富水水库大坝变形监测与安全性分析

张 峰 付 洁 陈国元

(1.湖北省水利厅，湖北 武汉 430071；2.湖北省富水水库管理局，湖北 黄石 435200)

富水水库位于长江水系富水流域中下游交界处的阳新县富水镇，集水面积2450km2，总库容16.21亿m3，是一座以防洪、发电为主，兼有灌溉、养殖、围垦、灭螺、航运等综合利用的大(1)型水库[1-3]。水库由大坝、溢洪道、发电输水管、电站和总干渠组成。富水大坝在28m高程以下为均质坝，28m以上为黏土心墙坝；上游坝壳按原设计用砂质黏土填筑，下游坝壳用溢洪道开挖的页岩填筑；大坝坝顶轴线长941m，宽6.5m，最大坝高46.8m。坝基为页岩，页岩上为砂卵石覆盖层，河床两边为台地。富水水库于1958年8月动工，1964年竣工，大坝最近于2003—2006年进行了除险加固，主要加固项目有坝基基础防渗处理、大坝上下游护坡局部改造、发电引水管加固、复建水库放空隧洞及大坝安全监测设施更新改造等。加固后监测以坝体和坝基渗流、绕渗和渗漏观测为主。

变形监测最能直观反映大坝运行性态，许多大坝性态出现异常，最初都是通过变形监测值出现异常来反映的，因此变形监测项目列为大坝安全监测的首选监测项目[4]。在监测资料整理分析方面，国内外都进行了广泛的研究。总体上，资料分析分为正分析和反分析，在运行阶段多采用统计学模型进行分析[5-6]。大坝安全监测资料整编分析的内容涵盖面大，涉及的数据量大、种类多，整编分析专业性强，而且成果质量要求高、时效性强，目前仍主要靠人工完成[7]。王健等通过对全国水库大坝安全监测现状的调研，指出了全国大中型水库普遍存在监测经费投入偏低、监测资料分析薄弱、专业技术力量不足等问题[8]。富水水库大坝已运行近57年，水库也不同程度存在这些问题。针对统计学模型复杂、分析因素要求多等特点，本文根据富水水库大坝2015—2019年监测资料，探索快捷、高效、直观的方法，探究富水水库大坝变形规律，揭示大坝变形特性及安全性态。

1 大坝监测点布置

富水大坝表面变形监测包括水平位移和垂直位移监测，分别在7个横断面(桩号0+020、0+231、0+330、0+380、0+496、0+666、0+854)、4个纵断面(分别为距坝轴线-8.0m、+4.5m、+32.0m、+61.0m)上布置28个综合变形监测点，大坝南北坝端设7个工作基点，中间坝段设5个临时工作基点，测点的结构形式采用表面式。水平位移监测采用交会法，垂直位移监测采用精密水准法，一年观测两次，分别在上半年和下半年。监测点的平面布置见图1。

2 结果与分析

2.1 水平位移监测

富水水库大坝各测点水平位移测值基本完整，连续性较好。虽然部分测点水平位移过程线存在少量尖点、观测值精度相对较低，但总体规律性较好。

2.1.1 水平位移过程线

富水水库大坝2015—2019年4个纵向断面的水平位移过程线见图2。

图2 坝体不同断面水平位移过程线

由图2可知，TL-1、TL-7等测点位于左右坝肩，坝高相对较低，且受坝肩约束，水平位移变化较小，TL-2～TL-6等测点位于大坝中部附近，坝身较高，上游水深较大，因受水压等因素作用，测点水平位移主要向上游变化，部分测点测值有突变，可能是测值精度问题。

各测值总体表现为坝身越高、水平位移越大，符合心墙土坝水平位移变化基本规律。

2.1.2 水平位移特征值

富水水库大坝2015—2019年4个纵向断面的水平位移特征值纵向分布见图3。

由图3可知，测点中向下游发生水平位移的最大值为19mm(测点TL4-4)，向上游发生水平位移的最大值为-23mm(测点TL1-4)，两测值均出现在大坝中间0+380横断面；水平位移变幅最大为27mm(测点TL4-4)，也出现在大坝中间0+380横断面，最小为5mm(测点TL4-7)，出现在大坝靠近坝肩的0+854横断面；平均值范围为-11.5～4.0mm，说明大部分测点向上游发生水平位移，且变形幅度不大。

图3 坝体不同断面水平位移特征值纵向分布

2.1.3 水平位移分布

a.纵向分布。选择环境量和效应量监测资料相对完整、上游水位较高、测值变化较有规律的2016年、2017年、2018年为代表年份，在上游高水位(下半年)和低水位(上半年)情况下，对原始测值分别绘制大坝水平位移纵向分布图；其中，距坝轴线+4.5m断面各测点水平位移纵向分布见图4。

图4 距坝轴线+4.5m断面水平位移纵向分布

由图4可知，坝体水平位移受坝高影响较为明显，表现为坝体中部水平位移大于两端，各断面位移量大小和分布特点受水位影响不明显。近3年，各断面测点测值变幅和一致性均较好。

b.横向分布。与纵向分布一致，同样选择2016年、2017年、2018年为代表年份，在上游高水位(下半年)和低水位(上半年)情况下，分别绘制大坝水平位移横向分布图，典型横断面0+380、0+496的水平位移横向分布见图5。

