甘河子水库工程大坝安全监测分析

张 龙

（第六师五家渠市水政监察支队，新疆 五家渠 831300）

新疆生产建设兵团第六师五家渠市位于新疆昌吉州境内下游沙漠化边缘地带，生态环境较为恶劣，属于严重干旱缺水地区，下辖14 个农牧团场，农业灌溉主要依赖于上游河水和地下水开采。随着引额济乌的调水进入阜康市和第六师，这两个地区的水资源量将发生较大的变化，为了充分利用调水和本地区有限的水资源，需要对水资源重新进行合理配置。2017 年，第六师甘河子水库工程建设实施，进一步解决了灌区农业灌溉季节性缺水问题以及工业发展的用水问题，在灌区水资源有效利用、生态环境保护和职工群众生活条件改善等方面发挥着重要作用。因此，全面实施水库大坝安全监测，消除安全隐患，确保水库安全、稳定运行，已成为甘河子水库工程一项重大而紧迫的重点任务［1］。

1 工程概况

甘河子水库位于新疆生产建设兵团第六师土墩子农场上游的甘河子河河谷上，坝址距下游甘河子镇5 km，距阜康市38 km，距乌鲁木齐市95 km。甘河子水库为甘河子河上的山区控制性工程，承担下游农业灌溉、工业用水的调节任务，改善调节灌溉面积55 km2。

2017年，第六师申请国家水利专项资金，实施甘河子水库工程建设，重点解决甘河子河灌区农业灌溉季节性缺水问题以及工业发展的用水问题。甘河子水库工程由混凝土面板砂砾石坝、坝身溢洪道及导流泄洪灌溉供水洞三部分组成，工程等别为Ⅳ等，工程规模属小（1）型，主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级。水库总库容616万m3，其中死库容100 万m3、兴利库容431万m3、调洪库容151万m3，设计最大坝高53.7 m。

甘河子水库工程建成后，年供水量为2 980.5万m3，有效缓解了下游农业灌溉、工业用水矛盾，在项目区水资源有效利用、生态环境保护和职工群众生活条件改善等方面发挥着重要作用。

2 安全监测内容和测点布置

2.1 监测项目

根据《土石坝安全监测技术规范》并结合工程的实际情况，本工程的监测重点为变形监测和渗流监测，设置如下监测项目[2]。

（1）坝体表面变形观测，监测坝面竖向位移和水平位移。

（2）坝体内部竖向位移。

（3）面板周边缝变形。

（4）坝体、坝基渗流监测。

（5）绕坝渗流监测。

具体监测内容，详见表1。

表1 大坝监测项目和内容

2.2 测点布置

2.2.1 监测网及坝体表面变形观测

根据坝体实际情况在坝顶及下游坝坡面设置水平位移及沉降变形监测点，监测运行期的坝体表面变形情况。在坝体布置5 个监测断面，同时在坝轴线以下平行坝轴线方向布设10个综合位移标点，观测坝体水平位移计沉降[3]。

2.2.2 坝体内部变形监测

选择坝体左右断面分界处横左0+000断面为主观测断面，在高程1 118、1 140 m 分别设置2 层水管式沉降计，其中1 118 m 高程4 测点、1 140 m 高程3测点，共埋设7支沉降计用于观测不同高程、不同部位坝体的沉降量。

2.2.3 渗流监测

根据建筑物坝基地质条件以及防渗和排水形式等，在坝轴线以下布设渗流渗压监测点，用以监测深厚覆盖层、建基面的渗流渗压情况及截渗墙、趾板帷幕灌浆的防渗效果。

3 安全监测结果分析

甘河子水库工程大坝安全监测于2017 年10 月30 日开始仪器埋设工作，至2018 年12 月安装埋设了22 支渗压计、2 组水管式沉降仪（四点式1 组、三点式1组）、5组三向测缝计、6根测压管，外部变形控制网工作基点6 个，水准原点3 个，坝体综合变形点10 个，共计安装埋设69 支监测仪器，测点总数为69个。目前，完成率为100%，完好率为98.6%。

3.1 库水位监测

甘河子水库设计正常蓄水位为1 161.00 m，死水位为1 138.60 m，2017—2018 年冬春两季蓄水时，库水位上升1.66 m；2018—2021年冬春两季蓄水时，库水位表现为降低，详见表2。其中，2018—2019年降低0.49 m，2019—2020 年降低1.5 m，2020—2021年降低2.76 m，呈逐年下降扩大趋势，历年库水损失200万～300万m3。

表2 甘河子水库库水位特征值m

3.2 大坝外部变形监测

大坝外形观测包括竖向位移和水平位移，用于了解大坝的整体稳定性。观测横断面选最大坝高剖面高处（桩号0+126.7）、右坝肩岸坡陡变处和左坝肩1/2处3 个断面；观测纵断面选坝顶的上下游两侧各1个，在上游坝坡正常蓄水位以上1个，在下游坝坡2/3坝高上1个，在坡脚1个。每个断面选5个测点；起测基点在每一纵排测点两端的岸坡上布设1个，其高程宜与测点高程相近，水准基点在下游500 m 处设1 个。水平位移和竖向位移共用1个测点，基点和测点均采用整体钢筋混凝土结构，共布设基点10个、测点15个。

通过对高程原点、变形观测点进行垂直位移初始值测量，经控制网的各项闭合差平差软件计算可知，三角形闭合差、极条件闭合差小于限差规范规定限差，控制网最大误差情况为：最大点位误差为0.001 28 m，最大点间误差为0.001 28 m，最大边长比列误差为1/2 696 00。

