某高面板堆石坝蓄水初期运行性态分析

张业辉，郭 伟，袁文熠，王 滔

（国电大渡河流域水电开发有限公司库坝管理中心，四川乐山，614900）

1 工程概述

1.1 概况

某水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，是该流域干流水电规划调整推荐22级开发方案的第9座梯级电站，工程等别为一等，工程规模为大（1）型。水库正常蓄水位1 842.00 m，死水位1 802.00 m，总库容7.06亿m3，其中调节库容3.87亿m3，具有季调节性能。工程开发任务以发电为主，枢纽建筑物主要由拦河坝、两岸泄洪及放空洞、右岸地下引水发电系统等组成，电站总装机容量1 700 MW。

混凝土面板堆石坝坝顶高程1 848.50 m，最低建基面高程1 625.00 m，最大坝高223.5 m，坝顶宽13.2 m，坝顶长278.35 m。大坝上游坝坡1∶1.4，下游坝坡综合坡比1∶1.65。大坝自上游至下游依次为上游压重体1B、砾石土1A、粉煤灰1AⅠ、趾板、面板、垫层区2A（2B）、过渡区3A、堆石区3B、浆砌石护坡、干砌石护坡、下游压重区，断面结构分区情况见图1。坝基防渗采用帷幕灌浆型式，帷幕灌浆孔深按伸入基岩透水率q≤3 Lu控制。两岸山体、河床基岩灌浆帷幕与趾板、面板、接缝止水形成完整的防渗系统。

大坝于2013年6月开始填筑，2014年11月开始一期混凝土面板浇筑，2016年5月二期混凝土面板浇筑完成。2016年10月初1号导流洞下闸，11月上旬2号导流洞下闸后，水位上升至1 761.00 m，2016年12月上旬，水位自1 770.00 m蓄水至死水位1802.00m。计划于2017年11月由死水位1802.00 m蓄至正常蓄水位1 842.00 m。截至2017年6月30日，水位上升至1 821.00 m。

1.2 坝基工程地质情况

枢纽区河床坝基岩体为薄层～中厚～巨厚层状白云质灰岩、变质灰岩，弱风化下段～微风化岩体上，以Ⅲ类为主。河床坝基下游堆石区保留的含漂（块）卵（碎）砂砾石层结构较紧密，具有较高的承载力和抗压缩变形能力。两岸主堆石区、下游堆石区建基岩体均为强卸荷、弱风化上段岩体，为Ⅳ类。河床趾板及垫层建基于弱卸荷、弱风化下段～微风化岩体上，以Ⅲ类为主；两岸趾板及垫层建基岩体为强卸荷、弱风化上段岩体，为Ⅳ类岩体；斜坡浅表部强卸荷岩体完整性差，且局部存在断层破碎带、挤压破碎带及卸荷裂隙夹泥等地质缺陷。

2 监测设施布置情况

在堆石坝上设置了表面变形、内部变形、面板挠度、面板接缝位移、坝体坝基渗流、面板混凝土应力应变、面板钢筋应力、地震反应等监测项目，共布设4个监测横断面。

（1）桩号0+087.50 m监测断面1-1，该断面位于左岸较陡的岸坡处。

（2）桩号0+117.50 m监测断面2-2，该断面为大坝下游最大典型河床监测断面。

（3）桩号0+162.80 m监测断面3-3，该断面为大坝上游最大典型河床监测断面。

（4）桩号0+207.50 m监测断面4-4，该断面位于右岸较陡的岸坡处。

另外，在坝顶的上、下游侧、下游坝坡1 803.50 m、1 773.50 m、1 743.50m和1713.50m高程各布设一个永久监测纵断面，共设6个监测纵断面。监测情况布置见图2、图3，大坝及面板监测仪器布置情况见表1。

图3 监测断面（0+162.80 m）Fig.3 Monitoring section(0+162.80 m)

