蜀河水电站大坝趋势性沉降问题的分析讨论

郭玉嵘，王 锋，王辉义

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州，311122）

1 工程概况

蜀河水电站位于陕西省旬阳县蜀河镇境内的汉江干流上，距上游旬阳县城和安康水电站分别约51 km和120 km，是汉江干流上游河段梯级开发规划中的第六座水电站。工程主要任务为发电，兼顾航运。工程于2005年12月开工，2009年12月下闸蓄水并投产发电，2016年3月完成竣工安全鉴定。

水电站坝址以上控制流域面积4.94万km2，总库容约3.24亿m3，为日调节水库。水库正常蓄水位217.30 m，死水位215.00 m，设计洪水位222.05 m，校核洪水位227.15 m（p=0.1%）。枢纽建筑物从左至右依次为安装间、河床式厂房、纵向导墙、泄洪闸、垂直升船机兼泄洪闸、右副坝等，全长290 m，坝顶高程230.00 m，最大坝高72 m。

陕西蜀河水电站大坝首次定期检查期间发现，混凝土坝坝顶垂直位移自2012年起开始下沉，至2020年最大下沉量累计达6 mm，各测点下沉量基本一致，趋势性位移未收敛，见图1。有分析认为：“大坝整体在逐年下降，产生这种现象可能是大坝地基坚硬度及承载力逐年下降导致的”[1]。

图1 坝顶垂直位移测值过程线Fig.1 Process line of verticaldisplacement of dam crest

工程实际中，混凝土重力坝垂直位移发生趋势变化且运行多年未收敛的情况较少，需要在排除观测方法、基点稳定、平差计算等观测误差的基础上，结合地质、结构及其他监测结果进行分析。若经核实，确实为大坝产生趋势性沉降，则应分析评判大坝结构安全性的影响，如四川沙湾水电站蓄水以来闸坝发生趋势性沉降，最大沉降达18 cm，根据测值及时分析评判并采取工程措施[2]。

2 坝基变形

大坝建基于弱～微风化岩体上，以CⅢ类岩体为主，局部为CⅣ类，坝基岩性主要为白云母石英片岩、绢云母千枚岩，局部炭泥质板岩。弱风化白云母石英片岩变形模量0.980 GPa，弱风化绢云母千枚岩变形模量1.171~6.225 GPa，平均值3.335 GPa。坝基顺层断层发育，规模较大的F3、F4断层属中缓倾角断层，倾向上游，断层破碎带宽度变化较大，是控制坝基变形的主要结构面。其中F3断层的延伸长度较大，破碎带主要下伏于泄洪闸坝段和厂房坝段，坝基变形对上部结构的影响较大，施工中对坝基地质缺陷采取了深挖清除、刻槽置换混凝土、铺设钢筋等处理措施，并进行坝基固结灌浆，处理后的坝基承载力及变形满足设计要求。

蜀河大坝最大坝高72 m，属于中高坝，基础为弱～微风化岩体，局部岩性偏软，虽已针对性采取工程措施，但不能排除个别坝段产生趋势性沉降的可能。从埋设在坝基的基岩变位计观测数据可见（图2），坝基最大压缩量2.8 mm，主要发生在仪器安装初期，2010年以后测值基本保持不变，不存在趋势性变化，经综合分析，坝基变形稳定，可排除大坝基础整体趋势性压缩变形的可能。

图2 基岩变位计测值过程线Fig.2 Curve of monitoring data by bedrock extensometer

3 监测数据可靠性分析

3.1 坝顶垂直位移监测情况

大坝垂直位移采用几何水准法进行监测，坝顶共布置13个几何水准测点，测点编号为LD1～LD13。工作基点布置在坝顶左右岸灌浆廊道内，基点编号BM05和BM06。工作基点位移采用坝址区高程控制网校核。垂直位移采用DNA03水准仪及配套水准尺按一等水准测量要求施测，初始值取得时间为2012年1月，观测频次为1次/月，采用支水准往返测路线进行观测，观测线路为：坝左工作基点BM06→转点1→转点2→LD13→LD12→…→LD1→坝右工作基点BM05（作转点处理），往返测。

现场垂直位移几何水准测点与坝体牢固结合，测点能反映坝顶的实际变形情况，测点有保护装置。水准仪、水准尺每年送检，各项指标均满足要求。

3.2 观测精度分析

3.2.1 理论精度

坝顶几何水准路线理论精度受水准测量中偶然误差和系统误差影响。据DL/T 2155—2020《大坝安全监测系统评价规程》，一测站单程所测高差的中误差为Md，一等水准取±0.106 mm。往返测时垂直位移中误差M w=M d/2；其余路线M w=M d。

对支水准线路，最弱点为最远点，最弱点测站数等于起测点至该点的单程测站数。最弱点的高程中误差计算式为：

式中，R为最弱点测站数。

垂直位移量是两次测得高程值之差，故得垂直位移中误差。

经计算，蜀河大坝坝顶水准路线最弱点高程中误差±0.31 mm。大坝坝顶水准路线垂直位移中误差±0.43 mm，均小于±1 mm，满足规范要求。

3.2.2 实测精度

坝顶垂直位移设置两个工作基点：BM05和BM06，分别位于坝顶左右岸灌浆廊道内，设置两个工作基点应该是原设计打算采用附合水准观测。实际观测采用支水准往返测，平差采用BM06作为起算点进行计算，BM05未作为工作基点进行平差计算，只作为普通转点。

对2019年11月至2020年10月的10次观测原始记录的精度进行统计，各次大坝垂直位移测量的往返测不符值最大为0.51 mm，小于规范要求的往返测不符值±1.24 mm，各测次大坝垂直位移测量往返测不符值均满足一等水准的要求，观测精度良好。

