呼和浩特抽水蓄能电站上水库堆石坝施工期监测数据分析*

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(1.中国水利水电科学研究院北京中水科工程总公司，北京 100038；2.中国长江三峡集团公司，北京 100038)

呼和浩特抽水蓄能电站上水库堆石坝施工期监测数据分析*

武学毅1，李忠彬2，熊成林1，任家正1

(1.中国水利水电科学研究院北京中水科工程总公司，北京 100038；2.中国长江三峡集团公司，北京 100038)

经对呼和浩特抽水蓄能电站上水库堆石坝施工期长序列监测资料进行分析，发现堆石坝施工期相对沉降量最大为858mm，约占坝高1.2%。其中填筑期最大沉降量为724mm，发生在10环附近，占施工期总沉降量的84.4%，相对稳定期最大沉降量为193mm，发生在顶部，占施工期总沉降量的22.4%，不同高程坝体沉降总体表现为靠近坝轴线大，靠近两坝坡小。坝体水平位移在12mm以内。坝体与坝基间剪切位移已基本趋于收敛，最大值在16mm以内。坝基总体表现为无水压状态，绕坝渗流水位总体较低。坝顶钢筋笼内钢筋应力变化主要受温度影响。结果表明：目前该电站上水库堆石坝各监测物理量处于稳定状态或已基本趋于收敛，堆石坝总体处于安全状态。

安全监测；呼蓄电站；堆石坝；施工期；数据分析

1 工程概况

呼和浩特抽水蓄能电站位于呼和浩特市东北部的大青山区，电站枢纽主要由上水库、水道系统、地下厂房系统、下水库工程等组成。其中上水库位于料木山顶峰的东北侧，地层岩性主要为吕梁期片麻状黑云母花岗岩和第四系残坡积物及少量的冲洪积物,建筑物主要包括沥青混凝土面板堆石坝、库盆和排水系统。沥青混凝土堆石坝坝顶高程为1943.0m，最大填筑厚度为71m，上、下游坝坡均为1∶1.75，沥青混凝土面板下依次为3.0m宽垫层、3.0m宽过渡层，过渡层后为主堆石区，主堆石区在坝轴线外与次堆石区相接。全库盆采用沥青混凝土防渗，防渗面积约为24.48万m2。

堆石坝施工期坝体变形、渗流、应力应变等监测数据的分析，将为判定坝体稳定、面板摊铺时间提供决策依据[2-6]，也将对设计方案反馈分析提供数据支撑[7]。

2 监测仪器布置

呼和浩特抽水蓄能电站上水库堆石坝主要对坝体变形、渗流、应力应变等方面进行了监测布置，共布设有5个主要监测断面。监测断面位置及监测项目统计情况见下表，上水库典型监测断面图见下页图1。

上水库坝体坝基监测断面位置及监测项目统计表

3 监测数据分析

3.1 坝体分层沉降

3.1.1 沉降时间分布

呼和浩特抽水蓄能电站上水库堆石坝于2011年7月开始填筑，同年12月基本填筑到顶，从坝体整个施工过程看，坝体相对沉降主要发生在填筑期(从开始填筑至填筑基本完成为填筑期，填筑期至蓄水前为相对稳定期，以下同)。监测数据显示，填筑期坝体月沉降量最大可达400mm，总体在16～350mm之间；相对稳定期坝体月沉降量大幅降低，2012年2月～2013年1月平均月沉降量总体在0～8mm之间，2013年4月至蓄水前(2013年8月底)平均月沉降量总体在0～2mm之间。其中2011年12月～2012年2月、2013年1～4月，受冬季寒冷气候影响管内出现冻堵，无法取得监测数据，该段时间内的沉降可能是由于冰雪融化，导致沉降管周围部分细骨料雪水浸润后流失到周围填筑粗骨料内所致，但该现象不影响总体沉降变形趋势。坝体沉降、填筑时间过程线见图2。

图1 上水库典型监测断面布置

图2 坝体沉降与填筑时间过程线

蓄水前堆石坝相对沉降总量在278～858mm之间，最大相对沉降量约占坝高的1.2%。其中，填筑期(开始填筑到2011年12月)相对沉降量在160～724mm之间，最大沉降量占最大总沉降量的84.4%(858mm)；相对稳定期(2011年12月～2013年8月)相对沉降量在10～193mm，最大沉降量占最大总沉降量的22.4%(858mm)。

由坝体相对沉降随时间变化监测数据可知，堆石坝填筑期沉降量可达总沉降量的84%；坝体填筑基本完成后，第一年内坝体月沉降量总体在0～8mm之间，第二年坝体月沉降量总体在0～2mm之间。

3.1.2 沉降空间分布

3.1.2.1 沉降变形垂向分布

坝体沉降变形垂向分布主要采用沉降测斜管监测。蓄水前堆石坝相对沉降总量在278～858mm之间，沉降最大位置在10环，大致在坝高的1/2～2/3处，坝体分层沉降分布见图3。坝体总沉降量扣除填筑期沉降量为相对稳定期沉降量，该时期沉降分布见图4。由图4可以看出，相对稳定期坝体沉降主要集中在顶部，相对稳定期沉降垂向分布不同于填筑期沉降垂向分布，主要是受填筑时间影响。

图3 坝体分层沉降分布

图4 相对稳定期沉降

3.1.2.2 沉降变形水平向分布

坝体沉降变形水平向分布主要采用水管式沉降仪监测数据。蓄水前坝体两个监测断面上、中、下三层相对沉降量分别为96mm和122mm、101mm和96mm、72mm和78mm。坝体分层沉降分布见图5和图6，坝体沉降等势线见图7和图8。

