震后碧口大坝安全监测资料分析

陈 容，刘 林

（甘肃大唐碧口水力发电厂，甘肃 碧口 746412）

1 工程概况

碧口水电站位于甘肃省文县碧口镇上游3 km的白龙江干流上，控制流域面积26 000 m2，占全流域面积的80%。工程以发电为主，兼有防洪、灌溉、渔业等效益，装机容量3×100 MW，总库容5.21亿m3。枢纽工程由土石坝、溢洪道、右岸泄洪洞、左岸泄洪洞、排沙洞、引水洞、调压井、钢管道、厂房和开关站等组成。壤土心墙土石混合坝最大坝高101.8 m，坝顶有一高5.3 m的混凝土防浪墙，坝顶全长297.36 m，坝基岩石为千枚岩和凝灰岩，河床覆盖层由两道混凝土防渗墙截渗。该工程为大（2）型，主要建筑物级别为2级。

碧口大坝安全监测系统包括：大坝与水工建筑物的外部变形监测、渗流监测、内部监测。其中，外部变形监测主要针对坝体、泄水建筑物以及高边坡等部位，布设了水平位移及垂直位移监测点；渗流监测主要包括大坝浸润线、左右岸山坡的绕坝渗流和扬压力监测等项目；内部监测现有排沙洞出口应力、应变，溢洪道闸墩的应力、应变。大坝变形及坝体浸润线测点布置见图1。

“5·12”汶川特大地震使坝体发生了较大变形，变形主要发生在大坝心墙顶、防浪墙顶、坝上0+010、坝下0+007.8等部位，下部变化量较小。本文主要对震后两年半以来碧口大坝坝体变形及渗流监测资料进行初步分析。

2 “5·12”地震对大坝的主要影响

2008年5月12日，汶川发生8.0级大地震，震中位置N31.0°，E103.4°，烈度为11度[1]。震中距坝址293 km，根据中国地震局公布的烈度调查结果，地震对碧口电站坝址的影响达9度，对大坝变形影响较大。

大坝表部变形以沉降为主，地震前后最大沉降差发生在河床偏左岸坝顶处，下沉值为24.2 cm。下游坝坡自上而下各测点沉降逐渐减小，坝轴线方向河床中部沉降大于两岸。防渗心墙沉降较大坝表部小，最大沉降量为16.4 cm，发生在心墙顶部偏河床左岸，与坝顶最大沉降部位相应。

坝顶部位水平位移方向均向上游，最大位移发生在坝顶偏河床左岸，最大位移增量为15.7 cm；下游坝坡各测点位移方向均向下游，最大变形发生在下游691 m高程（2/3坝高处），最大位移增量为12.1 cm；下游670 m高程（1/2坝高处）最大位移增量为7.1 cm；下游650 m高程（1/3坝高处）最大位移增量为4.2 cm。

地震后坝体和坝基渗透压力、测压管水头基本没有变化。

3 监测资料分析

3.1 数据采集及整理

图1 大坝测点布置图Fig.1 Distribution of the monitoring points

地震后，4条引张线遭到不同程度的破坏，无法监测数据，故震后大坝变形、混凝土建筑物变形、右岸绕坝渗流（4个测点）、左岸上绕坝渗流、左岸下绕坝渗流（8个测点）及内部仪器均采用人工观测，坝体浸润线及近坝区左右岸绕坝渗流采用自动化实时采集数据。4条引张线自动化系统于2009年8月恢复，试运行期间，大坝水平位移量采用人工观测成果。

3.2 大坝沉降

碧口大坝沉陷共布置7个纵断面，分别为坝前10 m（0-010.0）、防浪墙（0-003.8）、心墙（0+000.0）、下游7.8 m（0+007.8）、691马道（0+041.8）、670马道（0+093.0）及650马道（0+142.7）。“5·12”地震当天，数据产生突变，大坝各个部位发生了明显的下沉，如图2、图3所示。以地震之前最后一次正常测值为基准值，与地震后第一次监测数据进行比较，心墙最大沉降差在测点DS-4，为164.4 mm；防浪墙最大沉降差在测点F15-1,为62.9 mm；坝前10 m最大沉降差发生在测点D11-1，为242.18 mm；下游7.8 m最大沉降差发生在测点D10-2,为240.6 mm；691马道最大沉降差发生在测点D10-3，为39.94 mm；670马道最大沉降差发生在测点D11-4，为47.89 mm；650马道最大沉降差发生在测点D11-5，为45.76 mm。

