小湾特高拱坝蓄水初期垂线监测成果分析评价

韩世栋，赵 斌，廖占勇，夏家鸿

（国网电力科学研究院，江苏南京210003）

1 工程概况

小湾水电站位于云南省西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段，是澜沧江中下游河段规划8个梯级中的第二级。该工程由混凝土双曲拱坝（最大坝高294.5 m）、坝后水垫塘及二道坝、左岸泄洪洞及右岸地下引水发电系统组成。水库库容为149.14×108m3，电站装机容量4 200 MW（6×700 MW）。

小湾水电站于2008年12月16日开始首蓄期第一阶段蓄水，蓄水前水位为996.28 m，至18日8时水位为1 024.19 m，至2009年5月底坝前水位一直在1 028 m左右，6月份水位缓慢上升约10 m，到达1 039 m高程。

2009年6月29日开始首蓄期第二阶段蓄水，蓄水前水位为1 039.07 m，至7月21日12时，水位为1 124.47 m，水位上升了85.4 m。2009年8月9日开始，水位继续上升，从1 125.94 m上升到了1 160.17 m（2009年8月21日），上升了34.23 m。当前水位基本稳定在1 165 m左右，根据蓄水计划，预计该水位将保持约1年。

垂线系统作为大坝变形监测的主要手段，一直是大坝安全监测资料分析、评价的关键项目，也是数学物理模型正反分析的基础，尤其对于拱坝而言，垂线监测资料的分析是整个监测资料分析工作的重点。本文主要依据小湾特高拱坝垂线系统的监测资料，对蓄水初期坝体和坝基的水平位移进行了分析评价。

2 垂线系统

小湾拱坝共分43个坝段，分别在4号、9号、15号、19号、22号、25号、29号、35号和41号坝段布置了正倒垂线，其中22号坝段布置1组（3条）倒垂线，用以相互校核和比较不同深度的基岩变形的测值大小；4号、9号、35号和41号坝段的倒垂线深入两岸坝肩，监测两岸坝肩的变形情况。垂线监测布置图见图1。垂线于2008年12月14日左右开始起测，方向规定以向下游和向左岸位移为正。

小湾拱坝采用的是智能电容式双向垂线坐标仪，仪器采用差动电容感应原理非接触的比率测量方式。在垂线上固定了一个中间极板，测点上仪器内分别有一组上下游向的极板和左右岸向的极板，每组极板与中间极组成差动电容感应部件，当线体与测点之间发生相对变位时，则两组极板与中间板间的电容比值会相应变化，分别测量两组电容比变化即可测出测点相对于垂线体的水平位移变化量。

3 坝基位移分析

图1 大坝垂线监测布置图Fig.1 Layout of the plumb lines

垂线的观测精度较高，能准确反映坝体坝基变形情况。蓄水期间，坝基位移主要向下游和向两岸位移，分析可知[1]：

（1）首蓄期第一阶段蓄水到1 028 m，受水压力影响，坝基径向位移向下游变形，至2008年12月20日，径向位移变幅在0.3 mm以内。切向位移变化较小，最大变幅为0.15 mm。在第一、二阶段蓄水期间，随着水位趋于平稳、混凝土盖重增加以及温度影响，位移也趋于平稳或略向上游变形。

（2）典型坝段坝基蓄水前后径向位移成果对比见表1，第二阶段蓄水前后坝基面位移变化量见图2。

从坝基面位移变化量分布图看出，第二阶段蓄水至1 160 m水位，与蓄水前相比，径向位移分布呈双峰型，在15号和29号坝段处位移较大，一方面可能跟两个坝段处地质条件有关，另一方面可能跟坐标仪所处高程有关，分别位于1 027 m和1 024 m，距建基面高程约20.2 m和25.1 m（其它坝段为8～13 m），该处倒垂线的位移包含了比其它坝段多的坝体位移。其中向下游最大位移了5.71 mm（29号坝段），15号坝段径向位移变化量为4.38 mm。

图2 蓄水前后坝基面位移变化量分布图Fig.2 Displacement of dam foundation before and after impoundment

切向位移主要向两岸位移，向左岸最大位移量为3.01 mm（35号坝段），向右岸最大位移量为1.45 mm（15号坝段）。

表1 典型坝段坝基径向位移监测成果统计表（单位：mm）Table 1 :Monitoring result of radial displacement of the foundation on typical dam block

4 坝体位移分析

蓄水初期，坝体位移有以下变化规律：

（1）首蓄期第一阶段蓄水时，受水压力影响，坝体径向位移向下游变形，至12月20日，径向位移变幅在0.7 mm以内。典型测点过程线图见图3。

在第一、二阶段蓄水期间，水位基本维持不变，受坝体自重增加和气温升高等因素影响，坝体逐渐向上游变形，至2009年6月29日，向上游位移最大为11.2 mm（25号坝段1 100 m高程）。

