乌江渡水电站坝体接缝变形监测分析

马传彬，文富勇,2

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,长沙 410014；2.水资源利用关键技术湖南省重点实验室,长沙 410014)

0 前 言

拱形重力坝是指在平面上稍拱向上游的重力坝,其坝轴线曲率小、半径大，可利用拱的作用在一定程度上提高坝的超载能力或潜在安全度，一般运用于地形地质并不完全适用于修建拱坝但又要求重力坝有较大安全潜力的情况。该类坝型的设计计算既要按照重力坝进行应力和稳定分析，也要按照拱坝进行校核计算，以便进行比较了解其潜在能力[1]。变形监测是大坝结构形态和安全状态最直观、最有效的反映[2]。坝体接缝变形作为混凝土拱形重力坝安全稳定的重要监测效应量，其工作性态对验证坝体是否满足设计要求及指导后期运行具有重要意义[3]。

目前，国内关于混凝土坝接缝变形监测资料分析的方法主要为监测资料初步分析和监测数学模型相结合的方式。其中常用的监测数学模型主要针对单个测点单种效应量而建立的监测统计模型[4]、监测确定性模型和监测混合模型,这3类单测点监测数学模型属于传统监测模型，已在实际工程中得到检验，应用效果良好。本文以乌江渡水电站混凝土拱形重力坝为例，通过监测资料初步分析和统计模型分析成果相结合、单测点分析和多测点综合对比分析相结合，对坝体接缝变形工作性态进行了分析评价，为混凝土拱形重力坝日常观测与维护提供参考。

1 工程概况

乌江渡水电站拦河大坝为混凝土拱形重力坝，坝顶高程765.00 m，最大坝高165.00 m，坝顶弧长394.6 m，设计正常蓄水位760.00 m，死水位720.00 m。大坝最大底宽119.50 m，高程708.00 m以下的坝体横缝通过接缝灌浆形成拱形整体，上部57 m高的坝体为单块稳定的重力坝，自右向左共分17个坝块，最大坝宽23 m。河中4～14号坝段坝轴线半径为500 m，中心角26°36′的圆弧；右岸1～3号坝段圆弧半径为80 m，左岸15～17号坝段为直线等宽坝段。乌江渡水电站于1970年开工，1971年截流，1979年11月水库下闸蓄水，同年底第一台机组并网发电，1982年3台机组全部投产，1983年工程竣工验收移交生产。2008年完成大坝的第三次定期检查专家组意见认为，大坝及基础运行情况正常，坝体结构完整，变形规律未见异常[5]。

2 坝体接缝变形监测仪器布置

混凝土拱形重力坝坝内设有横缝和4道纵缝，横缝将坝分为20个坝段，4道纵缝将断面分为5个浇筑仓面。为便于坝体应力传递，保证厂房、大坝混凝土的整体性，对纵缝及高程708.00 m以下的横缝进行了灌浆，并埋设了一系列测缝计共计79支，监测缝隙的开合情况。具体埋设部位：8号坝段的纵缝及与7、9号坝段连接的横缝；4号坝段的纵缝及与5号坝段连接的横缝；13号坝段的纵缝；10号坝段的纵缝及与11号坝段连接的横缝；混凝土与基岩的接合面；厂房坝段分缝面；右岸防渗墙和右泄洪洞悬挂体的结构缝。

坝体高程680.00 m拱圈接缝变形监测仪器平面布置见图1，8号坝段接缝变形监测仪器布置见图2。

图1 高程680.00 m拱圈接缝变形监测仪器平面布置 单位：m

图2 8号坝段接缝变形监测仪器布置 单位：m

3 监测资料可靠性分析

3.1 监测基准值的选取

根据电厂提供原始监测资料及大坝历次定检监测系统综合评价成果，坝体测缝计监测布置及监测基准值选取时间详见表1所示。

表1 坝体测缝计布置考证表及基准值选取时间统计

3.2 监测资料的可靠性分析

由于监测原始数据本身存在不可控误差，对于日变形量较小的变形基体，会使相邻监测期内出现一种周跳、往复的虚假的变化轨迹[6]。因此，在对监测资料进行定性分析之前，首先对坝体各监测部位的测缝计测值进行可靠性分析。通过对时程变化过程线分析可知：

(1) 部分坝段测缝计人工观测资料中，其接缝开合度测值出现“尖点型”突变，且变幅较大。以图3、4所示测点为例，其中4号坝段中左2.5 m的J4-1最大突变值大约2 mm。将上述时段的上游水位、气温等坝体接缝变形敏感性环境量与其他时段相比，均无明显差异；此时段前期较长时段内，库水位无骤升情况，且坝体未进行过结构加固改造；因此，初步断定上述“尖点型”并非对坝体接缝变形的真实反映，在资料分析中应予以剔除。

图3 4号坝段中左2.5m J4-1测缝计接缝开合度变化过程线

图4 5号坝段横缝 J4-9测缝计接缝开合度变化过程线

(2) 部分坝段测缝计人工观测资料中，其接缝开合度测值出现“阶跃型”突变，且变幅较大。以厂房2号机中心线的J2-3为例，其测值变化过程线如图5所示。1997年12月之前，其接缝开合度在0.46 mm左右变化，1998年1月测值发生台阶型突变，突变值约5 mm，此后在5.45 mm左右稳定变化。将上述时段的上游水位、气温等坝体接缝变形敏感性环境量与其他时段相比，均无明显差异；此时段前期较长时段内，库水位无骤升情况，且坝体未进行过结构加固改造。因此，初步断定上述“阶跃型”突变为人工录入错误所致，并非对坝体接缝变形的真实反映，在资料分析中应予以处理。