以“5·12”地震后第一次监测数据为基准，至2008年12月底为止，心墙最大沉降差为35.4 mm,测点为DS-4；防浪墙最大沉降差为38.1 mm，测点为F10-1；坝前10 m最大沉降差为34.95 mm，测点为D11-1；下游7.8 m最大沉降差为33.34 mm，测点为D10-2；691马道最大沉降差为7.17 mm，测点为D10-3；670马道最大沉降差为7.67 mm，测点为D11-4；650马道最大沉降差为7.14 mm，测点为D10-5。2008年下半年各测点沉降变形较大，说明2008年下半年大坝处于稳定过渡期。

图2 坝顶各纵断面最大竖向位移测点过程线Fig.2 Graphs of maximum vertical displacements of monitor-ing points on vertical sections of dam crest

图3 坝下游各纵断面最大竖向位移测点过程线Fig.3 Graphs of maximum vertical displacements of monitor-ing points on downstream sections

2009年度和2010年度，大坝竖向位移总体变化相对较小，各纵断面最大竖向位移及其测点如表1所示。碧口大坝竖向位移各测点的累计沉降量随时效均呈逐渐增大变化，但震后增加量呈逐渐减小趋势，符合正常沉降变化规律。

总体来讲，坝顶和下游各纵断面的实测竖向位移在靠近河床中部的测点处沉降最大，向两岸则相对较小，且除下游坝肩纵断面外，其余各纵断面在右岸的竖向位移要大于左岸，究其原因是河床部位坝体较高，相应的沉陷变形要大，这符合土石坝变形的一般规律[2]。坝前10 m、防浪墙、坝顶（心墙）及下游7.8 m测点的竖向位移受库水位变化的影响相对比较敏感，而下游面691马道及其以下各测点的竖向位移受水压影响很小；从建模分析还可知，竖向位移主要受时效变化的影响。碧口大坝运行30余年，坝体累计最大沉降量为732.58 mm（注：此处未采用2008年震后校测过的新基点高程），与坝高之比为0.72%，小于设计预留沉降量1%。碧口大坝竖向位移呈收敛趋势，趋于稳定，处于正常运行状态。

表1 大坝各纵断面最大竖向位移（单位：mm）Table 1:Maximum vertical displacements on vertical dam sections

3.2 大坝水平位移

如图4所示，“5·12”地震瞬间大坝产生了明显的水平位移，其中坝前10 m、坝顶和坝下游7.8 m均向上游位移，下游691马道及以下向下游位移。以地震之前最后一次正常测值为基准值，与地震后第一次监测数据进行比较，地震前后坝前10 m最大水平位移量发生在测点D11-1，为-156.8 mm（向上游）；坝下游7.8 m最大水平位移量发生在D11-2，为-106.9 mm（向上游）；691马道最大水平位移量发生在测点D10-3，为121.21 mm（向下游）；670马道最大水平位移量发生在测点D13-4，为70.86 mm（向下游）；650马道最大水平位移量发生在测点D10-5,为41.55 mm（向下游）。

图4 大坝各纵断面最大水平位移测点过程线Fig.4 Graphs of maximum horizontal displacements of moni-toring points on vertical dam sections

以“5·12”地震后第一次监测数据为基准，至2008年12月最后一次监测数据为止，坝前10 m最大变幅12.39 mm，测点为D15-1；坝下游7.8 m最大变幅15.81 mm，测点为D10-2；691马道最大变幅14.01 mm，测点为D10-3；670马道最大变幅5.1 mm，测点为D8-4；650马道最大变幅4.96 mm，测点为D10-5。

