白石水库大坝安全监测资料数据分析

张研宇

(辽宁省白石水库管理局有限责任公司，辽宁 朝阳 122000)

1 水库大坝安全监测系统

1.1 工程概况

白石水库位于辽宁省北票市上园镇附近的大凌河干流，是干流上唯一的大(1)型控制性骨干工程。大坝及枢纽主要建筑物为1级建筑物，洪水重现期按500a一遇洪水设计，5000a一遇洪水校洪[1-3]。白石水库于1996年9月正式开工，1999年9月下闸蓄水，2000年底完工。

白石水库总库容为16.45亿m3，兴利库容为8.70亿m3。大坝为碾压混凝土重力坝(RCD)，坝顶高程134.3m，最大坝高49.3m，坝顶长513m，坝体分为32个坝段，编号为0#-31#坝段。设置11个溢流表孔，12个泄洪排沙底孔，二级城市取水管，3条引水发电压力钢管，坝后地面式电站厂房。

1.2 安全监测布置

白石水库大坝设置有变形、渗流、坝体应力应变、温度、环境量等监测项目，具体监测项目布置情况如下：①坝顶变形监测：布置2条三维倒垂线和1套真空激光准直系统，安装2台三维垂线坐标仪、30个激光监测点；②坝基变形监测：布置2条三维倒垂线，1条引张线和1套静力水准系统，安装2台三维垂线坐标仪，19台引张线仪，14台静力水准仪；③坝体越冬预留缝监测：在24#、26#坝段各布置3支差阻式测缝计(均已损坏失效)；④基岩变位监测：在9#坝段基础廊道的上、下游各布置1组差动变压式多点基岩变位计(已经失效)；⑤坝基扬压力监测：布置1个纵向扬压力监测断面和3个横向扬压力监测断面，共47个扬压力监测点；⑥坝体、坝基渗流监测：设置坝体排水孔109个，坝基排水管244个，安装3套量水堰和3套集水井测量控制装置；⑦绕坝渗流监测：共设置13个绕坝渗流监测孔，右岸4个(其中RY1未安装仪器)，左岸9个；⑧坝体应力、应变及温度监测：坝体混凝土施工时，安装了55支差阻式温度计、4组5向差阻式应变计、4支差阻式无应力计、4支差阻式应力计，共83支内观仪器；⑨环境量监测：包括库水位监测、降水量监测和气温监测等。

目前，白石水库已实现安全监测自动化，除环境用水量使用水情部门提供的数据外，接入安全监测自动化系统中的测点数量共计215个，自动化采集频率为2次/d。

1.3 系统无故障时间与数据采集缺失率

自动化系统可靠性可用平均无故障时间进行考核，平均无故障时间(MTBF)是指两次相邻故障间的正常工作时间，其计算公式如下：

(1)

式中：ti、ri为考核期内设备i的工作时数和出现故障的次数；n为系统内设备总数。结果显示，水库自动化系统平均无故障时间为6480h(≥6300h)，满足规范要求。

数据采集缺失率是指在考核期内未能测得的数据个数与应测得的数据个数之比，错误测值与超一定误差范围的测值也作为缺失数据，表达式为：

η=ρ/ω×100%

(2)

式中：η为数据采集缺失率；ρ、ω为未能测得和应测得的数据个数，统计结果如表1。

表1 自动化系统数据缺失统计

通过计算，2019年水库自动化系统数据采集缺失率为7.79%，超过规范规定(≤2%)，建议加强对自动化系统的维护，同时应及时对出现故障的仪器进行维修。

2 资料数据分析

2.1 坝顶变形监测分析

1)坝顶水平位移观测。坝顶三维倒垂线、坝顶真空激光准直系统组成了坝顶水平位移监测系统，其中坝顶真空激光准直系统共有传感器30个，测点编号为DJ1-DJ30，用于监测坝顶1#-30#坝段相对于0#以及31#坝段的水平位移。根据观测成果可知：坝顶向下游最大水平位移为7.39mm，出现在2019年12月30日，对应测点为JD12；坝顶向上游最大水平位移为7.39mm，出现在2019年12月30日，对应测点为JD12。

坝顶水平位移过程线如图1，从监测成果可以看出：①2017年坝顶最大水平位移为7.29mm，出现在2017年12月20日，对应测点为JD12；2018年坝顶最大水平位移为7.39mm，出现在2018年12月20日，对应测点为JD12；2019年坝顶最大水平位移出现在JD12,与2017-2018年的位置相近，且出现的时间在冬季，最大位移较2017-2018年相差不大。②坝顶水平位移各测点变化趋势相同，与2017-2018年相比无明显变化，其中坝顶中部的测点比靠近两端测点的位移变化量大。③坝顶水平位移受库水位变化的影响较小，受环境温度的影响较为显著，主要表现为在高温季节向上游移动，在低温季节向下游移动，随温度的升降呈周期性变化；且坝顶水平位移量与环境温度的变化成正比，环境温度变化越大，水平位移量也相应的增大[4-6]。

