面板堆石坝安全监测分析

马杰 王卫

摘 要：从大坝安全监测工作现状入手，结合平寨水库面板堆石坝安全监测资料，分析坝体在施工期和运行初期的变形和应力变化规律，对坝体的稳定性和安全性进行评价，并从设备设施完善、监测资料分析能力提升等方面提出建议。研究成果可为平寨水库及其他同类型大坝的安全评价提供参考。

关键词：平寨水库；安全监测；资料分析；面板堆石坝

中图法分类号：TV698.1                                             文献标志码：A

1 研究背景

安全监测是水库大坝安全管理工作的重要组成部分，关乎工程安危。水利部于2016年组织开展了全国水库大坝安全监测设施建设与运行现状调查，结果显示大中型水库在监测设施建设、人员配备及相关制度建设方面有明显进步，基本实现了大坝安全监测系统布设，自动化监测水平有所提高；但也存在着监测设备不完善、监测数据分散、资料分析薄弱和专业技术力量不足等问题，无法充分发挥安全监测系统的作用。因此，为了充分发挥监测系统的作用，为大坝安全运行提供保障，需要综合运用监测资料做好资料整编分析工作。本文以平寨水库为例，分析坝体安全监测数据，从资料整编分析角度为水库的安全运行管理提供参考。

2 平寨水库工程概况及坝体监测设施布置

2.1 水库工程概况

平寨水库坝址位于贵州省六盘水市六枝特区，乌江支流三岔河上游平寨至木底下寨之间的峡谷河段。水库坝址以上集水面积为3 492 km2，多年平均径流总量19.77亿m3，总库容10.89亿m3，是一座以农业灌溉、城市供水为主，兼顾发电等综合利用的大（1）型水库工程。水库正常蓄水位1 331 m，对应库容10.34亿m3，坝后电站，装机容量136 MW，多年平均发电量3.393亿kW·h。

2.2 主要监测断面及监测设施布置

在大坝有代表性的部位选取三个断面作为监测断面：①原河床大坝最高处，此断面为承受水压力最大部位；②右岸坡处，该部位面板为受拉区，面板受力较复杂；③左岸地形变化较大的部位，该部位面板为受拉区，面板受力较复杂。

根据规范要求，在上述3个断面上综合性地布置了各类监测项目仪器及设备，对混凝土面板应力、堆石体变形、坝基渗流渗压等重要物理量进行监测，并建立监测数据管理系统。

（1）壩体表面变形。设有6条视准线（视准线四～视准线九）、30个综合位移标点进行水平向及垂直向位移观测。后经自动化升级改造，新建自动监测基准点2个、位移点12个。

（2）坝体内部变形。设有9条测线35套引张线水平位移计及47套水管式沉降仪进行水平向及垂直向位移观测。

（3）坝体土压力。设有3个断面19支土压力计进行土压力监测。

（4）面板变形、温度及应力应变。设有13支温度计进行面板温度监测；3组两向应变计组，6组三向应变计组进行面板混凝土应变监测；50支钢筋计进行面板钢筋应力监测；10套脱空计进行面板与坝体间的脱空及错动监测；30支单向测缝计进行面板竖直缝监测；3套两向测缝计及8套三向测缝计进行周边缝监测；29套电平器进行面板挠度监测。

3 安全监测分析

3.1 堆石体表面变形

坝体表面各高程点上下游方向上表现为向下游方向位移，最大位移值29.2 mm，发生在1 331.5 m高程、坝横0-007.5 m桩号处测点LDG2（见图1），向上游最大位移值15.8 mm，发生在1 272.5 m高程、坝横0-007.5 m桩号处测点LDG7。各测点变幅在8.7～30.1 mm之间；坝体表面各高程点左右岸方向上表现为向右岸方向位移，各测点变幅在化范围为7.0～13.8 mm之间；坝顶下游及下游坝坡各个表面变形监测点的位移测值存在一定幅度的波动但均较小，坝体表面变形正常。

