芹山混凝土面板堆石坝监测设计与成果初步分析

1、芹山混凝土面板堆石坝监测设计与成果初步分析 芹山混凝土面板堆石坝监测设计与成果初步分析吴树延（福建省水利水电勘测设计研究院，福建 福州350001） 关键词：混凝土面板堆石坝；监测设计；监测成果分析；芹山水电站 摘 要：芹山混凝土面板堆石坝大坝监测的主要项目有：混凝土面板坝内外部水平、垂直位移，面板与趾板之间周边缝变形，面板之间垂直缝开合度及面板挠曲变形等监测；混凝土应力应变监测；坝体、坝基渗透压力和渗流量，绕坝渗流量等渗流监测。对已取得的监测成果进行初步分析，并与类似工程进行对比后认为，芹山混凝土面板堆石坝监测设计是科学合理的，大坝处于安全稳定的状态。1工程概况 芹山水电站是穆阳溪梯级开发中

2、的第一级水电站，水库总库容2.65亿m3，调节库容1.95亿m3，是具有多年调节性能的“龙头”水库，电站总装机容量70 MW，多年平均发电量1.45亿kWh。坝址处河谷狭窄，深切呈“V”形，两岸山体雄厚、地形基本对称，坝址工程地质条件良好。枢纽建筑主要由拦河坝、主要由拦河坝、溢洪道、引水系统、地面厂房及开关站等组成。 芹山水电站工程拦河坝为混凝土面板堆石坝，水库正常蓄水位755.0 m，坝顶高程760.0 m，坝基最低高程638.0 m，最大坝高122.0 m，坝顶长259.8 m，坝顶宽9.0 m。 拦河坝于1998年1月开始填筑，3月底大坝全断面填筑至657.0 m高程后，随即进行坝面过水

3、保护，汛期坝面过水；汛后于1998年9月开始坝体二期填筑，到1999年2月底临时断面填筑到720.0 m高程，之后开始浇筑一期混凝土面板；1999年10月11日导流洞下闸水库蓄水，同年12月底大坝全断面填筑至756.0 m高程；2000年1月开始浇筑二期混凝土面板，2000年7月初大坝填筑完成至坝顶760.0 m高程。2大坝监测设计21监测项目 为了确保混凝土面板堆石坝的安全运行，通过对大坝进行原型监测及资料反馈，达到监视大坝的运行状态，验证有关设计理论和计算方法的目的；同时通过监测，在施工过程中可进一步检验设计的合理性及评价施工质量。该工程大坝监测的主要项目有变形监测、应力应变监测和渗流监测

4、三大类。2.2监测系统布置及仪器埋设成活率2.2.1变形监测控制网 平面监测控制网由左右岸共10个点组成，以边角网的形式采用TC2002全站仪按二等边角网技术要求进行观测；高程监测控制网由左右岸共4个点组成两个闭合环线，采用NA3003水准仪按国家二等水准测量技术要求进行观测。2.2.2变形监测系统 （1）表面变形监测。在坝顶防浪墙、坝顶下游侧、坝下游坡以及上游面板上沿平行坝轴线布置7排共61个水平、垂直位移测点，水平位移（横向和纵向位移）采用极坐标进行观测，垂直位移采用三角高程法进行观测。 （2）内部变形监测。在大坝河床部位的横剖面，作为坝体内部水平、垂直位移的观测断面，每隔19 m分4个高

5、程布置测点。分别布置2组7测点引张线水平位移计和4组15测点水管式沉降仪，各高程上的引张线水平位移计和水管式沉降仪分别通过相应高程附近下游坝坡上的观测房内的量测设备进行观测；各观测房旁均设有表面变形观测点，可测出观测房自身的位移量。 （3）周边缝、垂直缝变形监测。在河床部位周边缝上布置1组二向测缝计，在左右岸周边缝上各布置5组三向测缝计，在靠近两岸坝肩部位面板的张性缝区域，各布置2支测缝计。2.2.3面板应力应变监测系统 在混凝土面板内、面板可能的受压区和受拉区内，沿不同高程布设应变计组、钢筋计和无应力计。共设置二向应变计组9组、四向应变计组5组、无应力计7支和钢筋计8支，由坝顶三座观测房进行

6、集中观测。2.2.4渗流监测系统 渗流监测包括坝基渗透压力、渗流量和绕坝渗流量等。在河床两侧坝基设置2支渗压计，左右岸坝基各设置1支渗压计；在大坝下游河床设置一座量水堰；在大坝左右岸各设置1个地下水位观测孔，以监测大坝蓄水后两岸岩体的绕渗情况。2.2.5仪器埋设成活率 工程内部观测仪器实际总成活率（包括不可抗拒的原因）为87.1%，其中施工干扰破坏占4.3%、仪器自身损坏占4.3%、埋设方面引起的损坏占4.3%。3监测成果初步分析3.1变形监测成果3.1.1坝体表面水平、垂直位移 坝体表面各测点实测位移成果见表1。从表1可知：坝体表面纵向水平位移量（X）较小，横向水平位移量（Y）较大；左右岸有