图1 坝顶水平位移过程线

坝顶三维倒垂线共有传感器2个，坐标仪编号IP1、IP2，用于监测0#以及31#坝段坝顶3个方向的绝对空间位移。坝顶三维倒垂线系统观测成果见表2和表3。根据观测成果可知：在X向最大水平位移为-39.16mm(表现为向上游变形)，最大变化量为1.72mm；在Y向最大水平位移为-4.90mm(表现为向右岸移动)，最大变化量为3.48。

表2 坝顶X向水平位移特征值统计表 mm

表3 坝顶Y向水平位移特征值统计表 mm

2)坝顶垂直位移。坝顶垂直位移监测系统由坝顶真空激光准直系统、坝顶三维倒垂线组成，坝顶精密水准网校核。坝顶真空激光准直系统共有传感器30个，测点编号为DJ01-DJ30，用于监测坝顶1#-30#坝段相对于0#以及31#坝段的相对垂直位移。从年度观测成果来看，坝顶最大垂直位移为-8.68mm，发生在2019年09月29日，测点编号为JD28。

真空准直系统相对垂直位移过程线如图2，从观测成果可知：①2017年坝顶垂直位移在-4.38-4.24mm之间变化；2018年垂直位移在-7.09-4.36mm之间变化；2019年垂直位移在-8.68-4.36mm之间变化较2017-2018年无较大变化且出现的位置相近。②各测点变化基本相同，与2017-2018年变化趋势基本一致，主要表现为随环境温度呈周期性变化；当环境温度升高，测点位移趋于上升，表现为垂直向上；当环境温度降低，测点位移趋于下沉，表现为垂直向下；且坝顶垂直位移量与环境温度的变化成正比，环境温度变化越大，水平位移量也相应增大符合混凝土坝变形的一般规律。

图2 坝顶垂直位移过程线

坝顶三维倒垂线共有传感器2个，坐标仪编号IP1、IP2，用于监测0#以及31#坝段坝顶三个方向的绝对空间位移。三维垂线垂直位移观测成果见表4，从观测成果可以看出：最大垂直位移为12.43mm。

表4 坝顶垂直位移特征值统计表 mm

2.2 坝基变形监测分析

1)坝基水平位移。坝基水平位移监测系统由廊道引张线系统、廊道三维倒垂线组成。廊道引张线系统共有传感器19个，测点编号为EX7-EX25，用于监测7#-25#坝段相对于6#以及26#坝段的坝基水平位移。根据观测成果可以得知：坝基最大水平位移为46.69mm，发生在2019年03月28日，测点编号为EX19。

引张线系统水平位移过程线见图3，从观测成果可知：①2017年坝基最大水平位移为44.58mm，发生在2017年12月10日，测点编号为EX19；2018年坝基最大水平位移为坝基最大水平位移为44.96mm，发生在2018年12月12日，测点编号为EX19；2019年坝基最大水平位移较2017-2018年相差很小，且最大水平位移出现的时间相近(均出现在冬季)，均出现在测点EX19。②排除人为干预，坝基水平位移各测点变化趋势基本一致，较2017-2018年无较大变化，过程线表现平稳，表明坝基水平位移稳定[7,8]。

图3 坝基相对水平位移过程线

廊道三维倒垂线共有传感器2个，坐标仪编号为IP3、IP4，用于监测6#以及26#坝段坝基X向和Y向绝对水平位移。坝基三维倒垂线系统的观测成果见表6和表7。根据观测成果可知：坝基三维倒垂线系统向下游最大位移为0.14mm，向上游最大位移为-0.06mm；向左岸最大位移为0.41mm，向右岸最大位移为-1.57mm。

表6 坝基X向水平位移特征值统计表 mm

表7 坝基Y向水平位移特征值统计表 mm

2)坝基垂直位移。坝基垂直位移监测系统由静力水准系统、三维倒垂线组成，廊道精密水准网校核。下沉为正，上升为负。坝基静力水准系统共有传感器14个，测点编号为SL6、SL8-SL10、SL12、SL14、SL16-SL18、SL20、SL22、SL24-SL26，用于监测7#-25#坝段相对于6#以及26#坝段的垂直位移。根据观测成果可知：坝基最大垂直位移为27.69mm，发生在2019年09月18日的SL24。

坝基垂直位移观测过程线见图4，从观测成果可以看出：①2017年坝基最大垂直位移为25.51mm，发生在2017年10月22日的SL24；2017年坝基最大垂直位移为26.69mm，发生在2018年10月31日的SL24；2019年坝基最大垂直位移与2017-2018年出现的位置相同，时间接近且较2017-2018年垂直位移无明显变化。②各测点变形趋势基本一致，均呈下沉趋势，表明坝基整体表现为下沉。

图4 坝基相对垂直位移过程线

坝基三维倒垂线共有传感器2个，坐标仪编号IP3、IP4，用于监测于6#及26#坝段的垂直位移，下沉为正，上升为负。坝基三维倒垂线系统观测成果见表8。根据特征值统计表可知：坝基三维倒垂线系统最大垂直位移为-0.35mm，表现为上升。

