柴河水库大坝外部变形监测资料分析

柴河水库大坝外部变形监测资料分析

王光杰

(辽宁省柴河水库管理局，辽宁 铁岭112000)

摘要：大坝变形监测是掌握坝的运行状况、保证大坝安全运行的重要措施。在柴河水库大坝的变形观测中，沿坝轴线方向(纵断面)共设了6个观测断面，沉陷和水平位移观测标点放在同一基座上，共用同一点号，共计62个位移标点。对原始监测数据和新开发的水库大坝变形监测系统资料的分析显示，大坝垂直位移变化、水平位移变化均符合土坝变形规律。

关键词：大坝变形；监测；资料分析

中图分类号：TV698.1

Analysis of Chaihe Reservoir Dam External Deformation Monitoring Data

WANG Guang-jie

(LiaoningChaiheReservoirAuthority,Tieling112000,China)

Abstract：Dam deformation monitoring is an important measure to master dam operation condition and guarantee safe operation of dam. A total of six observation sections are set along the dam axis direction (vertical section) for deformation observation of Chaihe Reservoir Dam. Subsidence and horizontal displacement observation points are placed on the same base. One point number is shard, and a total of 62 displacement points are set. Raw monitoring data and data in newly developed reservoir dam deformation monitoring system are analyzed, which shows dam vertical displacement change and horizontal displacement change are in line with dam deformation rules.

Keywords：dam deformation; monitoring; data analysis

1工程概况及变形监测点布置

柴河水库位于辽河左侧中游的柴河支流上，是一座以防洪、灌溉、供水为主，兼顾发电、养鱼等综合利用的大(2)型水利枢纽工程。主体工程由土坝、溢洪道、输水道、水电站等组成，设计总库容6.36亿m3,设计洪水位112.00m，校核洪水位116.80m。大坝采用黏土薄心墙砂壳坝型，坝顶高程117.30m，最大坝高42.3m，坝长982m，上游坝坡坡度1∶2.5、1∶3.0，下游坝坡坡度1∶2.25、1∶2.25、1∶2.5。

水库观测设备始建于1976年，大坝的外部变形观测包括沉陷观测和水平位移观测两部分。大坝的变形观测是沿坝轴线方向(纵断面)共设了6个观测断面，每个断面的两端各设有一个观测基点(采用视准线法测量)，共计16个，另有4个校核基点，每个断面由于长度不等，设置的观测标点数也不相等，沉陷和水平位移观测标点放在同一基座上，共用同一点号，共计62个位移标点(见图1)。

2柴河水库变形监测系统

2009年开发的水库变形监测系统，由全站仪采集管理子系统和变形监测管理分析子系统两部分组成。系统功能采用统一的标准化设计，运用生命周期法与原型法相结合的开发模式，开发可视化的土石坝自动化安全监测分析与评价系统软件(见图2)。

图2　系统功能结构

3资料分析

资料分析是结合原始监测数据和监测系统中的资料进行的整理分析。由于新监测系统开发时间较短，因此分析中应用原始监测数据偏多。同时也是对新监测系统的检测。

3.1大坝沉降量总体情况分析

a.根据实测资料数据(见图3、图4)，沉降量年最大值一般发生在河谷中部，最小值发生在两岸坝体高度较低的部位。其沉降量表现为中部大、两端小的趋势，符合土石坝的一般变形规律。

图3　3断面相对沉陷量过程线(1986—1995年数据)

图4　3断面相对沉陷量过程线(2010—2013年数据)

b.库水位对沉降量的影响。库水位对坝体沉降量的影响呈现出随库水位升高逐渐增大的趋势。以5断面1989年的资料为例进行分析(见图5)，5断面在1989年5月出现较大沉陷量，对比图6分析可知，这是由于1989年4月水位出现最大值。对柴河水库大坝的每个测点断面都进行了此种对比分析，分析发现：沉陷量最大值基本都发生在库水位最高点，水位变化不明显时，沉陷量变化一般都趋于稳定。

c.时效对沉降量的影响。时效对沉降量的影响是十分显著的，远大于水位的影响。随着大坝运行时间的增加，沉降总量呈上升趋势，但逐渐趋于稳定(见图7)。这主要是受土体固结的影响，土体中颗粒骨架在持续荷载作用下发生蠕变，反映了土坝固结渐趋稳定、收敛的一般规律。