图3 A22-PL-03测点过程线图（22号坝段1 100 m高程）Fig.3 Graph of monitoring data by A22-PL-03(1 100 m elevation on dam block 22)

切向位移变化较小，第一阶段蓄水后，位移最大变幅为0.15 mm；第一阶段蓄水后至2009年6月29日，坝体切向位移向河床位移，最大切向位移为1.49 mm（22号坝段1 100 m高程）。

（2）随着第二阶段蓄水位上升，大坝径向位移迅速向下游位移，至2009年7月21日（1 124.5 m水位），拱冠梁坝段径向位移增幅明显，向下游位移了14.99 mm（1 100 m高程）。15号坝段和29号坝段分别向下游位移5.54 mm和6.35 mm（1 100 m高程）。

与同类型高拱坝位移相比较，小湾拱坝在库水位自1 030 m增至1 124.5 m高程（总水头达174 m）的情况下，坝体最大径向位移增加了约15 mm。以青海拉西瓦拱坝为例，最大坝高248 m，底厚50 m，2009年3月底蓄水时离坝顶还有70 m未浇。该坝库水位曾在6 d内上升了109.5 m，期间实测基础最大径向位移为3.36 mm，切向为1.03 mm，坝体最大径向位移为14.32 mm，与小湾基本上处于同一数量级。

蓄水至1 160 m水位时，整个第二阶段蓄水期间，向下游位移变化量最大为31.01 mm，出现在22号坝段1 174 m高程。

（3）图4为1 100 m高程各坝段典型时段径向位移分布图。从图4来看，蓄水后河床坝段向下游位移较大，岸坡坝段向下游位移较小，这与一般拱坝蓄水期间变化规律一致。蓄水前，坝体向上游变形，蓄水至1 160 m水位后，坝体变形迅速转向下游，目前1 100 m高程坝体变形均指向下游。

图4 1 100 m高程各坝段径向位移分布图Fig.4 Radial displacements of dam blocks on the 1 100 m elevation

（4）图5为典型坝段蓄水前后挠曲线变化图。从高程上看，坝体位移自下而上逐渐增大，蓄水以后，同一坝段高程越高，一般位移变幅越大。1/4拱处两个坝段位移变幅较一致，拱冠梁坝段位移变幅最大。

（5）随着蓄水位上升，切向向两岸位移，蓄水至1 160 m水位时，22号坝段处切向位移变化量为-0.74 mm（1 100 m高程），15号和29号坝段切向位移变化量分别为-3.12 mm和2.69 mm（1 100 m高程）。切向位移最大变化了4.23 mm，出现在35号坝段1 150 m高程。

（6）22号坝段1 010 m高程和1 100 m高程横向廊道布置了静力水准进行倾斜观测。第一阶段蓄水后，坝体向下游倾斜，随后坝体向上游转动，至2009年6月29日，坝体转动了约50弧秒；随着第二阶段蓄水位上升，坝体开始向下游转动，至8月31日，转角约118弧秒。1 100 m高程坝体也向下游转动，第二阶段蓄水期间转角约117弧秒。由此可以看出，坝体倾斜变化和垂线测值规律性一致。

（7）对1 100 m高程A22-PL-03测点建立了统计模型[2]，选取库水位和坝体不同高程的拱圈平均温度作为影响因子。从模型结果来看，库水位变化对径向位移有较大的影响，水位变量变幅约占总变幅的70%。

图5 典型坝段蓄水前后挠曲线变化图Fig.5 Deflection curves of typical dam blocks before and after impoundment

5 结 语

通过以上小湾垂线监测资料的分析，可以得到以下结论：

（1）蓄水前，坝体位移主要受自重和温度影响。随着水位上升，坝体一般向下游和两岸位移，本阶段蓄水期间坝体位移变幅最大约31 mm，变形规律正常。

（2）总体来看，小湾垂线监测系统工作状态良好，精度较高，为准确了解小湾特高拱坝蓄水期变形规律提供了依据，对其它高拱坝变形监测也有重要的参考价值。

[1]国网电力科学研究院.云南小湾水电站蓄水初期拱坝及坝基坝肩安全监测分析评价报告(第三阶段)[R].2009.

[2]吴中如,沈长松,阮焕祥.水工建筑物安全监控理论及其应用[M].南京:河海大学出版社,1990.

[3]李瓒,陈飞,郑建波,等.特高拱坝枢纽分析与重点问题研究[M].北京:中国电力出版社,2004.

[4]赵志勇,邹青,胡灵芝.小湾拱坝安全监测设计与研究[C].水电2006国际研讨会:516～522.