表8 坝基垂直位移特征值统计表 mm

2.3 坝基扬压力监测

在坝基共布置47个扬压力监测点，其中共36个纵向扬压力测点；11个横向杨压力测点。

1)坝基纵向扬压力。坝基纵向扬压力监测系统共有传感器36支，测点编号为UP0-UP35。根据观测成果得知：坝基纵向扬压力最高水位为135.43m(水头高8.06m)，出现在2019年12月05日，对应测点为UP1；全年纵向扬压力最大变化量发生在UP28，变化量为5.61m。

.坝基纵向扬压力过程线见图5，纵向扬压力分布见图6，从观测成果可以看出：①靠近两岸坝肩测点的水位相对较高，扬压力呈明显的V型分布(见图3-70)，其中靠近山体两侧的测压管UP1-UP4(左岸)和UP31-UP35(右岸)受到两岸山体水力坡降的影响，其水位相对较高且呈现出越靠近山体水位越高的规律(见图3-28和图3-35)。②各测点测值较2017-2018年无较大变化，虽然其中大部分测点测值与库水位具有相关性，且当库水位超过115m后，相关性更加明显，但是除受水力坡降影响的测点外，其余测点的水位远低于库水位，表明坝基纵向扬压力稳定。③鉴于UP0测值变化很大、UP30的测值与历史测值不连续的现象，建议在检查仪器的工作状态和核实数据有效性的同时，对仪器进行修复或更换，并加强自动化系统的维护，保证数据的连续性及完整性。

图5 坝基纵向扬压力过程线

图6 坝基纵向扬压力分布图

2)坝基横向扬压力。

坝基横向扬压力监测系统按照横向廊道共布置3个监测断面，共有传感器11支，测点编号分别为UP09-1-UP09-4、UP16-1-UP16-4、UP24-1-UP24-3。根据坝基横向扬压力的观测成果可以得知：坝基横向扬压力最高水位为117.94m，出现在2019年04月02日，对应测点为UP16-1；全年横向扬压力水位最大变化量发生在UP9-1，变化量为5.92m。

坝基横向扬压力过程线见图7，横向扬压力分布见图8，从观测成果可以看出：各测点测值较2016-2017年无异常变化，其中9#坝段和16#坝段位于帷幕上游的测点UP9-1和UP16-1与库水位显著相关，过程线随库水位升降有一定的变化，位于帷幕下游的测点UP9-2-UP9-4、UP16-2-UP16-4、UP24-1-UP24-3不受库水位的影响，测值全年变化较小，过程线表现平稳，同时帷幕下游测点的水位明显低于上游测点的水位，表明扬压力水位通过帷幕有很大折减，帷幕防渗效果良好。

图7 坝基横向扬压力过程线

图8 坝段坝基横向扬压力分布图

2.4 绕坝渗流监测

为监测大坝两岸的绕坝渗流，在大坝两岸共布设了13个绕坝渗流监测孔，其中在坝右安设了3支孔隙水压力计(RY1监测孔未安装仪器时已封填)，测点编号为RY2-RY4；在坝左安设了9支孔隙水压力计，测点编号为RZ1-RZ9。绕坝渗流观测成果见表9，根据观测成果可知：坝右绕渗最高水位为133.11m，出现在2018年07月16日，对应测点为RY4；坝左绕坝渗流最高水位发生在2018年01月26日，最高水位为149.56m，对应测点为RZ8。

表9 绕坝渗流特征值统计表 m

根据绕坝渗流监测结果：RY2-RY4、RZ2-RZ5可能受降雨时山体内渗水的影响，其测值在降雨集中时段均出现不同程度的波动，建议在降雨集中时段关注上述测点水位的变化；鉴于现场的工况复杂，建议加强自动化的维护，保证现有仪器的正常运行。其中，RY4从2018年07月24日开始测值在稳定在232左右；RZ3、RZ4，从2018年08月11日开始测值在211.08-218.05范围内变化；上述测点测值明显为异常测值，故剔除。RZ5经检查反馈，数据采集的线路可能出现故障，导致数据异常；RZ8监测孔有塌孔现象，可能造成数据异常。

3 结 论

根据白石水库2019年坝顶变形、坝基变形、坝基扬压力、绕坝渗流等资料数据，通过综合分析得出的结论如下：

1)各测点测值无明显变化，其中大坝变形符合混凝土的一般变形规律；渗流及扬压力测值稳定，库水位在116.43-118.97m 之间变化，全年降水 273.00mm；同时，结合现场检查情况分析表明，各水工建筑物运行正常。

2)部分河床坝段及岸坡存在较高的扬压力折减系数，经核算对坝体安全未构成影响，为保证工程安全建议实时采取减压排水、加强观测等措施。为有效降低不利因素对水库大坝的干扰，建议按规范要求及时整编大坝安全监测资料，并定期全面维护及检验监测仪器。