觀音閣水庫碾壓混凝土重力壩位移監測資料分析

薛英霞

(遼寧省河庫管理服務中心 (遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

1 工程概況

觀音閣水庫是我國在巖溶地區修建的第四座高壩，也是我國第一座采用RCD工法修建的碾壓混凝土重力壩，由擋水、溢流、底孔及電站壩段等4部分組成。壩頂長1040 m，分65個壩段，壩頂寬10 m，最大壩高82 m，最大壩底寬61.3 m。壩體剖面為“金包銀”型式，碾壓混凝土96.6萬m3。1989年9月開工，總工期為6年，工程總投資23.19億元[1]。

觀音閣水庫大壩地處巖溶地區，地質構造復雜，巖溶發育。為掌握其變化規律，滿足工程運行期大壩安全監測的需要，設計了以河床壩段為重點，以壩體變形為主要內容的大壩安全監測體系,包括大壩水平位移、壩體撓度、壩體傾斜、基巖變形及壩基、壩頂和近壩區沉陷。安裝觀測儀器設備8種276臺(套)，詳見表1。各監測項目的監測頻次詳見表2。

(1)水平位移觀測。全壩通過三條引張線，五條倒垂線和四條正垂線及一條視準線組成大壩水平位移觀測系統，使全壩各壩段特別河床壩段壩基、壩體中部及壩頂水平位移均能得到控制。

(2)壩體撓度觀測。壩體撓度選定BL15、28和42三個壩段布設正垂線，采用多點觀測站法觀測。

表1 監測設備統計情況

表2 各監測項目的監測頻次

(3)壩基、壩頂和近壩沉陷觀測。壩基沉陷測點分別布設在灌漿廊道上游壁和排水廊道下游壁，每個壩段均有測點。壩頂沉陷測點在壩頂下游側。近壩沉陷觀測采用一等水準環線全長4 km。

2 監測數據整理

2.1 水平位移

1997年初—1999年底壩頂水平位移變幅一般壩段在8～10 mm，最大變幅為13.34 mm，略超出設計計算值(12.68 mm)。主要分布在BL15～36壩段。1998年初—1999年底壩頂水平位移變幅一般在6.0 mm左右，個別壩段最大變幅為9.74 mm，主要分布在河床內的溢流、底孔及電站壩段，遠小于理論計算值。

各測點受氣溫影響相關變化較大，壩頂廊道(高程260 m)內多數測點呈年周期性變化，對壩體水平位移受氣溫的影響存在滯后性，滯后時間約3—4月。在每年的低溫季節出現向下游位移的較大值，高溫季節出現向上游位移的較大值。除左岸擋水壩段有向上游位移趨勢外，其他壩段均出現向下游位移，但變形趨勢已經穩定，其中河床中部壩段出現向上游變形趨勢，觀測值雖略有增加，但增量值較小且逐漸趨于穩定，見圖1。壩基水平位移除右岸埡口擋水壩段有向上游位移趨勢外，其他溢流、底孔及電站壩段都有向下游位移趨勢，增量值較小，1999年測得的最大變幅為3.3 mm，見圖2。

圖1 壩頂水平位移典型過程線(BL27,BL29)

圖2 壩基水平位移典型過程線(BL5,BL15,BL42)

2.2 垂直位移

自1998年初以來，壩頂最大變幅為8 mm，測點有上升趨勢，見圖3，壩基最大變幅為3.45 mm。相鄰壩段之間差值很小[2]。

圖3 壩頂典型壩段沉陷點過程線

2.3 基巖變形

大壩蓄水以后基巖變形在 -1.6～1.2 mm之間變化，隨水位升高逐漸增大，趨勢明顯，而且排水廊道處的測值小于灌漿廊道的。自1996年以來，最大值為0.75 mm，最小值為-1.66 mm，最大變幅為1.09 mm。

2.4 壩體撓度

以BL27壩段為例，采用1997—1999三年的測值繪制撓度圖，見圖4，縱軸為壩體橫斷面豎向軸線，高程148 m表示倒垂孔內的錨固點，高程190 m、225 m表示底層和中層廊道內測點，高程260 m表示頂層廊道內測點，從圖中可以看出，變幅分布情況是壩頂遠大于壩基，壩體越高，變幅越大。