7、向河床的纵向水平位移，但测值均不大；Y最大值发生在河床部位最大断面附近，上游面最大测值38.1 mm，下游面最大值56.3 mm；Z最大值与Y相似，也发生在河床部位最大断面附近，但测值比水平位移值大，上游面最大值为81.7 mm，下游面最大值为66.0 mm。 此外，在施工期，主要受坝体填筑过程和堆石体龄期的影响，Z变化速率最大，Y次之，X最小；在蓄水初期，主要受堆石体龄期和库水位的变化影响，当坝体填筑高度和库水位基本不变时，堆石体龄期的影响是主要的，Z变化速率最大，X次之，Y最小；库水位对位移的影响中，Y变化速率最大，X和Z次之；外界气温的变化对坝体位移的影响不明显。3.1.2坝体内部水平、

8、垂直位移 （1）坝体内部水平位移。高程697.0 m和735 m水平位移计观测成果见图1、2。从图1、2可以看出：水平位移变化速度与库水位上升速度有密切的关系，特别是在水库蓄水初期库水位上升较快期间，水平位移变化的较快（0.60.8 mmd）；当库水位上升到700 m高程以上且库水位相对稳定阶段，水平位移的变化也相对较缓，且水平位移过程滞后于库水位约20多天。施工期和蓄水初期坝体内部各测点的水平位移方向均朝向下游，截止到2000年9月24日，大坝内部水平位移最大值：高程697.0 m处为96.0 mm，高程735.0 m处为22.0 mm。 （2）坝体内部垂直位移。坝体最大断面678.0 m和

9、697.0 m高程处各测点垂直位移变化过程见图3、4。在同一高程上，坝体内部垂直位移测值在坝轴线的测点最大，向坝轴线上游测值逐渐减小，如高程697.0 m从坝轴线往上游的4个测点(见图4)，2000年9月24日实测累计值分别为655.0、517.0、405.0 mm和209.0 mm，分别约占总坝高的0.54%、0.42%、0.33%和0.17%。在水库蓄水之前，坝体填筑时间越长，则坝体后期垂直位移越小，且在高程低处前期垂直位移量占总垂直位移量的比例比高处大，如高程678 m的4个测点(见图3)蓄水前垂直位移量分别占总垂直位移量的57%、57%、71%和76%，而高程697 m的4个测点(见图

10、4)蓄水前垂直位移量分别占总垂直位移量的31%、57%、64%和67%。3.1.3周边缝和垂直缝变形 实测周边缝三向位移值：左岸垂直于周边缝的张开值为8.1 mm，最大闭合值为9.3 mm；平行于周边缝的最大滑移（剪切）值6.6 mm；垂直于面板的最大沉陷值为7.1 mm。右岸垂直于周边缝的张开值为6.6 mm，最大闭合值为7.8 mm；平行于周边缝的最大滑移（剪切）值11.2 mm；垂直于面板的最大沉陷值为15.0 mm。周边缝变形主要受库水位和外界温度的影响，张开度或闭合度受外界气温影响较明显，而滑移和沉降受库水位的影响较明显。周边缝变形蓄水初期随库水位的升高而迅速增大，库水位上升速度快，

11、周边缝变形速率也大，但随后变化速率减少，变化趋势逐渐趋向平缓。受岸坡开挖形状的影响，左右岸周边缝最大测值发生在岸坡较陡或坡度变化部位附近。实测面板最大张开值为1.9 mm，测值不大。3.2面板应力应变监测成果 面板混凝土应变以压应变为主，面板变形总体上大致呈“锅底形”，仅在局部边角区出现较小的拉应变。河床部位面板实测应变量最大值为：水平向最大压应变在高程697.0 m处为-37810-6，相应顺坡向压应变为-17910-6；顺坡向最大压应变在高程666.0m处为-35210-6，相应水平向压应变为-26610-6；顺坡向最大拉应变在高程735.0 m处为15210-6，相应水平向压应变为-17

12、810-6。左岸部位面板实测应变量最大值为：水平向最大压应变在高程697.0 m处为-10910-6，相应顺坡向压应变为-12210-6；顺坡向最大拉应变在高程716.0 m处为3010-6，相应水平向压应变为-9010-6。右岸部位面板实测应变量最大值为：水平向最大压应变在高程716.0 m处为-14810-6，相应顺坡向压应变也为最大值-12110-6；顺坡向最大拉应变在高程735.0 m处为4610-6，相应水平向压应变为-5510-6。面板应变一方面随库水位升高，压应变增大，应变沿最大坡面上的分布图形类似挠曲变形图形；另一方面，随混凝土温度升高，混凝土膨胀压应变减小，而拉应变增大。根据已建工程资料统计，面板压应变一般在-10010-6-40010-6之间，拉应变一般在10010-6以下。因此与其他类似工程相比，本工程混凝土面板的压应变不大，仅河床面板高