槐樹關水庫大壩穩(wěn)定性評價

高雅彬楊赟王春霞焦林可李生彬

(1.蘭州博文科技學院，甘肅 蘭州 730101；2.臨夏回族自治州水利科學研究院，甘肅 臨夏 731199；3.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 槐樹關水庫概況

槐樹關水庫位于甘肅省臨夏州境內，樞紐區(qū)主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、左岸溢洪道、右岸輸水洞等。槐樹關水庫大壩工程屬四級小(Ⅰ)型工程，其主要永久性建筑物包括大壩、溢洪道、輸水泄洪洞等，屬于4級建筑物，主要建筑物按50年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核。其他次要及臨時性建筑物均屬于5級。水庫正常蓄水位2543.896m，興利庫容398.98m3，設計洪水位2545.520m(50年一遇)，校核洪水位2547.920m(500年一遇)，總庫容591.00萬m3，死水位2522.655m，死庫容71.08萬m3，調節(jié)庫容120.94萬m3。設計供水能力為5.0萬m3·d-1。槐樹關水庫擔負下游50萬人口的飲水功能。

自2015以來，除壩體滲流量觀測資料較為全面，嚴重缺乏其他安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，2020年，該壩被某水利科學院評價為“二類壩”，屬于在一定控制運行條件下才能安全運行的大壩，本文通過對大壩的表面和內部變形監(jiān)測數(shù)據(jù)與庫水位進行分析以評估大壩的穩(wěn)定性。

2 項目監(jiān)測點布置

2.1 壩體表面位移監(jiān)測點

大壩表面變形監(jiān)測主要分為橫向和縱向2部分。利用全站儀、可動覘標、固定覘標等設備，通過三角網(wǎng)和水平線2種方法進行水平位移監(jiān)測。在豎向位移的監(jiān)測中，采用水準法，使用高精度的水平儀進行測量。

依據(jù)《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》(SL 60-1994)[1]的要求，并考慮到該項目的具體情況，擬在大壩防浪墻與面板連接處及大壩下游坡面布置4排15個固定位移標點，按A1～A15的順序設置固定位移點。每一個節(jié)點都能監(jiān)控到橫向和縱向的位移。依據(jù)樞紐區(qū)的觀測坐標分布，在壩體左、右2個邊坡上分別設置了6個觀測基點，其中LS1～LS6是6個水平位移工作基點，XH1～XH6是6個校核基點，如圖1所示，監(jiān)測點位置信息如表1所示。

圖1 表面位移測點安裝位置圖

表1 大壩表面變形監(jiān)測點布置信息

2.2 壩體內部變形監(jiān)測點

根據(jù)大壩歷史檢測資料，在大壩的主監(jiān)測斷面(壩橫0+061.750)的2525.00m高程布置1套水平和垂直位移監(jiān)測系統(tǒng)，分別為4個測點；水平位移監(jiān)測采用引張線水平位移計，儀器編號為EX1～EX4，EX1為壩橫0+061.750，壩縱0-31；EX2為壩橫0+061.750，壩縱0-27；EX3為壩橫0+061.750，壩縱0；EX4為壩橫0+061.750，壩縱0+17。高程均為2525.000m。垂直位移監(jiān)測采用水管式沉降儀，儀器編號為ES1～ES4，ES1為壩橫0+061.750，壩縱0-31；ES2為壩橫0+061.750，壩縱0-27；ES3為壩橫0+061.750，壩縱0；ES4為壩橫，0+061.750壩縱0+17。測點布置如圖2所示。

圖2 內部位移測點安裝位置圖

3 監(jiān)測結果分析

3.1 壩體表面變形監(jiān)測分析

根據(jù)歷史監(jiān)測資料得知，水平位移值為正表示向下游向左岸變形，反之向上游向右岸；垂直位移為正表示大壩下沉，反之代表上升。變形監(jiān)測的目標是通過獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)展開分析，從而找出變形產(chǎn)生的原因，幫助人們認識并分析導致變形的因素和規(guī)律，并對其進行有效的預防、控制、處理，最終達到保證觀測對象安全的目的[2]。