图5 2号机中心线 J2-3 测缝计接缝开合度变化过程线

4 坝体接缝变形特征分析

4.1 4号坝段纵、横缝开合度分析

(1) 4 号坝段纵、横缝开合度测值均为正值，即均呈张开状态。其中纵缝开合度相对横缝测值较大。以坝段中心线处的J4-1、J4-2测点为例，大坝第三次定检以来，二者测值分别稳定在6.3～8.5 mm，而4、5号坝段横缝处的J4-7、J4-10分别在1.90 mm和0.50 mm左右变化。

(2) 各纵、横缝测点处的温度均呈较为明显的年周期性变化，但与坝址气温相比，存在明显的滞后性，滞后时间大约为5个月。其中4号坝段Ⅰ纵缝缝面的J4-1、J4-2测点温度变幅较小，Ⅱ纵缝上部J4-6测点处于下游附近变温区，温度年变幅6℃左右。4、5号坝段横缝处的J4-10测点温度年变幅较大，其接缝变形随温度呈现明显的年周期性变化[7]。

(3) 各测点测值变化过程线统一表现为2003年之前测值变化较为平顺且变化规律性较好；2003年之后测值须状测值较多。初步断定上述现象与测缝计运行时间较长、易出现测值漂移、灵敏度下降有关。

(4) 各纵、横缝测点测值逐年和多年变幅稳定在0.18～0.89 mm之间，变幅相对较小，各测点目前均无趋势性变化。

图6 2号机中心线 J4-1 测缝计接缝开合度变化过程线

图7 4号坝段中心线 J4-2 测缝计接缝开合度变化过程线

图8 13号坝段右0.3m J13-4测缝计接缝开合度变化过程线

图9 14、15号坝段横缝 JF-1 测缝计接缝开合度变化过程线

图10 右防上游基岩 JF-2测缝计接缝开合度变化过程线

图11 1号机中心线 J1-1 测缝计接缝开合度变化过程线

图12 3号机中心线 J3-1 测缝计接缝开合度 变化过程线

4.2 13、14号坝段纵、横缝开合度分析

(1) 位于13号坝段右0.3 m的J13-4测缝计在1996年1月之前测值变化平顺，测值基本稳定在1.7 mm轻微波动，接缝保持张开状态。1996年1月测值出现“阶跃型”突变，接缝开合度由1.7 mm突变至0.5 mm。将该时段的上游水位、气温等坝体接缝变形敏感性环境量与其他时段相比，均无明显差异，初步断定该“阶跃型”并非对坝体接缝变形的真实反映。截至2003年1月，测缝计安装埋设已有20余年时间，之后其测值波动频率及变幅日趋增大，其测值基本失真。初步断定上述现象与测缝计运行时间较长，灵敏度变差、测值易出现飘零有关。

(2) 位于14号坝段基础的J14-1测缝计过程线变化平顺，测值保持在0.3～0.5 mm，变幅较小，且未表现出趋势性变化。

(3) 布置于14、15号坝段横缝的J14-2测缝计温度变化表现出较为明显的年周期性，自安装埋设以来，其接缝开合度呈闭合趋势变化，该变化趋势对坝体变形有利，且变幅较小，多年最大变幅在0.1 mm以内。

4.3 右岸防渗墙与岩体面缝隙开合度分析

分别布置于右岸防渗墙与岩体面接缝上、下游处的JF-1、JF-2测缝计，其测值在2005年1月之前变化稳定，过程线基本呈变化平顺的直线。截至2005年1月，两测缝计安装埋设已有20余年，其测值变幅及波动频率日趋增大，将该时段的上游水位、气温等坝体接缝变形敏感性环境量与其他时段相比，均无明显差异。因此，可判定上述现象主要与测缝计运行工作时间较长、灵敏度下降、测值易出现飘零有关，并非对坝体接缝变形的真实反映。

4.4 厂房坝段缝隙开合度分析

位于1号机组中心线的J1-1测缝计自1983年安装埋设以来，其接缝开合度呈逐渐张大的趋势性变化，截至2013年6月，其测值由起测时的2.2 mm增至2.7 mm，该趋势性变化对大坝安全不利，在后续运行期日常观测中，应引起重视，并查明造成该现象的根本原因。

5 结 论

通过对乌江渡水电站混凝土拱坝接缝监测资料的分析，可以得出以下结论：

(1) 坝体测缝计均埋设于1982年或1983年，其中50%以上测点在埋设初期或第三次定检之前已无测值,建议对上述测缝计进行甄别复测，对于重点接缝变形部位且可修复或更换的仪器应及时做修复更换处理，并纳入电站日常观测中。

(2) 与坝体横缝测值相比，坝体纵缝接缝开合度相对较大。该变化规律表明坝体高程708.00 m以下接缝灌浆后，高程708.00 m以下为整体式拱形重力坝，其变形既有重力坝特点又兼有拱坝受力变形特点，各坝段主要承受轴向压力，横缝接缝变形较小且趋于稳定。

(3) 各纵、横缝测点处的温度均呈较为明显的年周期性变化，但与坝址气温相比，存在明显的滞后性，滞后时间大约为5个月。以4号坝段为例，其Ⅰ纵缝缝面的J4-1、J4-2测点温度变幅较小，Ⅱ纵缝上部J4-6测点处于下游附近变温区，温度年变幅6℃左右。4、5号坝段横缝处的J4-10测点温度年变幅较大，其接缝变形随温度呈现明显的年周期性变化。

(4) 各测点测值变化过程线统一表现为2003年之前测值变化较为平顺且变化规律性较好；2003年之后测值须状测值较多，产生此现象与测缝计运行时间较长、易出现测值漂移、灵敏度下降有关。