大坝高程1 331.5 m布设测点LDG1～LDG5，最大沉降194.1 mm，发生在LDG2测点；高程

1 302.5 m布设测点：LDG6～LDG8，最大下沉位移值182.5 mm，发生在LDG7测点；高程1 272.5 m布设测点LDG9～LDG11，最大下沉位移值145.4 mm，发生在LDG10测点；大坝高程1 242.0 m布设测点LDG12，下沉位移值110.5 mm（见图2），以上各测点均位于最大坝高断面桩号横0-007.5 m处。各测点均表现为下沉趋势，同一高程坝体中部沉降量大于左右坝段沉降量，各测点沉降量均未超过设计蓄水后允许沉降量351 mm，变形规律正常。

3.2 堆石体内部变形

3.2.1 水平位移

较蓄水前，各测点均表现为向下游位移趋势。垫层区变化范围为14.9～82.2 mm，过渡层区为19.8～67.5 mm，主堆石区为19.9～69.5 mm，次堆石区为18.7～26.9 mm。向下游最大位移值为89.1 mm，位于高程1 242.0 m垫层区SE5测点（坝横0-007.5 m，纵0-086.9 m），同一断面的其他测点数值相对较小，但整体测值有逐渐增大趋势，应关注测值变化情况。

3.2.2 垂直位移

各测点均表现为下沉趋势，最大沉降量为581.6 mm（见图3），位于高程1 272.5 m测点SG18（坝横0-007.5 m，纵0-044.0 m），较蓄水前下沉32.9 mm。位于高程1 207.0 m次堆石区测点SG8运行期变幅为76.0 mm，较蓄水前下沉71.2 mm。结合各完好测点所在部位及其沉降测值过程线来看，主、次堆石体沉降变形基本稳定，且受库水位影响很小。

3.3 面板变形

3.3.1 脱空变形

错动变形变幅最大发生在TKJ6（高程1 327.0 m，坝横0-005.0 m），变幅11.6 mm。最大值发生在TKJ6（高程1 327.0 m，坝横0-005.0 m），测值为10.3 mm，发生时间为2021年8月16日；最小值发生在TKJ4（高程1 239.0 m，坝横0-050.0 m），测值为-1.7 mm，发生时间为2015年4月12日。

脱空变形变幅最大发生在TKJ9（高程1 327.0 m，坝横0-050.0 m），变幅5.5mm。最大值发生在TKJ4（高程1 239.0 m，坝横0-050.0 m）测值为11.8 mm，发生时间为2015年5月4日；最小值发生在TKJ2，测值为-2.4 mm，发生时间2020年1月22日。

从变形分布来看，位于1 327 m高程的TKJ6、TKJ9测点脱空位移变幅较大，TKJ6测点错动位移变幅最大。开合度在低温时有轻微张开趋势，在高温时主要为闭合，受库水位变化的影响较小。

3.3.2 周边缝

水平趾板处ZBJII-1（高程1 179.0 m，坝横0-041.0 m）测点较蓄水前测值有明显斜向下位移趋势，开合变化与蓄水前测值相比变化较小，表现为闭合趋势。

左岸的沉降最大值发生在ZBJIII-3（高程1260.0 m，坝横0-127.0 m）测点，测值为21.4 mm；反映剪切变形最大值发生在ZBJIII-5（高程1295.0 m，坝横0-165.0 m）测点，测值为9.4 mm；开合度最大测值发生在ZBJIII-3测点，测值为7.3 mm。较蓄水前左岸面板与周边缝的各向位移测值均有增大，应结合大坝现场检查加强观测。

3.3.3 竖直缝

高程1 260 m各支测缝计最大开度发生在J12测点（坝横0+012.0 m，压性缝区域），测值为1.4 mm，发生时间为2015年4月27日，变幅为1.8 mm。最小测值发生在J11测点（坝横0-024.0 m，压性缝区域），测值为-7.0 mm，发生时间在2019年10月25日，目前仍处于压缩状态，变幅为3.4 mm。高程1 295 m各支测缝计最大开度发生在J22测点（坝横0+064.0 m，张性缝区域），测值为0.6 mm，发生时间在2016年2月3日，变幅为7.9 mm；最小测值发生在同一测点，测值为-7.3 mm，发生时间为2020年9月8日，目前仍处于压缩状态。高程1 327 m各支测缝计最大开度发生在J30（坝横0+096.0  m，张性缝区域），测值为2.9 mm，发生时间为2021年1月14日，变幅为3.2 mm；最小测值发生在J27（坝横0-024.0 m，压性缝区域），测值为-7.7 mm，发生时间为2020年5月9日，该测点变幅為7.7mm。目前仍处于压缩状态。