圖4 BL27壩段壩體撓度

3 回歸分析

3.1 水平位移回歸分析

混凝土重力壩水平位移的影響因素主要為自重、水深(H)、溫度及時效(t)等四類，壩體完工后自重基本不變，故分析運行期資料時著重考慮的是水深(H)、溫度及時效(t)等三類因子。現選取的水壓因子有當天庫水位和前10 d、20 d、30 d內的平均庫水位(Hn)的一次方、二次方、三次方、四次方；因壩基溫度資料不全，所以取氣溫代替壩溫。選取的氣溫因子有當天和前10 d、30 d、60 d、90 d、120 d、150 d內平均氣溫(Tn)。選取的時效因子有對數型ln(1+t1+t)和多項式t，其中t為從蓄水起到分析時段始日期的累計天數。選用1997年初—1999年底三層廊道內所有測點觀測資料建立回歸模型，以BL27壩段三層廊道測點為例，有回歸方程,見式(1)～式(3)：

δEX327=0.246H90-0.167T30+

57.487ln(781+t)-4.393×10-3t-7.263

(1)

12.333H90-0.184T+0.103T30-9.575T120+

35.874 ln(1+780+t)-2.652t+0.763

(2)

δEX127=8.52H-0.532H10-1.79T60+

8.98 ln(781+t)-4.310t-0.760

(3)

式中：δ為水平位移, mm;H為水壓因子，m;T為溫度因子，℃;t為時效因子，d。

選取典型壩段成果數據見表3。表中各因子采用逐步回歸分析方法篩選出顯著因子，從回歸成果可知，水平位移有下列特點。

表3 水平位移回歸分析入選因子

(1)回歸方程的復相關系數均在0.69以上，剩余標準差均在1.99 mm以下，實測過程線與回歸過程線擬合程度較好，以BL27壩段EL260-27和EL190-27兩個測點為例，見圖5。

(2)回歸方程中多數測點選入時效因子，且變化明顯，見表4，其中有的水平位移隨時間延長呈向下游移動趨勢，有的呈向上游移動趨勢。受時效影響，說明隨庫內泥沙淤積的增加，在較高水壓力作用下使壩基巖石裂隙進一步壓實，以及混凝土本身的徐變，從而產生非彈性變形。

(3)測點中多數隨氣溫降低呈現向下游移動趨勢，均呈現年周期性變化，僅RP5、RP7、EX301、EX129～125回歸方程未選入溫度因子。

(4)多數測點回歸方程中選入水壓因子，隨上游水位上漲呈向下游移動趨勢。

(5)多數測點的實測過程線和回歸過程線之間擬合程度較好。

3.2 對水平位移回歸分析成果的解釋

時效是影響壩體水平位移的主要因素。受時效影響，測點呈向下游趨勢變化，蓄水運行初期時效變形量較大，到1998年以后逐漸趨于穩定或回升，見圖6。

圖6 BL27壩段壩頂測點實測過程線與回歸過程線圖

由水平位移回歸成果可以看出，總體上壩頂水平位移主要受氣溫影響，有69.1%的壩段氣溫分量占第一位，其次是時效分量；中層水平位移主要受時效影響，有56.1%的壩段時效分量占第一位，其次是溫度分量；基礎水平位移主要受水壓影響，有63.1%的壩段水壓分量占第一位，其次是時效分量。壩頂(高程267 m)及中層廊道(高程225 m)內多數測點呈現不規則年周期性變化，一般在每年的低溫季節產生向下游變形的較大值，高溫季節產生向下游變形的較小值，這也是混凝土重力壩水平位移變形的一般規律。由于低溫時，下游壩面臨空溫度低于上游臨水壩面，因而溫度荷載作用使壩體產生向下游變形，反之則向上游變形，同時隨著庫水位上漲或降低，壩頂相應向上游變形減小或增大。

受時效影響，有的呈趨勢變化，說明隨庫內泥沙淤積的增加，在較高水壓力作用下使壩基巖石裂隙進一步壓實，及混凝土本身的徐變，從而產生非彈性變形，在蓄水運用初期階段屬于正常現象，對主要受時效影響的BL21、24、25、27、42壩段要加強監控和分析[3]。

4 結 語

(1)水平位移變幅一般在8～10 mm，多數部位變形已趨于穩定，僅表現為呈年周期變化的形態，大壩變形符合一般規律，反映了大壩處于彈性工作狀態。

(2)水平位移回歸成果表明，壩頂水平位移主要受氣溫影響，其次是時效；中層水平位移主要受時效影響，其次是氣溫；基礎水平位移主要受水壓影響，其次是時效。對主要受時效影響的BL21、24、25、27、42壩段要加強監控和分析。

通過對壩體位移安全監測資料的分析表明，壩基水平位移小于設計采用值，綜合壩體、壩基外觀檢查資料判斷，未發現異常現象，水庫大壩運行正常。