表1 大坝及面板监测仪器布置情况统计表Table 1 Statistics of monitoring instruments for dam and slab

3 堆石坝工作性态分析

3.1 工程特点及监测重点

本面板堆石坝坝高223.5 m，宽高比1∶1.25，是目前已建工程中建于深窄河谷上的世界第二高面板堆石坝。河床部位坝基宽度只有30 m，属于典型的建于狭窄河谷中的高坝，具有坝体高、河谷特别狭窄不对称、坝基覆盖层深厚、坝体的应力与变形极为复杂、拱效应明显以及强地震区等特点，水库为所处流域控制性水库，具有季调节性能，对流域安全运行和行洪调度具有重要作用。为此，在施工时采用了一系列的工程技术措施，改善了堆石体的流变特性和面板运行工况，有效地控制了大坝变形、渗流、应力等量值。堆石体变形、面板变形、垂直缝及周边缝位移、大坝渗流仍是该面板堆石坝的监测重点。

3.2 主要监测成果分析

在可研阶段，设计单位采用三维渗流有限元、平面刚体极限平衡法、三维静力有限元等方法，对不同工况下大坝的工作性态进行了计算分析[1]。对于大坝在建设期和蓄水初期的监测数据（截至2017年6月30日），按照《混凝土坝安全监测技术规范》[2]要求进行整理分析。通过选取典型断面监测成果与设计计算成果的对比分析，从定性和定量的角度，着重分析了坝体、面板、周边缝等重点部位的工作性态。

3.2.1 坝体变形

在坝顶及下游共布设26个表面变形测点，在坝体内部布设96套水管式沉降仪，用于监测坝体变形。点位布置情况参见图2和图4。

图4 坝顶及下游坝坡表面变形测点布置示意图Fig.4 Layout of surface deformation measurement points at crest and downstream dam slope

3.2.1 .1计算成果

蓄水初期坝体变形分布规律与满蓄期基本相同，坝体沉降最大值相差较小，量值在152.4～161.2 cm之间，约占最大坝高的0.7%，均出现在位于坝体中轴线约1/2坝高处；最大水平位移相差略大，量值在28.8～42.7 cm之间。满蓄期大坝变形等值线图见图5和图6。

3.2.1 .2监测成果

（1）坝顶1 845.00 m高程6个测点顺河向水平位移在18.6～38.4 mm（TPDB13）之间，累计沉降量在50.0～108.7 mm（TPDB15）之间，累计最大沉降位于河床坝段（桩号0+117.50 m），占最大坝高的0.05%，符合堆石坝变形的一般规律。蓄水以来顺河向水平位移在5.7～12.8 mm（TPDB13）之间，沉降量在10.2～35.0 mm（TPDB16）之间，整体变形量较小。

（2）坝后坡1 743.50 m高程5个测点顺河向水平位移在9.5～102.5 mm（TPDB31）之间，累计沉降量在3.6～190.1 mm（TPDB32）之间，累计最大沉降位于河床坝段（桩号0+117.50 m），占最大坝高的0.08%，符合堆石坝变形的一般规律。蓄水以来顺河向水平位移在6.8～14.7 mm（TPDB30）之间，沉降量在3.5～11.5 mm（TPDB32）之间，整体变形量较小。

图5 满蓄期0+144 m剖面沉降量等值线图（E-B模型，单位：cm）Fig.5 Contour line of settlement on 0+144 m section during full storage(E-B model)

图6 满蓄期0+144 m剖面上下游方向位移等值线图（E-B模型，单位：cm）Fig.6 Contour line of displacement in upstream and downstream direction on 0+144 m section during full storage(E-B model)

（3）坝体内部水管式沉降仪测值显示，大坝典型监测断面（桩号0+162.80 m）坝体累计沉降量在281.7～2 170.9 mm之间，最大沉降发生在测点VDB-69（高程1 744.61 m，上下游桩号0-030.24 m），占最大坝高的0.97%，符合堆石坝变形的一般规律。蓄水以来各测点累计沉降量在-6.5～73.8 mm之间，最大沉降发生在测点VDB-65（1 743.50 m高程，上下游桩号0-141.00 m），占最大坝高的0.03%，量值相对较小。