3.1.1 壩體表面水平位移

壩體表面水平位移自2022年2月15日開始監(jiān)測，其中A1～A10的表面水平位移利用水平位移工作基點LS3和LS4高程(1985系)的平均值減去XH3校核基點的高程得到，A11～A13的水平位移利用水平位移工作基點LS5的高程減去校核基點XH5的高程得到，A14～A15的水平位移利用水平位移工作基點LS6的高程減去校核基點XH6的高程得到。監(jiān)測結果顯示，壩體表面水平位移觀測值均在-2～3cm，表明壩體水平位移在時效因素的影響下，壩體的不同部位出現(xiàn)緩慢變形且趨于穩(wěn)定，因為壩體水平位移受沉降影響，這也表明壩體沉降均勻穩(wěn)定，符合面板堆石壩一般沉降規(guī)律。大壩水平位移隨時間和空間的分布情況如圖3、圖4所示。

圖3 壩體表面水平位移時間分布

圖4 壩體表面水平位移空間分布

由圖3可知，壩頂監(jiān)測點A1～A10的水平位移為均正值，表明壩頂各監(jiān)測點水平位移向下游變形，這是由于受蓄水引起的時效變形的影響。而大壩下游坡面的監(jiān)測點水平位移均為負值，即下游坡面各監(jiān)測點均向上游變形，這表明在壩低處可能由于粘土產(chǎn)生的干縮，水平位移表現(xiàn)出向上游變形的趨勢。大壩水平位移水平增長，沒有突增的趨勢，表明大壩隨著時間發(fā)生緩慢的變形，但總體在可控范圍之內。由圖4可知，監(jiān)測點A14～A15監(jiān)測點位于下游坡面高程最低，水平位移值的絕對值最小，表明大壩水平位移沿下游方向，變形逐漸減小，同時反映了土石壩的一般變形規(guī)律，即測點高程越高，壩體填筑高度越大，由運行期間水平荷載引起的位移越大[3]。

3.1.2 壩體表面沉降

本次壩體垂直監(jiān)測自2022年2月15日開始監(jiān)測，通過監(jiān)測點第1次測量的高程減去第2次測量的高程得到沉降量，結果為正值表示沉降，反之代表上升，2022年3月17日得到1組沉降量。本次沉降量加上一次的累計沉降量得到本次監(jiān)測的累計沉降量，正值代表沉降，反之代表上升，2022年4月28日得到第1組累計沉降量。近來觀測值經(jīng)過計算得到的累計沉降量隨時間和空間分布情況如圖5、圖6所示。

圖5 壩體表面沉降時間分布

圖6 壩體表面沉降量空間分布

由圖5可知，測量過程與水位關系不明顯，過程線整體呈上升趨勢，說明水庫基礎縱向位移隨時間仍有增加的趨勢，但增值逐漸變小，大壩趨于穩(wěn)定。由圖6可知，空間分布上表面沉降以河床區(qū)間觀測點為主，如A2、A4、A9、A13，沉降量比兩岸壩肩附近的觀測點大。在同一高度的各觀測點中，下沉量最大的位于壩體中心軸線觀測點，如A3、A8、A12點，呈現(xiàn)在同一高程各測點當中沉降量最大的位于壩中軸線的測點。水庫蓄水初期，壩體沉降速度較快，隨后進入穩(wěn)定期，壩體沉降速度減慢。

沉降作為堆石壩觀測變形的重要指標之一，實踐證明，主要受應力狀態(tài)與時間的影響，施工期間沉降的影響因數(shù)有填土的高度和時間，運行期間的沉降則隨時間和水庫水位的變化而變化[4]。將大壩表面變形中垂直位移的變化與庫水位利用Pearson線性相關函數(shù)作相關性分析，結果如圖7所示。