图5　5断面沉陷量过程线

图6　1989年库水位过程线

图7　3断面沉陷量过程线

d.沉降量“疑点”分析。历史数据资料显示，4-3断面位移量变化曲线明显高于其他断面，经分析发现，沉降量逐年增加的变化趋势是符合规律的，与水位的变化规律也是正常的，综合分析大坝的情况，4-3断面沉降量一直很大的原因可能是该处岩石透水性较强，在建坝施工的工程中，处理欠妥，在大坝运行时产生渗流，随着时间的增加，坝体产生向下的位移，而且沉陷量逐渐增加。

3.2水平位移分析

由对柴河水库大坝各测点实测水平位移过程线的分析可知，坝体水平位移向上、下游往复绕动较为频繁，随时间的增加，整体上表现出坝顶及上游坝坡向上游变位、下游坝坡向下游变位，总量逐年增大，而增量则呈逐年减小的趋势。尤其是1990年以后，坝体各变形测点的水平位移值多有波动，但幅度远小于运行初期，且年均变位率较小，符合土坝的一般变形规律(见图8、图9)。

图8　3断面水平位移量过程线(1984—1995年)

图9　3断面水平位移量过程线(2010—2013年)

由图8~图11可以看出：各测点的水平位移与垂直位移观测值变化规律明显不同，水平位移向上、下游往返摆动现象突出，且摆动幅度较大。除观测误差外，其原因可能有以下几个方面：

a.库水位对水平位移的影响。上、下游方向的水平位移受库水位影响较显著。对比库水位过程线和水平位移变化过程线可以看出：随着库水位的升高，各高程测点向下游方向位移增加，即坝体的挠曲线向下游变形增大；库水位降低时，各高程测点向下游方向的变形减小，即坝体挠曲线向下游变形减小。以2断面为例，如图10、图11所示，水位升高，坝体向下游变形增大，水平位移的最大值一般发生在库水位最高点。如1989年4月库水位最高，最大位移量在1989年5月产生。另外，库水位反复升降形成的加卸荷载循环效应，使坝体产生一定数量的向上游方向的不可逆变形。这是上游坝坡多数测点最终变位向水库的一个主要原因。

图10　2断面水平位移量过程线

图11　1989年库水位过程线

b.时效对水平位移的影响。土坝建成后，随着运行时间的增加，其土体含水量逐渐减少、体积收缩，产生表土向中心位移的效应；而土坝固结沉降的过程，又会使土体受到挤压，造成表土向外的位移。另外，不同测点位置的位移变化也是不同的，如河谷中部测点水平位移，其绝对值普遍大于其他部位测点的同期数值。而且上游测点的变形趋于向上游移动，下游测点的变形趋于向下游移动。

4结论

a.位于河床中部测点的垂直位移、水平位移，其绝对值均大于其他部位测点的同期数值；位于河谷中部以右的多数测点垂直位移、水平位移，相对大于左岸测点的垂直位移、水平位移。

b.坝体上游测点水平位移方向总的趋势是指向上游，坝体下游测点水平位移总的趋势是指向下游。随着时间的增加，坝体各测点垂直、水平变位，在整体上呈现出总量逐年增大、增量逐年减小的趋势，表明坝体位移已趋收敛，坝体是稳定的。因此，大坝总体上的变形是正常的。

c.在影响土坝坝体垂直、水平位移的诸多因素中，以时效因子影响最大，温度及水位因子的影响较弱。这说明土坝作为由多种土料组成的散粒体，在重力作用下，其固结至始至终都起着最重要的作用。

d.大坝4-3断面沉降量明显大于其他断面，其原因可能是该断面处岩石透水性强，最终导致沉降较大。

参考文献

[1]SL 169—96土石坝安全监测资料整编规范[S].

[2]李荫龙.柴河水库土石坝观测资料整编[M].大连：大连理工大学出版社，1997.