環上測點的高程由管口高程扣除管口到測點距離得到，累計沉降值由不同時刻的高程扣除埋設基準高程得到[10]。

根據壩體豎向位移監測結果，繪制大壩表面及內部豎向位移變化過程線及豎向累計沉降等值線圖。土石壩沉降量在施工期與填筑高程正相關，隨填筑進程呈遞增趨勢；壩體沉降分布沿高程表現為從低往高遞減，中部或偏下部位沉降量最大；因填筑高程區別，呈中間大，周圍小。典型測點沉降過程線見圖5。

圖5 大壩沉降磁環沉降沿高程分布

從圖5可以看出：

(1)2-2監測斷面ES01DB累計沉降量為-0.157～+0.363 m，3-3監測斷面ES02DB累計沉降量為0.016～0.299 m，4-4監測斷面ES03DB累計沉降量為-0.077～+0.278 m。從大壩表面沉降量過程線看，受壩體填筑自重影響，大壩尚未到變形穩定期，當前壩體內沉降量較小，累計沉降量最大值為0.363 m(ES01DB，約4 260.50 m高程，2019年10月7日)，該測點位于主河床壩段，沉降量仍在發展。

(2)從2-2監測斷面ES01DB監測值可以看出，壩頂出現部分“變形抬升”(沉降量負值)，與常規分布不一致。分析認為可能是壩體砂礫石料本身沉降量就小及GPS測量管口高程導致的測量誤差所致，導致圖形部分“失真”。對比不同時刻的分布可知，2019年10月～2020年10月最大沉降增量發生在2-2監測斷面約4297.40 m高程，填筑完成后的沉降增量較小。沉降量在首次蓄水后，增長速率有減緩趨勢，說明當前沉降值主要受施工期壩體填筑高度影響，時效沉降量尚不明顯，分布規律較好，符合土石壩蓄水初期沉降特征，具有一定合理性[11]。

作為對大壩變形狀態的補充分析，本文采用加拿大GEO-SLOPE軟件和簡化畢肖普法對大壩進行壩坡穩定分析，計算斷面同滲流計算斷面。依據根據SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規范》的規定，壩坡穩定采用線性強度指標，為了避免淺層滑弧，內聚力取小值5 kPa，內摩擦角試驗值相應降低1°；本工程瀝青混凝土心墻砂礫石壩屬2級建筑物，常規條件下壩坡抗滑穩定最小安全系數為1.35，非常規條件為1.25；上游圍堰強度參數參照砂礫石壩殼料選取。具體取值見表3。

表3 大壩壩坡穩定計算巖土參數

壩坡穩定性分析計算工況及計算成果見表4，下游水位取4 260.55 m。計算成果表明，在靜、動力工況下的上、下游壩坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

表4 壩坡穩定計算及計算成果

4 壩體應力穩定性分析

根據壩料分區及填筑與蓄水過程，對壩體的應力變形進行三維數值計算分析。設計參照長江科學院茅坪溪瀝青混凝土心墻堆石壩不同級配砂礫石料與瀝青混凝土的接觸面試驗成果，摩擦角取31°，即摩擦系數取0.60。砂礫石覆蓋層取壩址漫灘1號三軸試驗成果；過渡料取塔曲階地砂礫石過渡料上包線三軸試驗成果；砂礫石壩殼料取塔曲階地砂礫石料上包線三軸試驗成果；排水料的參數參照過渡料選取；上游圍堰及排水棱體的參數參照砂礫石壩殼料選取；混凝土基座彈性模量取22 GPa，泊松比0.167，密度2.40 g/cm3；壩基微新板巖變形模量取2.5 GPa，泊松比0.3，密度2.84 g/cm3。壩體各材料參數根據室內試驗取較低值，見表5。壩體應力應變三維計算結果如表6所示。