圖7 防浪墻與面板連接處各監(jiān)測點與庫水位相關性

由圖7可知，除A9以外的監(jiān)測點位A1～A10與庫水位呈現(xiàn)不同程度的正相關，而大壩下游坡面處監(jiān)測點與庫水均呈負相關，即防浪墻與面板連接處各監(jiān)測點隨庫水位的升高沉降量增加，而大壩下游坡面處隨庫水位的升高沉降量減小，可能因為壩低處監(jiān)測點受庫水位上升導致壩體內滲流浸潤線升高，更多的土體被滲水浸泡膨脹，導致壩體濕脹出現(xiàn)上升，庫水位下降后，浸潤線下降，壩體出現(xiàn)向下的沉降。觀察面板連接處各監(jiān)測點位之間的相關性，A9與其余面板連接處各監(jiān)測點均呈負相關，與其周圍各監(jiān)測點呈現(xiàn)不同規(guī)律的沉降，需對A9點位加強監(jiān)測；大壩下游坡面監(jiān)測點A11、A12、A13之間的相關系數(shù)為1，A14與A15的相關系數(shù)為0.95，說明大壩下游坡面沿壩縱連接緊密結實。

3.2 壩體內部變形監(jiān)測結果分析

3.2.1 壩體內部水平位移

壩體內部水平位移通過JTM-J7200型引張線式水平位移計測量，其工作原理是在設計測點高程水平鋪設能自由伸縮并經(jīng)防銹處理的鍍鋅鋼管，從各設計測點引出線膨脹系數(shù)很小的不銹銦鋼絲，至觀測房固定標點，經(jīng)導向滑輪，在引出線末端掛重錘，被測結構物產(chǎn)生變形，帶動錨固板移動并通過固定在伸縮接頭中的鋼絲卡頭傳遞給測量鋼絲，牽動游標讀出位移變化數(shù)據(jù)。測點的位移大小等于某時刻t的讀數(shù)與初始讀數(shù)之差，加相應觀測房內固定標點的位移量。固定標點的水平位移由壩兩端以視準線法(或其它方法)測出。

位移量的一般計算公式：

ΔL=ΔS-bh+ΔD

(1)

式中，ΔL為被測結構物的位移量，mm；ΔS為位移計實時測量值相對其基準值的變化量，mm；ΔD為觀測房內固定標點相對其基準值的變化量，mm；b為位移計銦鋼絲的線膨脹系數(shù)，b≈0.8×10-6；h為銦鋼絲的有效安裝長度，mm。

壩體內部水平位移自2022年3月17日開始監(jiān)測，4個監(jiān)測點在同一斷面和高程并沿下游走向分布。監(jiān)測點位水平位移隨時間和空間分布情況如圖8、圖9所示。

圖8 壩體內部水平位移時間分布

圖9 壩體內部水平位移空間分布

由圖8可知，壩體內部變形監(jiān)測中各測點水平位移值在-4～8mm，隨時間逐漸減小并趨于穩(wěn)定，水平位移基本呈現(xiàn)向上游變化的趨勢，且與庫水位變化沒有明顯的關系，大壩隨時間趨于穩(wěn)定。與表面變形監(jiān)測中下游坡面處各監(jiān)測點水平位移向上游變化的趨勢相一致，說明大壩下游處表面和內部的水平位移緊密相關。由內部監(jiān)測點位安裝圖可以看出，監(jiān)測點位填筑高度為EX1>EX4>EX3>EX2，圖9監(jiān)測結果顯示，向上游變形的水平位移值為EX2>EX3>EX4>EX1，說明大壩向下游的水平位移規(guī)律與填筑高度相一致，即填筑高度越大，向下游的水平位移越大。其中，監(jiān)測點EX1位于上游壩體墊層內，滲透系數(shù)為1.000e-03m·s-1，EX2位于上游壩體的過渡層，滲透系數(shù)為6.200e-06m·s-1，EX3位于主堆石區(qū)的壩軸處，滲透系數(shù)為2.900e-05m·s-1，EX4位于次堆石區(qū)，滲透系數(shù)為2.660e-05m·s-1。監(jiān)測點位中EX1滲透系數(shù)最大且受庫水位的影響也最大，因其受上游蓄水荷載的影響從而在這4個監(jiān)測點位中向上游變形的位移最小。