如表2所示，2009～2010年，大坝各纵断面最大水平位移量总体变化相对较小。坝前10 m、下游7.8 m各测点水平位移绝大多数为负值，从表2中还可看出大坝坝顶开始产生向下游位移的趋势；691马道及以下的测点水平位移测值大于0，说明691马道及以下纵断面主要发生向下游方向的变形。5个监测断面随着测点所在位置的不同，坝体水平位移的变化也不同，同一纵断面上的不同测点，水平位移变化规律相似[2]。对坝体水平位移30个测点监测数据进行建模分析，坝前10 m、下游7.8 m主要受时效变化的影响，受水压变化的影响也较大，下游坝坡测点受水压影响很小。从图4看出，水平位移变化比较均匀，坝体上、下游坝坡未见异常，坝坡整体稳定，位移变化速率逐渐减小，趋于稳定。

表2 大坝各纵断面最大水平位移量（单位：mm）Table 2:Maximum horizontal displacements of vertical dam sections

3.3 渗流监测

地震后，碧口大坝浸润线及绕坝渗流监测成果没有发生明显突变，测值正常，均低于设计值。

3.3.1 坝体浸润线

地震时，位于心墙中的J2测压管5月13日水位上升了1.29 m。其余位于堆石体、心墙中的测压管水位变化不大，J2测压管5月19日后水位趋于稳定。如图5所示，同一时间670马道高程的测压管F3管水位高于691马道测压管4～6 m左右，经对比分析2005年新增孔Y2-1、Y3-1、Y7-1、Y8-1和靠近坝体的绕渗测孔Z135测管水位发现，出现这种现象主要是由于670马道附近的右岸绕渗作用较强，对坝体渗流影响相对较大，使相应部位的坝体浸润线升高。其它部位坝体则是偏左岸的测压管水位略高于右岸，主要是碧口大坝左岸的绕坝渗流总体要比右岸显著所致[3]。总体来讲，坝体各测压管水位均低于设计值。坝下游各测压管的水位测值一般呈滞后于库水位的升降变化，且部分测压管水位变化有不太明显的年周期性。从坝顶往下游方向随着高程的降低，测压管水位受库水位变化的影响明显减弱，滞后效应却逐渐加强，一般受降雨量影响较大。

图5 坝体浸润线过程线Fig.5 Graphs of the saturation lines

3.3.2 绕坝渗流

绕坝渗流测孔所在位置不同，所以各测管水位的变化规律也不尽相同，靠坝头上游侧的Z110、Z97两个测孔的水位变化规律相近，其测压管水位主要受库水位变化的影响，与库水位同步形成年周期性变化。靠近坝头及下游的测孔，测压管水位整体上呈不明显的周期性变化。Z100水位变化大致与库水位同步呈周期性变化。位于山坡脊梁处的测孔，各测孔水位变化规律性不强，测孔Z109、Z154、Z153和Z81等的测压管水位高于库水位，水位变化呈不明显周期性变化，这是由于受降雨量变化的影响，同时也受后山梁地下水渗流的影响。右岸的Z95、Z135、Z137和Z133，它们的位置比其它右岸绕坝渗流测孔相对靠上游，各测管水位相对较高，主要受上游水位和降雨的影响；通过分析，各测管水位受上游水位变化的影响，同时降雨对各测管水位也有一定作用。

3.3.3 扬压力

如图6所示，右岸灌浆廊道内测孔FW-1测管水位变化与库水位变化呈同步周期性变化，说明该测孔扬压水位受库水位的影响较大；而FW－2在帷幕后，扬压水位测值变化小，与库水位的相关性不显著。

图6 大坝廊道扬压力过程线（单位：m）Fig.6 Graphs of uplift pressure at dam gallery

4 结 语

“5·12”地震使碧口大坝发生了明显变形，但坝坡稳定，坝体与坝基渗流正常。通过震后两年半的监测，监测数据无异常，大坝水平位移变化均匀且有一定周期性，变化趋于稳定；坝体最大沉降量小于设计预留沉降量，大坝竖向位移增加量逐渐减小，呈收敛趋势；大坝浸润线及左右岸绕坝渗流均无超过历史最大值，在设计范围内，说明大坝防渗效果良好。综上所述，碧口大坝处于正常运行状态。

[1]碧口水电站坝址工程场地安全性评价报告[R].兰州地震工程研究院.2008.

[2]金灿镐.水工观测[M].辽宁：工人出版社.1987.

[3]大唐碧口水力发电厂第三次安全定检报告[R].西安理工大学水电学院，碧口水力发电厂.2007.