从整体上看，坝体沉降总体趋于平稳，最大沉降位于1/2坝高处，与计算成果基本相符，河床部位沉降量大于左右岸坝坡，右岸坝坡沉降量略大于左岸坝坡，变形幅度在合理的范围内。

3.2.2 坝体应力

在大坝河床部位趾板混凝土与垫层料接触面、建基面、填筑区、面板与挤压边墙接触面、板间缝等部位共布设44支土压力计。

3.2.2 .1计算成果

竣工期主应力等值线与坝坡基本平行，且从坝顶向坝基呈现逐渐加大的趋势。整个坝体最大主应力出现在桩号0+162.80 m剖面，第一主应力最大值为2.86 MPa。

满蓄期最大主应力等值线在上游堆石区都出现上抬现象，相对竣工期而言，极值有所增大，所处的位置进一步向上游主堆石区移动。桩号0+162.80 m剖面第一主应力最大值增大到3.01 MPa，等值线分布图见图7。

竣工期剪应力最大值为0.82 MPa，满蓄期剪应力最大值为0.83MPa，均不会发生剪切破坏。

3.2.2 .2监测成果

蓄水以来各测点的压力值在0～3.92 MPa之间，整体量值较小。最大测值发生在测点EDB-40，位于右1～左1板间缝。在蓄水前，大坝土压力变化很小，测值基本都在0.01 MPa左右。

3.2.3 面板变形

面板分三期浇筑，设两条水平施工缝，第一期面板顶部高程1 740.00 m，第二期面板顶部高程1 810.00 m，第三期面板到坝顶高程。在河床受压区二期面板顶部高程1 810.00 m设一条水平永久缝。一、二、三期面板内从底部到顶部依次布设固定式测斜仪，共布设41台测斜仪。

3.2.3 .1计算成果

蓄水期面板变形分布规律与满蓄期基本相同，面板的最大挠度为48.2～55.0 cm（满蓄期），出现在河床中部1/3坝高附近,等值线分布图见图8。

3.2.3 .2监测成果

蓄水至今，库水位从1700.00m上升至1821.00 m，混凝土面板承受的外水压达121.0 m。根据实测资料绘制的蓄水期一、二期面板挠度分布见图9。

二期面板上的固定式测斜仪，其测值中不仅包括外水压引起的挠度变形，同时已包含了未蓄水时产生的挠度，经对测斜仪监测资料的整理分析，可得出以下结果：

（1）一期面板在蓄水前主要表现为：在基坑回填粘土料盖重压力下，面板下部发生垂直于盖重压力方向的挠度，上部则发生临空面方向的变化。原因是铺盖压重等荷载直接作用在一期面板下部1/3部位，而当时一期面板上部基本无约束，一期面板产生的变形符合面板变形的一般规律。

（2）二期面板蓄水前产生的挠度均表现为正向变形，主要由坝体沉降导致。蓄水后主要表现为与水压方向同向变形，但蓄水期间产生的变化量均小于蓄水前的变形量，说明大坝沉降是面板挠度变化的主要因素，蓄水引起的面板挠度相对较小。

（3）一、二期面板衔接部位是面板整体最为薄弱的区域，此部位变形较为复杂，规律性较差。国内已运行的同等规模面板坝的面板也在分期衔接部位发生异于其他部位的变形，致使面板整体变形呈现为双峰“W”型，且峰值较突出。本工程面板的整体变形也已逐渐表现出双峰“W”型的变形趋势，但因目前水位较低，两期面板衔接部位挠度分布较同等规模面板相对较平缓，在蓄水及运行期仍需持续关注其发展变化情况。

3.2.4 周边缝位移

在面板与趾板之间的周边缝上共布置三向测缝计12套，主要用于监测面板相对趾板的位移。

3.2.4 .1计算成果

蓄水期，周边缝沿趾板走向的剪切位移最大值在1.65～3.30 cm之间，发生在河床底部；周边缝沿面板法向剪切位移最大值在1.40～3.30 cm之间，发生在右岸，表现为面板下沉；周边缝基本处于张开状态，最大值在2.98～4.20 cm之间，发生在右岸。

