白莲河抽水蓄能电站面板堆石坝监测设计与监测资料分析

甘孝清，杨 弘，宁 晶

（1.长江科学院工程安全与灾害防治研究所，湖北武汉，430010；2.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南长沙，410014）

湖北白莲河抽水蓄能电站上水库面板堆石坝坝高62.5 m，在同类型大坝中属于中等规模。150 m以下级别面板堆石坝在我国的发展已较为成熟，但面板堆石坝在蓄水和运行过程中仍普遍存在面板开裂和渗漏的问题。湖北白莲河抽水蓄能电站面板堆石坝于2009年正式蓄水，至今已运行近4年，从安全监测和现场巡视的结果来看，大坝面板无明显裂缝（除少量因2008年极端寒冷天气造成的表面浅层冻裂外），大坝沉降稳定，蓄水前后的沉降变化小于10 mm，大坝渗漏总量小于1.2 L/s，大坝防渗体系防渗效果良好，这在同类型大坝中是少见的。笔者简要介绍其安全监测设计与安全监测成果。

1 白莲河面板堆石坝概况

湖北白莲河抽水蓄能电站上水库为新建水库，其挡水建筑物由1座主坝和3座副坝组成。主坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程312.50 m，“L”型防浪墙顶高程313.70 m，最大坝高62.50 m，坝顶长度291.913m，坝顶宽6.0m，上、下游坝坡坡比均为1∶1.4。

坝体填筑自上游至下游依次为盖重区、垫层区（含特殊垫层区）、过渡区、上游堆石区、下游堆石区及大块石护坡。其中盖重区为风化土料；垫层区（2A）及过渡区（3A）坡比均为1∶1.4，水平宽度分别为3 m、4 m；过渡层下游侧为上游堆石区（3B），在上游堆石区下游侧设下游堆石区（3C），其上游坡比5∶1；坝下游面设厚为100 cm的干砌块石护坡层。垫层料、过渡料、上游堆石区为弱风化～新鲜花岗岩，下游堆石区为弱风化花岗岩。

为保证主坝上游面的施工质量，防止面板在水库蓄水和运行过程中产生过大变形导致开裂，大坝上游面防护采用了挤压式混凝土边墙新工艺进行施工。挤压式边墙断面为梯形，以铰接的方式使边墙可适应垫层区的变形，其底部不会形成空腔，有效避免空腔对面板的不利影响。

面板为钢筋混凝土等厚面板，厚度为40 cm。面板设垂直缝，共27条。其中张性垂直缝间距8.00 m，压性垂直缝间距16.00 m。右岸设张性缝5条，左岸设张性缝15条，中间设压性缝7条。面板采用中热纤维混凝土，单层双向配筋，混凝土强度等级C25，抗渗等级W10，抗冻标号F100。

2 安全监测设计

2.1 坝体内部变形监测

坝体内部沉降监测共设置4套水管式沉降仪，分别布置在主坝0+110和主坝0+170两个断面的高程288.500 m和高程268.500 m处。坝体内部横向水平位移监测共设置4套引张线式水平位移计，测点布置在与水管式沉降仪相同的位置。沿坝轴线方向的侧向位移监测共设置了2组土位移计，分别布置在高程274.000 m和高程290.000 m处。混凝土面板挠度监测则利用水管式沉降仪和引张线式水平位移计上游侧测点的测值近似推算面板挠度。坝体内部变形监测仪器布置见图1。

图1 内部变形监测断面布置图Fig.1 Monitoring section arrangement plan inside the dam

2.2 表面变形监测

根据坝体结构特点，主坝共布设4条视准线进行水平位移观测，计20个测点、8个端点。其中，坝顶迎水面视准线设于面板高程308.000 m，背水面3条视准线分布于坝顶、高程290.000 m马道和高程270.000 m马道。主坝垂直位移观测点布设结合视准线观测进行，采用剖面方式布设，即在每个视准线测点处同时布设1个垂直位移观测点，共布20个测点，见图2。

2.3 混凝土面板监测

混凝土面板监测仪器布置综合考虑边坡地形情况，按特殊部位和适当的间距共布置了5个监测部位（面板），分高程307.000m、288.500m、268.500m、256.500 m集中布置。混凝土面板所布置的监测仪器主要有二或三向应变计组、无应力计、钢筋计、测缝计、温度计等，一般为成组（2～4种仪器）布置，其测值与变化情况可互为对照、综合分析，以确定监测成果的有效性、合理性与准确性。