图5 坝体不同断面水平位移横向分布

由图5可以看出，同一横断面，位于上游侧的测点基本朝向上游变形，位于下游的测点基本朝向下游变形，基本符合变形的一般规律。

综合来看，富水水库大坝各测点水平位移观测值精度较低，规律性不强，其中坝顶及下游的测点水平位移规律性较好，上游大部分测点规律性较差，可能是控制网有变形或监测方法不合理，应进一步复核及优化。从实测结果来看，2017年后的测值强于前些年的测值，资料可靠性较差。2015年以来大坝实测水平位移数值不大，未出现明显的不利于大坝安全的异常现象，大坝水平位移性态基本正常。

2.2 垂直位移监测

富水水库大坝各测点垂直位移测值基本完整，连续性较好。虽然部分测点垂直位移过程线存在少量尖点，但总体规律性较好，测值精度相对较高，数据基本可靠。

2.2.1 垂直位移过程线

富水水库大坝2015—2019年4个纵向断面的垂直位移过程线见图6。

由图6可知，富水水库大坝除TL-1测点外，其他大部分测点垂直位移趋势上均表现为下沉方向的持续变化，变化速率逐渐趋缓。各纵断面变形值与水平位移变化规律具有一致性，表现为坝体中间坝段沉降值相对较大，坝体两端沉降值相对较小，符合坝体沉降量与坝高成正比的关系，遵循心墙土坝垂直位移的基本变化规律。

图6 坝体不同断面垂直位移过程线

2.2.2 垂直位移特征值

富水水库大坝2015—2019年4个纵向断面的垂直位移特征值纵向分布见图7。

图7 坝体不同断面垂直位移特征值纵向分布

由图7可知，测点中最大沉降值为20.9mm(测点TL4-1)，最小值为-16.8mm(测点TL3-1)，变幅最大值20.3mm，均出现在靠近坝肩断面0+020位置，数据异常，断面0+020坝高相对较低，经多年现场巡查，未发现渗漏及明显变形等异常现象，说明该断面数据可靠度不高，不予采用；另外，6个横断面中，最大沉降值为18.4mm(测点TL1-3)，最小值-4.6mm(测点TL4-3)，均出现在靠近大坝中间的0+330横断面；变幅最大值为9.9mm(测点TL2-3)，出现在0+330横断面，变幅最小值为0.6mm(测点TL4-6)，出现在0+666横断面；平均值为-5.5～12.25mm，说明大部分测点发生下降位移，且变形幅度不大。综上可以看出，垂直位移变化均在合理范围之内，大坝垂直位移情况总体稳定。

2.2.3 垂直位移分布

a.纵向分布。选择环境量和效应量监测资料相对完整、上游水位较高、测值变化较有规律的2016年、2017年、2018年为代表年份，在上游高水位(下半年)和低水位(上半年)情况下，对原始测值分别绘制大坝垂直位移纵向分布图；其中，坝顶轴线距+4.5m断面各测点水平位移纵向分布见图8。

图8 距坝轴线+4.5m断面垂直位移纵向分布

由图8可知，中部测点垂直位移明显大于两端测点，这主要是由于中部坝高相对较高。上半年与下半年分布图的形状大致相似，同一测点各年份上半年、下半年垂直位移比较接近，对比图6，测值分布规律基本一致，测值变幅明显较小。

b.横向分布。与纵向分布一致，同样选择2016年、2017年、2018年为代表年份，在上游高水位(下半年)和低水位(上半年)情况下，分别绘制大坝垂直位移横向分布图，典型断面0+380、0+496垂直位移横向分布见图9。

由图9可知，所有测点均表现为沉降变形，且分布规律基本表现为测点从上游至下游，沉降测值依序减小，即迎水面沉降变形最大，下游最低高程点变形最小；一方面受坝高影响，另一方面受库水位影响，基本符合土坝变形的一般规律。

2.2.4 沉降速率

富水水库大坝近3年(2017—2019年)和近5年(2015—2019年)各测点垂直位移平均沉降速率统计见表1。

表1 垂直位移平均沉降速率统计

由表1可知，近3年平均沉降率最大值为5.8×10-3mm/d，近5年沉降率最大值为6.5×10-3mm/d，且最大值均发生在大坝中间测点TL2-3。大部分测点平均沉降速率在10-3mm/d数量级，数值较小，除距坝轴线-8m纵断面外，其他3个纵断面近3年平均沉降速度低于近5年平均沉降速率，符合一般规律。

综合来看，富水水库大坝垂直位移精度相对较高，总体趋势以持续下降方向变化为主，前期变化较快，目前变化速率很小、基本稳定；大坝垂直位移纵向分布基本合理，与水平位移测值分布规律具有一定的一致性，基本符合心墙土坝垂直位移的一般规律，平均沉降速率在10-3mm/d数量级，总体未出现明显的不利于大坝安全的异常现象。

3 结 语

大坝变形监测是土石坝重要监测项目，大坝位移是大坝工作性态的综合反映，是大坝是否安全的重要判据[10-11]。本文通过整理分析富水大坝水库5年的实测变形资料，通过过程线、特征值、分布图、沉降速率等简捷、直观方法，探究土坝变形规律，揭示其变形特性及安全性态，对大型水利工程具有一定借鉴意义。