3.3 大坝内部变形监测

在水库大坝0+000 监测断面的1 118 、1 140 m高程布设有水管式沉降仪，其中1 118 m高程处为四点式，沉降测点分别布置在坝轴线-65、-30、0、30 m处；1 140 m 高程处为三点式，沉降测点分别布置在距坝轴线-27、0、30 m 处，大坝内部沉降变形监测测点布置如图1所示。

图1 大坝0+000断面内部沉降变形监测点布置

通过对水管式沉降仪观测数据分析，得出以下结论。

（1）从内部沉降变形时间分布来看，在筑坝阶段，坝体累积沉降量随着填筑高程的增大而增加，坝体沉降与填筑关系紧密，其变化规律符合堆石坝的实际加荷沉降规律。各测点在大坝填筑、预留沉降期和面板浇筑期的沉降速度较快，随着面板浇筑完成，各测点的沉降速度逐渐趋缓并逐渐收敛。

（2）从内部沉降变形空间分布来看，1 118、1 140 m高程沉降变形基本在坝轴线处最大，坝轴线上下游两侧30 m处居中，面板下部垫层料附近最小［4］。

3.4 渗流监测

渗流安全监测是对上、下游水头差作用下的重力水渗流场的监测。渗流安全监测包括渗流量、坝基渗流压力、坝体渗流压力和绕坝渗流监测。为了监测防渗墙及帷幕的防渗效果，分别在基础防渗墙0+000、0+040 断面的防渗墙轴线上游5.5 m 处的1 092 m高程埋有P1、P12测点，在防渗墙下游2 m处1 111 m 高程埋有P3、P13 测点。从监测数据分析得出以下结论。

（1）水库蓄水前，埋设于0+000、0+040断面防渗墙上、下游两侧的基础渗压计的渗压水位主要受河道补水、防渗墙截水、地层渗透系数及渗径等综合因素影响。从观测数据可知，墙体上游高、下游低，基本反映了蓄水前基础防渗体封闭后地下水位的分布情况。

（2）水库蓄水后，基础防渗墙上、下游两侧的测点渗压水位均随库水位的上升而上升，随库水位的下降而下降，同库水位密切相关，且响应灵敏。当水库水位达到最大值时，墙体上下游两侧最大渗压水位为1 148.47、1 112.07 m。由此可知，在蓄水期间，墙体上、下游渗压水位分布呈上游高、下游低的特点[5]。具体观测内容，详见表3。

表3 防渗墙前后渗压水位成果统计

3.5 结论分析

3.5.1 渗流监测

坝体渗流中水库高水位运行时，坝体浸润线形成，最高坝体浸润线在1 117.39～1 111.18 m。防渗墙和大坝趾板间的连接板下部渗压水头最大为6.39 m，因测值偏高附近有防渗结构渗漏的可能。建基面渗压存在敏感库水位，即库水位超过某个节点后，各断面建基面渗压水位开始上升；小于节点库水位后，建基面渗压水位开始下降，甚至处于无水状态。坝基渗流中0+000 断面1 091.36 m 高程墙体下游最大渗压水位为1 133.91 m，折减水头在53%～67%，防渗效果一般；右0+040 断面1 092.20 m 高程墙体下游最大渗压水位为1 115.02 m，折减水头在38%～55%，防渗效果不好。蓄水期间，下游坝体基础渗压计的渗压水位均与库水位密切相关，随库水位的升高而抬升，随库水位的降低而降低。

3.5.2 变形监测

坝体外部变形监测中对水平位移基准网和变形观测点进行了水平位移初始值测量，控制网的三角形闭合差、极条件闭合差小于规范规定限差。大坝表面变形综合标点的点位中误差为±0.80 mm，水准联测中每千米水准测量的偶然中误差为±0.39 mm，满足规范要求。坝体内部沉降中大坝填筑期间，坝体为沉降变形，变形随填筑土石料重量的增加而逐渐增大，最大变形发生在最大坝高处1 118 m 高程，最大沉降变形为220 mm，沉降量小于坝高的1%，大坝碾压质量较好。蓄水期间，1 118 m 高程的沉降值有抬升表现，目前最大沉降值为166 mm。

综上所述，甘河子水库工程大坝监测资料为施工期及运行期监测资料，目前绝大部分埋设仪器运行性状良好，监测数据变化符合一般规律，观测数据真实可靠，反映了当前各建筑物所处状态[6]。

4 结语

新疆生产建设兵团第六师土墩子农场水利基础条件薄弱，甘河子水库工程项目的实施在项目区水资源有效利用、生态环境保护和职工群众生活条件改善等方面具有重要意义。甘河子水库工程大坝安全监测中，结合工作实际，对水库大坝施工期、运行期监测数据资料进行全面分析、论证，最后判断大坝安全状态特征，为进一步深入开展水库大坝安全监测管理提供了技术支撑，同时保证了水库大坝的安全、稳定运行。大坝安全监测中对水库大坝变形监测和渗流监测的分析，以及各项监测数据变化的规律性和监测结论的得出是在水库为小（1）型山区控制性工程、库容较小、坝线较短、坝体较高且现有地形地质条件比较优越的情况下进行的，非上述情况的水库工程大坝安全监测还需结合实际重新论证、分析，最终才能确定最佳安全监测结论［7］。