图2 表面位移测点布置图Fig.2 Distribution of monitoring points for surface displace⁃ment observation

面板周边缝采用3向测缝计监测，共6套，分别布置于连续或转折的趾板、挡墙以及地质、地形条件复杂的周边缝处。

面板监测仪器布置见图3。

图3 混凝土面板监测仪器布置图Fig.3 Arrangement plan of concrete panel monitoring instrument

2.4 渗流监测

为了监测坝基（趾板基础）防渗施工效果以及坝基的渗流情况，结合地质地形条件与相关监测布置，在主坝防渗帷幕下游侧的基础部位布置了3个渗透压力监测横断面。一般每个断面在防渗帷幕后等距布置3-4支渗压计。

在主坝右坝肩防渗帷幕后布置6个绕坝渗流地下水位观测孔，主坝左坝肩挡墙附近布置3个绕坝渗流地下水位观测孔。

混凝土面板周边缝的渗漏监测采用分布式光纤温度测量系统新技术，它是通过测量光纤（光缆）沿线环境温度场的变化监测渗漏情况。

在大坝下游坡脚设置1座矩形量水堰，监测面板堆石坝总渗漏量。

3 主要监测成果分析

3.1 大坝沉降

至2011年12月底，坝体实测最大沉降为330.39 mm，发生在主坝0+170、288.5 m高程的V2-3测点，沉降量约为坝高的0.53%，与国内同类型面板堆石坝相比，主坝沉降量较小。上水库蓄水前，大坝沉降已基本趋于稳定。2009年8至11月首次蓄水期间，大坝沉降增加约8 mm左右。蓄水至设计水位后，大坝沉降再次趋于稳定，如图4所示。

图4 坝体沉降变化过程线图Fig.4 Graph of dam settlement

坝体沉降空间分布如图5和图6所示。同一高程内，河床中部的坝体沉降量比靠近右岸部位的沉降量大。同一断面内，288.5 m高程的沉降量比268.5 m高程的沉降量大。同一断面同一高程处，坝体中部的沉降量比上、下游侧的沉降量大。主坝沉降符合土石坝的沉降规律。从横断面沉降分布来看，坝体上游、中部及下游的不均匀沉降较小。从坝轴线纵断面沉降分布来看，左岸沉降与右岸沉降基本呈对称分布，两岸的不均匀沉降亦较小。

3.2 混凝土面板监测

3.2.1 面板钢筋应力

面板钢筋应力变化过程见图7，最大拉应力为18.80 MPa，最大压应力为29.00 MPa，目前大多数部位的钢筋承受压应力，位于库底的两个钢筋计承受拉应力。面板钢筋应力与面板温度呈负相关关系，温度升高时，钢筋应力降低，温度降低时，钢筋应力增加。上水库蓄水期间，钢筋应力出现了一个骤升的过程，但上升幅度不大，约12 MPa左右，之后趋于平稳，目前随面板混凝土温度呈正弦规律变化。

图5 主坝坝体沉降分布图（坝轴线纵断面）Fig.5 Distribution diagram of main dam body（vertical section of axis of the dam）

图6 主坝坝体沉降分布图（横断面）Fig.6 Settlement distribution of dam body(cross section)

图7 面板钢筋应力变化过程线Fig.7 Graph of steel stress in the panel

3.2.2 面板混凝土应力应变

面板混凝土应变变化见图8，目前最大压应变为236.41με，最大拉应变为173.24με，这与国内同类型面板堆石坝相比较，拉、压应变均较小。混凝土应变的变化规律与混凝土温度呈正相关关系，应变随混凝土温度升高而增加，随混凝土温度降低而减小，说明面板混凝土产生的应变主要受温度影响，而受外界水压荷载影响较小。

图8 面板混凝土应变变化过程线Fig.8 Graph of strain of the panel concrete

结合无应力计监测成果分析计算混凝土应力得，平行于面板的水平向和顺坡向方向的压应力值分别为0.18 MPa和0.29 MPa，垂直于面板方面的压应力值为0.23 MPa，低于设计值0.6 MPa。