3.2.2 壩體垂直位移

采用水管式沉降儀對壩體內部垂直位移進行變形監(jiān)測，該儀器廣泛用于土石壩的安全監(jiān)測。水管式沉降儀觀測壩體內部沉降是利用液體在連通管的水面最終會形成同一水平面的原理制成。如果大壩內部某測量點沒有沉降發(fā)生，觀測房測量管水位不會產(chǎn)生變化；反之，如果設在壩體內部的測頭隨壩體下降，則壩面測量管水位也跟隨下降，從而判斷出內部某一測點相對于觀測房的沉降值。壩體內部垂直位移自2022年3月17日開始監(jiān)測，累計沉降量為觀測房基準點沉降(觀測房基準點高程減去觀測房起始基準點測高)加上測壓管讀數(shù)差(測壓管起始讀數(shù)減去測驗管讀數(shù))。利用累計沉降量比上測點下土層起始厚度得到的累計沉降率來度量大壩內部的垂直位移，壩體內部垂直位移分布隨時間和空間分布的情況如圖10、圖11所示。

圖10 壩體內部垂直位移時間分布

圖11 壩體內部垂直位移空間分布

圖10監(jiān)測結果表明，盡管測值過程線與水位的關系不明顯，但總體上呈現(xiàn)出上升并趨于穩(wěn)定。這表明壩基垂直位移隨著時間的推移仍然在增大，增幅有所減小，而壩體沉降則趨于穩(wěn)定。由圖11可知，壩基垂直位移主要受到自重影響，其分布規(guī)律沿著各個壩段也呈現(xiàn)出河床段較大、邊坡壩段較小的趨勢，這與壩高變化基本一致。數(shù)據(jù)趨于平緩數(shù)值逐漸變小，同時EL.2525.000m高程的ES1～ES4 4個測點斷面同時期沉降速率基本相同，表明沉降速率符合堆石壩一般變形規(guī)律。

因為壩體變形隨庫水位變化有一定的滯后性[5]，因此將壩體滯后的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)與正常監(jiān)測時間的庫水位進行Pearson線性相關性分析，探究大壩變形規(guī)律。

由表2可知，變形監(jiān)測相對庫水位監(jiān)測時間滯后2個時段時，各監(jiān)測點位水平位移與庫水位均呈正相關關系，在庫水位和壩體變形監(jiān)測同步時，各監(jiān)測點位與庫水位均呈負相關，說明大壩的變形相對于庫水位變化具有滯后性，且大概滯后2個監(jiān)測時段。由于觀測數(shù)據(jù)較少，得到的結論較模糊，因此后續(xù)需加強對大壩變形的監(jiān)測，分析比較數(shù)據(jù)，得到較可靠的結論。

表2 監(jiān)測點垂直位移與庫水位相關系數(shù)表

4 結語

本文研究結果表明，表面變形監(jiān)測中壩體水平位移分布與壩體填筑高度相關，高程越大，位移越大。壩體表面沉降均勻、穩(wěn)定，垂直位移隨吋間仍有增大趨勢，但數(shù)據(jù)趨于平緩且數(shù)值逐漸變小，符合面板堆石壩一般沉降規(guī)律。表面變形監(jiān)測中壩體頂部監(jiān)測點與庫水位呈正相關關系，即庫水位升高壩體沉降增大，庫水位減小，壩體沉降量減小，這一點也與張博等對豐滿大壩的垂直位移監(jiān)測結果相一致[6]。而大壩下游坡面處監(jiān)測點與庫水位呈負相關，可能因為壩低處監(jiān)測點受庫水位上升導致壩體內滲流浸潤線升高，更多的土體被滲水浸泡膨脹出現(xiàn)壩體上升，庫水位下降造成浸潤線下降，從而壩體出現(xiàn)沉降。內部變形監(jiān)測中，大壩向下游變形的水平位移規(guī)律與填筑高度相一致，即填筑高度越大，向下游的水平位移越大。壩體垂直位移隨時間仍有增大趨勢，但增幅減小，壩體沉降趨于穩(wěn)定，內部沉降較庫水位變化滯后2個監(jiān)測時段，滯后的內部沉降位移與庫水位呈正相關。大壩變形監(jiān)測是土石壩的重要監(jiān)測項目，大壩位移是大壩工作性態(tài)的綜合反映，是判斷大壩安全與否重要標準[7]。本文通過對大壩表面和內部的變形監(jiān)測，挖掘土石壩變形規(guī)律，揭示其變形特性及安全形態(tài)，對大壩的安全運行具有重要意義。