3.2.4 .2监测成果

根据周边缝各部位三向测缝计测值绘制的过程线见图10和图11。由图可见，周边缝在三个方向上的变形均有增长，但变化量值整体均较小，小于设计计算值。

图9 一、二期面板挠度分布图Fig.9 Distribution of slab deflection of the first and second phase

图11 右岸周边缝ZDB-31测值过程线Fig.11 Values measured by ZDB-31 at peripheral joint of right bank

3.2.5 垂直缝位移

在各面板之间的垂直缝上共布置28支单向测缝计，用于监测相邻面板间缝开合度的变化情况。

3.2.5 .1计算成果

蓄水期，面板垂直缝的沿顺坡向剪切位移最大值在1.63～3.00 cm之间，沿面板法向剪切位移最大值在1.10～1.83 cm之间；张开位移最大值在1.02～3.20 cm之间，发生在右岸，压缩位移发生在河床部位，最大值在0.20～2.10 cm之间。

3.2.5 .2监测成果

绘制面板间测缝计测值过程线，见图12。由图可见，在水压等荷载作用下，面板间的垂直缝总体呈压紧趋势，但量值不大，压性缝区域未见面板产生挤压破坏现象。

3.2.6 大坝渗流

为监测面板堆石坝的渗流量，将下游围堰混凝土防渗墙改造成渗流量监测的截水墙，在截水墙顶布置1个矩形量水堰，堰底高程1 700.50 m，堰顶高程1 701.50 m，4台机同时运行时下游最高水位1 700.11 m，渗流量采用量水堰流量仪进行自动化监测。坝后量水堰布置见图13和图14。

3.2.6 .1计算成果

库水位运行达到正常水位后，在设计渗控工况的稳定渗流期，通过坝体面板的渗流量计算值为3.05 L/s，通过坝基帷幕及其以下基础（从桩号0+000.0 m～桩号0+280.0 m之间）的渗流量计算值为90.5 L/s。

3.2.6 .2监测成果

绘制坝后量水堰测得的渗流量过程线，见图15。由图可见，截至2017年6月，库水位在1 821.00 m时，坝后实测最大渗流量为132.69 L/s，比设计计算值相对大一些。主要是大坝蓄水后，在120余m高水头及发电引水的共同作用下，坝基及两岸山体地下渗流场发生变化，引起地下水位的升高，从而使渗流量偏大，尚不会影响大坝的运行安全。在后期蓄水过程中，需重点关注坝后量水堰渗流量的变化情况，日常加强渗流监测和坝后边坡及盖重区的现场检查。

图12 面板左4～左5板间缝开合度过程线Fig.12 Opening of joint between left slab 4 and 5

图13 坝后量水堰平面布置图Fig.13 Layout of water measuring weir behind dam

图14 坝后量水堰1-1剖面图Fig.14 Section 1-1 of water measuring weir behind dam

图15 坝后渗流量过程线Fig.15 Seepage flow behind dam

4 结语

监测成果表明，本水电站面板堆石坝除实测渗流量较设计计算成果偏大外，其余各类监测成果与设计计算成果符合度较高，且在正常范围内变化，变化趋势符合面板堆石坝的一般规律，现场检查未发现异常情况。综合判断，大坝在蓄水初期的运行状况正常。

由于狭窄河谷拱效应的存在，抑制了施工期堆石体的变形，堆石体变形速率相对较慢。随着时间的延续，坝体的变形将持续增大，堆石坝面板出现破坏性裂缝的可能性仍然存在；另外，库水位尚未蓄到正常水位，大坝未经历高水位的考验。因此，需控制好第三阶段蓄水上升速率并及时做好检查和监测，重点关注大坝变形及渗流量的变化情况，保证大坝安全运行。

[1]中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司.某水电站可行性研究设计报告[R].2009.

[2]DL/T 5178-2016,混凝土坝安全监测技术规范[S].