通过监测资料分析，面板压性缝较蓄水前基本表现为压缩状态。水面以下面板温度相对稳定，变形过程相对平缓；水面以上面板温度受气温影响较大，基本随气温的升高，缝隙呈闭合趋势，反之呈张开趋势。目前面板与趾板间周边缝的各向位移测值变化均不大。结合大坝现场检查与运行表现，总体认为面板与趾板间周边缝基本运行正常。

3.4 大坝堆石体应力

堆石体应力在-0.011～0.899 MPa之间，变幅在0.045～0.58 MPa之间，各层土压力计测值变幅较小，过程线变化较为平稳。通过坝体外部、堆石体内部布设的变形监测点、水管沉降仪、水平位移计等变形及应变监测设施的监测资料分析，综合认为面板顶部及坝体堆石体的表面变形、堆石体内部沉降及水平位移变形趋于稳定，未见异常突变现象，堆石体目前总体运行正常。

3.5 面板应力应变及温度

3.5.1 钢筋应力

高程1 204 m钢筋计最大拉应力发生在测点R4（纵向，坝横0-007.5 m），测值为1.4 MPa，发生时间为2015年4月27日，最大压应力发生在测点R1（横向），测值为-235.2 MPa，发生时间为2017年11月6日；高程1 216 m钢筋计最大拉应力在测点R10（纵向，坝横0-007.5 m），测值为22.3 MPa，发生时间为2015年4月18日，最大压应力发生在测点R7（横向，坝横0-007.5 m），测值为-189.7 MPa，发生时间为2021年6月25日；高程1 239 m钢筋计最大拉应力在测点R20（纵向，坝横0+028.0 m），测值为4.0 MPa（见图4），发生时间为2015年8月31日，最大压应力发生在测点R17（横向，坝横0-007.5 m），测值为-149.5 MPa ，发生时间为2021年6月19日。

一期面板钢筋基本表现为受压状态，低高程处钢筋压应力值大于高高程处钢筋，同一高程处中部断面（坝横0-007.5 m）钢筋应力总体上大于两侧。从历时过程看，压应力随时间变化逐渐增加。

二期面板高程1 249 m钢筋计最大拉应力发生在测点R28（纵向，坝横0+028.0 m），测值为32.4 MPa，发生时间为2015年8月22日。最大压应力发生在测点R23（横向，坝横0-007.5 m），测值为-91.5 MPa，发生时间为2020年10月26日，相同部位纵向钢筋最大压应力为-89.8 MPa。

高程1 273.5 m钢筋计最大拉应力发生在测点R33（横向，坝横0-007.5 m），测值为29.8 MPa，发生时间为2016年2月16日。最大压应力发生在测点R36（纵向，坝横0+068.0 m），测值为-100.4 MPa，发生时间为2021年8月20日。相同部位横向最大压应力为-15.4 MPa；高程1 325.0 m钢筋计最大拉应力发生在测点R42（纵向，坝横0-007.5 m），测值为58.5 MPa，发生时间为2016年3月18日。最大压应力发生在测点R40（纵向，坝横0-007.5 m），测值为-29.9 MPa，发生时间为2016年7月12日。相同部位横向钢筋最大压应力为-12.9 MPa；高程1 327.0 m钢筋计最大拉应力发生在测点R46（纵向，坝横0-100.0 m），测值为36.1 MPa，发生时间为2016年4月4日。最大压应力发生在测点R48（纵向，坝横0-007.5 m），测值为-57.9 MPa，发生时间为2020年5月11日。相同部位横向钢筋最大压应力为-10.9 MPa。

通过监测资料分析，二期面板高程1249.0m、1273.5m面板钢筋表现为受压状态。从应力分布来看除R36测点外，其余相同部位横向钢筋和纵向钢筋应力差别不大，低高程钢筋压应力值大于高高程钢筋。

3.5.2 混凝土应变

3组双向应变计分别布置在坝横0-007.5 m桩号，高程分别为1 204.0 m、1 273.5 m和1 327.0 m。横向（顺坡向）最大压应变为-312.3×10-6，位于高程1 204.0 m；縱向（坝轴向）最大拉应变为19.4×10-6，最大压应变为-305×10-6，位于1 273.5 m高程。从历时过程线看，应变变化较为平稳，双向应变计、无应力计测值与温度密切相关。