图5 坝体0+274.0监测断面沉降分布 单位：mm

图6 坝体0+094.0监测断面沉降分布 单位：mm

图7 坝体0+274.0监测断面沉降等值线 单位：mm

图8 坝体0+094.0监测断面沉降等值线 单位：mm

由图5、图6可知，坝体沉降主要表现为中间大(靠近坝轴线)、两侧(坝坡)小。由于观测房修建较晚，水管式沉降仪采集的数据实为坝体进入相对稳定期后的沉降数据，与沉降测斜管取得的同时期数据基本吻合(10～193mm)。

3.2 坝体水平位移

在坝体两坝头和大坝圆弧段中部的坝下游靠近坝顶位置，以及二、三号冲沟之间山梁断面坝下游中部位置共布置了5套垂直测斜管(安装固定式测斜仪)监测坝体水平位移。蓄水前大部分测斜管管口位移值在12mm以内，表明大坝填筑过程中水平向位移较小。

3.3 坝体与坝基剪切位移

堆石坝坝基与坝体填筑料间的剪切位移由土体位移计获取监测数据。监测成果表明：堆石坝坝基与坝体填筑料间剪切位移总体较小，剪切位移在-0.7～15.8mm之间，且位移变化与坝体填筑具有较好的相关性，目前坝基剪切变形已趋于收敛。典型位移时间过程线见图9。

图9 典型坝基剪切位移与坝体填筑时序曲线(Ⅲ断面、ST3-3测点)

3.4 渗流

为监测堆石坝填筑施工期及蓄水运行后坝基渗透水压力，在坝基和坝后堆渣体布置有渗压计。此外，为监测库盆蓄水后绕坝渗流情况，在坝体两侧布置有绕坝渗流测压管监测设备。

监测成果表明：目前坝基及坝后堆渣体各测点渗压较小或无水压，渗压值在0～2.2kPa之间。大坝绕坝渗流测压管中均有一定水位，测值在1862.5～1914.4m之间，水位变化总体受降雨影响。

3.5 应力应变

在堆石坝坝顶下游侧钢筋笼内布置有钢筋计监测钢筋应力。监测成果表明：当前钢筋应力在-22.39～21.98MPa之间，钢筋应力变化与温度呈负相关性。典型钢筋应力温度时序曲线见图10。

图10 钢筋应力计Rm1-3测点位移过程线

4 结 论

以长系列监测资料为基础，对呼和浩特抽水蓄能电站上水库堆石坝监测资料进行分析。结果表明：

a.堆石坝最大沉降量约占坝高1.2%，且沉降变形主要发生在填筑期。填筑期沉降量在278～858mm之间，最大沉降部位为坝高1/2～2/3处，最大沉降量占最大总沉降量的84.4%；相对稳定期坝体沉降量为10～193mm，最大沉降部位为坝顶，沉降自上而下呈递减分布，最大沉降量占最大总沉降量的22.4%。坝体沉降总体表现为中间大(靠近坝轴线)、两侧小(坝坡)。

b.坝基与坝体填筑料间剪切位移已基本趋于收敛，位移值在15.8mm以内。

c.坝基及坝后堆渣体基础总体处于无水压状态，渗压值在0～2.2kPa之间；绕坝渗流测压管中水位较低，水位变化主要受降雨影响。

d.坝体钢筋应力在22MPa以内，应力变化与温度呈负相关性。

[1] 武学毅，李贺新，任家正,等.呼和浩特抽水蓄能电站上水库工程蓄水验收安全监测报告[R].北京：北京中水科水电科技开发有限公司，2013.

[2] 张琰，张丙印，谢遵党,等.宝泉沥青混凝土面板堆石坝应力变形分析[C]//中国土木工程学会第十届力学及岩土工程学术会议论文集.重庆：中国土木工程学会，2007.

[3] 张运花，李俊杰，康飞.西龙池面板堆石坝应力变形三维有限元分析[J].水电能源科学，2009,27(3)：71-73.

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AnalysisofMonitoringDataDuringConstructionStageofReservoirRock-fillDaminHohhotPumpedStoragePowerStation

WU Xue-yi1, LI Zhong-bin2, XIONG Cheng-lin1, REN Jia-zheng1

(1.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearchBeijingZhongshuikeEngineeringCorporation,Beijing100038,China; 2.ChinaThreeGorgesCorporation,Beijing100038,China)

Long sequence monitoring data in construction stage of reservoir rock-fill dam on Hohhot Pumped Storage Power Station is analyzed. It is discovered that maximum relative subsidence during rock-fill dam construction stage is 858mm, accounting for 1.2% of dam height. Wherein, the maximum settlement during the filling stage is 724mm near the 10th ring, accounting for 84.4% of total settlement in the construction period. Maximum settlement of relative stability stage is 193mm on the top, accounting for 22.4% of total settlement in the construction stage. Dam settlement with different elevations is generally performed as high settlement near the dam axis and low settlement near two dam slopes. Horizontal displacement of the dam is within 12mm. Shear displacement between the dam and the dam foundation has been converged basically. The dam foundation is generally manifested as no water pressure state. Seepage water level around the dam is lower as a whole. Steel bar stress change in the reinforced steel cage at the top of dam is mainly affected by temperature. The results show that: all monitoring physical quantities of reservoir rock-fill dam on the power station are stable or have been basically converged at present. The rock-fill dam is safe.

safety monitoring; Hohhot Pumped Storage Power Station; rock-fill dam; construction stage; data analysis

*本研究为基金项目：北京中水科水电科技开发有限公司科研专项(JC-13-ZY-16)

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1673-8241(2014)08-0058-05