3.3 工作基点稳定性分析

BM05和BM06采用坝址区高程控制网校核，2009年10月20日高程控制网建成并取得初始值，采用DNA03水准仪按一等水准精度进行观测。首先从国家水准网二等水准点Ⅱ安+29（高程系统为吴淞高程系）引测至水准基准点双金属标及水准基点，连续观测2次，按一等水准要求平差计算合格后取均值作为初始值。首次观测闭合差为1.1 mm，每公里偶然中误差为0.24 mm，满足一等水准测量要求。2014年12月采用DiNi12电子水准仪按国家一等水准测量技术要求施测。水准控制网观测时首先观测校核点、基准点的钢标及铝标，以基准点的钢标作为起始点，连续观测2次，平差计算合格后取均值作为高程控制网恢复后的首次观测结果。

2015年11月、2016年12月、2017年11月、2018年12月、2019年11月和2020年11月对高程控制网复测，其中BM06由于引测转点损坏，2016—2019年未复测。复测结果见表1和表2。由表可知：工作基点BM06各次复测值与首次测值之差较大，2014年12月和2015年11月复测时位移量分别为4.5 mm和4.0 mm，BM06出现了较大上抬变形。2020年11月复测结果表明，BM06累计上抬量为6.50 mm，目前该点仍处于缓慢上抬状态，左岸存在炭泥质板岩出露，工作基点上抬可能是由于炭泥质板岩遇水膨胀造成的。工作基点BM05各次复测值与首次测值之差较小，最大为1.2 mm，BM05总体稳定。

表1 工作基点校测结果（单位：m）Table 1 Results of calibration of benchmark points

表2 工作基点历次校测与首次测值差（单位：mm）Table 2 Difference between previous calibrations and first mea⁃surement of benchmark points

左观测平洞工作基点BM06目前累计上抬位移6.5 mm，与大坝沉降变形的量值基本吻合，坝顶垂直位移2009—2020年沉降6 mm左右，因此，分析大坝垂直位移测值趋势性沉降增大应该是工作基点BM06不稳定引起。

3.4 起算基点调整

从以上分析得出，大坝垂直位移趋势性变化是由工作基点BM06上抬引起的，经过多年复测，水准线路中另一个工作基点BM05是稳定的，因此可以将历次水准观测数据以BM05为基准点重新计算坝顶水准测值。重新计算后绘制坝顶垂直位移过程线，见图3。大坝垂直位移测点位移无明显趋势性变化，测值明显呈年周期变化，气温升高上抬，气温降低下沉，能反映大坝垂直位移的实际变化情况。

图3 以BM05作为工作基点计算的坝顶垂直位移测值过程线Fig.3 Process line of vertical displacement of dam crest taking BM05 as the benchmark point

4 大坝变形性态分析

坝顶垂直位移测值过程线见图3，坝顶垂直位移测点年变幅分布见图4。对国内坝高70~90 m的混凝土重力坝垂直位移年变幅数据进行统计，见表3。由图表可见：

图4 坝顶垂直位移年变幅分布Fig.4 Annualvariation of vertical displacement of dam crest

（1）从变化趋势看，近年来坝顶各坝段垂直位移变化稳定，无明显的趋势性变化。

（2）坝顶垂直位移随温度呈年周期变化，温升上抬，温降下沉，符合一般混凝土坝垂直位移变形规律。

（3）坝顶各坝段垂直位移最大年变幅在4.5~14.8 mm。从变幅的分布看，右岸泄洪闸坝段垂直位移变幅较小，左岸厂房坝段坝顶垂直位移变幅较右岸大些，河床中部厂房表孔6号闸墩部位最大年变幅为14.8 mm。坝顶垂直位移变幅分布状态符合工程特点。

（4）根据国内最大坝高70~90 m的混凝土重力坝的垂直位移年变幅统计结果（表3），除五强溪最大年变幅达14.0 mm以外，其余大坝垂直位移最大年变幅均在10.0 mm以内。蜀河水电站厂房坝段垂直位移变幅与同类工程对比偏大，主要与厂房坝段厂内溢流结构布置有关，但变幅量值基本在合理范围。

表3 混凝土重力坝坝顶垂直位移最大年变幅统计Table 3 Statistics of maximum annual variation of vertical dis⁃placement of dam crest

（5）从相对位移看，坝顶相邻坝段测点同步性较好，出现峰谷的时间基本接近，变化情况相似，表明大坝垂直位移变化较为协调，各坝段坝顶未发现明显的不均匀沉降，混凝土结构未见破损，坝段之间结构缝未见明显错抬（图5）。

图5 坝顶结构缝变形情况Fig.5 Deformation of structural joint on dam crest

5 结语

（1）蜀河水电站大坝坝顶垂直位移测值表现为趋势性沉降，是由于水准工作基点BM06不稳定造成的。可以采用稳定的工作基点BM05作为起算点重新计算坝顶垂直位移结果。

（2）重新计算后的垂直位移结果显示，蓄水以来蜀河大坝垂直位移测值稳定，垂直位移变形规律及分布规律符合混凝土坝一般规律，年变幅较同类工程偏大，与厂内溢流的结构布置有关，年变幅属于合理范围。

（3）根据坝顶垂直位移、基岩变位观测结果及现场检查结果分析，大坝变形性态正常。

（4）大坝监测数据分析前，首先要对监测结果的可靠性进行甄别，尤其是对于异常测值，应采取多种方法验证，不要急于得出大坝存在异常变形的结论。分析过程中也应紧密结合工程的水文地质条件、结构特点、运行环境综合分析，对异常现象给出合理的解释，为准确评价大坝结构安全和运行性态提供依据。