表5 壩體填料參數

表6 壩體及心墻應力、變形三維計算結果

從表6可知：①心墻在完建期的最大主應力值為1.96 MPa，最小主應力為0.98 MPa；蓄水期正常水位下，最大主應力值為2.07 MPa，最小主應力值為0.97 MPa，均出現在心墻底部，心墻全高程無拉應力出現。計算中整體受力狀態良好，未發現剪切破壞單元，不會發生剪切破壞。②心墻上游面部位的水壓力與心墻豎向應力比值均小于1，可以認為心墻發生水力劈裂的可能性不大。正常蓄水位時心墻最大豎向位移為36.5 cm，位于心墻中部，約是壩高的0.6%。心墻最大水平位移5.2 cm，位于墻體中上部，其最大撓跨比約為0.1%，心墻發生撓曲破壞的可能性不大。③無論是完建期還是蓄水期，壩體絕大部分應力水平小于1 MPa，只有在心墻底部上游側附近局部單元應力水平超過1 MPa。蓄水期壩體中出現高應力水平的區域主要分布在壩體與心墻上游接觸面附近，該處位移矢量方向指向壩內，出現的高應力水平區域不會危及壩體的穩定性和心墻的安全，整個壩體處于安全狀態[12]。

對比應力應變實測資料，各部位壓應力量級相對不大。基礎廊道混凝土應變計變化規律基本一致，整體呈現出上游側大、下游側小的分布特征，后期基本穩定，基礎廊道監測斷面應變計變化過程線如圖6所示。從圖6可以看出，S01JCLD、S03JCLD當前應變值為33.76 με、45.42 με，應變值較小；S02JCLD當前應變值為489.35 με，應變值較大，應注意加強監測。瀝青混凝土心墻土壓力沿高程由低往高遞減，典型監測斷面應變過程線如圖7所示。從圖7可以看出，2-2監測斷面中，S06DB當前應變值為327.25 με，拉應變值較大，而S03DB當前應變值為-432.00 με，推斷為灌漿導致的壓應變突增；4-4監測斷面中，S21DB應變值分別為207.63 με，其余測點當前應變為-102.27～82.43 με；1-1監測斷面與3-3監測斷面應變值較小，當前混凝土應變基本趨于穩定。

圖6 基礎廊道典型斷面應變計應變過程線

圖7 瀝青混凝土心墻典型斷面應變計應變過程線

綜合壩體應力應變數值計算成果，可以判斷瀝青混凝土心墻處于較安全的狀態。

5 結 論

拉洛水利樞紐及配套灌區工程大壩采用瀝青混凝土心墻砂礫石壩，通過對壩體和壩基的沉降、滲壓、滲流、應力等關鍵監測數據進行整理分析，大壩在首次蓄水期間，滲壓成果反應帷幕阻水效果良好，各監測效應量變化過程和分布規律合理，壩體及基礎工作性態正常。結合滲流和應力變形有限元計算，壩體滲透、上下游壩坡抗滑穩定安全系數及抗傾覆穩定安全系數、地基應力等均滿足規范要求。

(1)壩體滲透坡降小于允許坡降，根據當地建筑材料特性和壩體分區，大壩過渡料設計突破規范，將<5 mm粒徑放寬至25%～55%。通過滲流試驗、有限元計算等專題研究，大壩滲透穩定滿足規范要求。

(2)上下游壩坡抗滑穩定安全系數抗傾覆穩定安全系數均大于規范允許值，大壩設計預留竣工后沉降超高40 cm基本合適；地基應力均小于防浪墻地基實際承載力，心墻不會出現劈裂破壞，壩體應力變形均在合理范圍內。

(3)初期下閘蓄水安全鑒定檢查發現，大壩廊道上、下游面均存在局部滲水(浸潤)，上游混凝土護坡有損壞、脫空、相鄰板塊錯位和排水淤堵等現象，不影響大壩蓄水安全運行，但后期仍需加強觀測，并及時進行處理。

(4)隨著現代技術和管理水平的發展，信息技術在大壩安全監測中的應用越來越重要[13-14]。資料整理分析方法應逐步信息化、標準化，應及時納入自動監測及預警系統、新分析模型等方法，運用到用大壩安全監測資料的采集、分析模擬及預測中，以評估工程運行狀況，預測未來發展趨勢。