3.2.3 面板接缝及周边缝

主坝面板垂直缝的最大开度为2.28 mm，最大闭合度为2.78 mm。蓄水对面板垂直缝开合度影响不大，其主要受温度影响：温度升高，混凝土膨胀，开合度减小；温度降低，混凝土收缩，开合度增加。

周边缝变形监测成果见图9，开合度x方向、面板相对趾板的剪切位移y方向蓄水前变化较小，且一直比较稳定。蓄水期间水平位移有少量增加（小于2 mm），目前最大水平位移值为4.87 mm，与设计值16.2 mm相比较低，之后趋于稳定。面板相对趾板的沉降z方向）在蓄水期间变形增长较快，由4 mm左右骤增至10 mm左右，但仍小于设计值14.9 mm。蓄水完成后，z方向剪切位移趋于稳定。

图9 周边缝变形过程线图Fig.9 Graph of deformation of peripheral joint

3.3 大坝渗流

3.3.1 坝基渗压

蓄水到设计水位后渗透压力已趋于稳定，目前各测点渗透压力值均不大，主坝坝基平均渗透压力为0.03 MPa，最大渗透压力为0.08 MPa。水库蓄水后，距帷幕6 m的渗透压力随库水位上升稍有增加，平均增幅约0.02 MPa，距帷幕21 m以后的渗透压力基本无变化。

3.3.2 绕坝渗流

当降雨发生时，地下水位观测孔内的水位有所上升，上升幅度约为5～10 m，雨后经过3-5天时间，水位恢复至降雨前的水平。另外，通过对长时间无降雨的地下水位观测资料进行分析，发现若长时间无降雨发生，地下水位基本维持上水库蓄水前的水平，水位变动在1 m以内，与库水位无相关性。这说明上水库蓄水后无绕坝渗流的现象发生。

3.3.3 周边缝渗漏

周边缝分布式光纤两次监测成果见图10，光纤温度分两个区：（1）库水位以下的光纤温度约在6～15℃内变化，与库水温度基本一致；（2）库水位以上的光纤温度，变化幅度较大，约为3～30℃，与地表温度基本一致，夏天温度较高，冬天温度较低。库水位以下的光纤温度接近，没有温度突变的部位，说明不存在因库水入渗改变坝体温度的现象，可初步判定周边缝无渗漏。

3.3.4 总渗漏量

面板堆石坝总渗流量较小，目前实测最大总渗流量1.56 L/s，见图11。与同类面板堆石坝相比，总渗漏量小很多。由图11可看出，总渗流量与库水位没有明显相关性，实测总渗流量主要受季节性降雨影响，雨季总渗流量相应增加。据分析，主要是因坝后两岸坝肩山体内的地下水汇入量水堰引起。

图10 周边缝分布式光纤监测成果图Fig.10 Monitoring result by distributed optical fiber at the pe⁃ripheral joint

图11 主坝渗漏量变化过程线Fig.11 Graph of leakage volume

4 结语

（1）白莲河抽水蓄能电站上水库面板堆石坝监测包括大坝内部变形、表面变形、面板变形、面板应力应变、大坝渗流等，监测项目全面，监测重点部位明确，布置合理，符合国家和行业标准要求，监测系统可满足施工期、蓄水期和运行期安全监测的需要。

（2）安全监测成果表明，面板堆石坝的内部变形、表面变形不大且已趋于稳定，大坝最大沉降量330.39 mm，约为坝高的0.54%，在国内同类型面板堆石坝中沉降量较小；坝体坝基总渗漏量很小，实测最大总渗漏量为1.56 L/s；渗透压力不大、分布合理，无绕坝渗漏现象；混凝土面板结构应力应变和接缝变形均在设计范围以内；面板堆石坝工作性态正常。

（3）安全监测成果一定程度上反映了大坝施工质量，从坝体变形、面板应力、大坝渗漏的监测成果可以看出，坝体填筑和面板施工质量均较优。

[1]刘剑鸣,杨泓.湖北白莲河抽水蓄能电站安全监测设计报告[R].中国水电顾问集团中南勘测设计研究院.2005.

[2]甘孝清.湖北白莲河抽水蓄能电站安全监测资料分析报告(2011年度)[R].长江科学院.2012.