坝横0-100.0 m桩号，横向（顺坡向）最大压应变为-465.6×10-6，位于高程1 273.5 m；纵向（坝轴向）最大压应变为-248.3×10-6，位于高程1 327.0 m；面板法向最大压应变为-140.1×10-6，位于高程1 305.0 m。

坝横0+068.0 m桩号，横向（顺坡向）最大压应变为-380.4×10-6，位于高程1 273.5 m；纵向（坝轴向）最大压应变为-541.3×10-6，位于高程1 305.0 m；面板法向最大压应变为-195.3×10-6，位于高程1 305 m。

通过监测资料分析，混凝土自由体积形变已基本稳定。面板混凝土较蓄水前呈现拉应变增大趋势，各测点混凝土应变与测点温度呈正相关关系，水面以下测点温度相对稳定，应变变化仅受水荷载的影响，变幅相对较小；水面附近及以上测点受气温的影响较大，变幅相对较大，混凝土应变受温度的影响明显。

4 结论与建议

（1）大坝运行期内面板压性缝较蓄水前基本表现为受压状态。水面以下面板温度相对稳定，变形过程相对平缓；水面以上面板温度受气温影响较大，变形与温度的相关性较强。由于水平趾板处部分监测仪器失效，监测数据未能全面反映趾板处面板变形。随着大坝运行时间的不断增长，水面以下的止水设施在水压力的长期作用下将发生形变，若变形量过大会对坝体安全产生不利影响，须加强对周边缝及止水设施的安全检查，保证止水设施的完好，以确保坝体的安全运行。

（2）平寨水库运行管理单位总体可以按要求展开日常监测工作，但仍存在部分年度监测资料未整编、发生特殊工况时未加密观测、人工观测与自动化比测工作不到位等问题，应加强监测队伍建设，提高监测人员的业务素质和专业水平，确保监测工作规范化、制度化，保证观测质量。

（3）大坝现有监测设备因雷击损坏较多，为保证自动化系统的正常运行和大坝安全监测数据采集的可靠性、连续性，应加强对自动化监测系统现场通讯、供电以及避雷设施的保护。

目前大数据、云计算、人工智能科技逐渐成熟，高精度北斗外观变形监测、无人机航测、智能巡检等信息化程度越来越高，管理单位应进一步加强大坝安全监测新技术的运用，建设水库一体化管理系统，提高大坝安全管理水平。

参考文献：

[1]石永磊.大型混凝土面板堆石坝的监测和变形研究[J].地下水，2021，43（4）：253-255.

[2]韩勇.水布垭面板堆石坝安全监测及分析[J].广西水利水电，2018（4）：74-77.

[3]洪伟辉，姜燕.复杂坝基条件下面板堆石坝应力应变分析[J].广东水利水电，2015（5）：39-42，59.

[4]牛广利，程诚，李天旸，等.水库群大坝安全监测集控系统设计与实现[C]//中国水利学会2020学术年会论文集第四分册.北京：中国水利水电出版社，2020：221-225.

[5]王健，王士军.全国水库大坝安全监测现状调研与对策思考[J].中国水利，2018（20）：15-19.

[6]吴伟，周建波，武维毓.2020年度注册水电站大坝安全监测工作情况[J].水利发电，2021，47（11）：108-112.

Safety Monitoring and Analysis of Concrete Face Rockfill Dam：A Case Study on Pingzhai Reservoir

Ma Jie ，Wang Wei

（River and Lake Protection and Construction Operation Safety Center，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：The variation regularities of the deformation and stress of a concrete face rockfill dam of Pingzhai Reservoir in construction period and initial stage of reservoir storage operation are analyzed based on the safety monitoring data，and the stability and safety of the dam body are evaluated. Suggestions are put forward from aspects of improving equipment and facilities and strengthening the analysis capability of monitoring data. The research is expected to offer reference for the safety evaluation of Pingzhai Reservoir and other similar dams.

Key words：Pingzhai Reservoir；safety monitoring；data analysis；concrete face rockfill dam