李镇惠，罗 琛，骆建宇

（1．长江科学院，武汉 430010；2．葛洲坝股份有限公司测绘工程院，湖北宜昌 443002）

三峡茅坪溪防护土石坝变形监测成果分析

李镇惠1，罗 琛2，骆建宇1

（1．长江科学院，武汉 430010；2．葛洲坝股份有限公司测绘工程院，湖北宜昌 443002）

对三峡茅坪溪防护土石坝的变形规律和特点进行分析，大坝内部累积沉降1．26 m，约占坝高1．21%，外部变形最大沉降205 mm，最大水平位移85 mm，坝体水平和垂直位移均呈河床大、两岸小的分布，水平和垂直位移均具有不可逆性。通过统计回归分析可知：水平位移受水压和时效影响，垂直位移不受水压影响，主要受时效影响。大坝位移速率逐年减小，但仍未稳定，大坝变形性态正常。

茅坪溪防护土石坝；变形监测；成果分析

1 工程概况

茅坪溪防护土石坝位于三峡大坝轴线上游1．0 km处的长江右岸，是三峡工程的重要组成部分，与三峡大坝同属一等Ⅰ级永久性建筑物，是一个无放空条件的土石坝。该大坝主要作用是保护茅坪溪流域内居民、耕地、工矿企业及缓解秭归县移民压力。

茅坪溪大坝采用沥青砼心墙堆石坝，大坝坝顶高程185．0 m，坝顶宽20．0 m，最大坝高104 m，坝顶长度1 070 m。大坝坝体由风化砂、石渣混合料、块石过渡料、反滤料、垫层料等按不同分区填筑而成。大坝迎水面边坡的坡度为1∶2．5～1∶3．0，在高程160，145，130 m处各设置3．0 m宽马道一条，在高程110 m处设置2．5 m宽马道一条。背水面边坡坡度为1∶2．0～1∶2．5，在高程165，125 m处各设置3．0 m宽马道一条，在高程110，145 m处各设置6．0 m宽马道一条，其中在高程110．0 m，为防护大坝的排水棱体堆石区。

在桩号0＋126．80 m至1＋009．25 m段，坝体防渗采用全长882．45 m垂直沥青砼心墙。心墙顶高程184 m，墙底最低高程91 m，心墙最大高度93 m，心墙厚度一般由顶部高程处的0．5 m渐变至高程94 m处的1．2 m，两侧近似1∶0．007 8斜坡面，心墙底部通过3．0 m高渐变形扩大段分别与砼基座连接，防渗墙两侧为砂卵石过渡层，上游宽2．0 m，下游宽3．0 m，该过渡料是作为心墙上下游垂直排水、施工时过渡层与沥青砼心墙同步铺筑上升。

大坝正常蓄水位为175 m高程，校核洪水位180．4 m，地震设防裂度为7度，均与三峡大坝相同。背水侧茅坪溪设计洪水位（20年一遇）106．4 m，校核洪水位（100年一遇）为107．3 m，非常洪水（万年一遇）考虑调蓄后为114．6 m。大坝建成后，茅坪溪的来水通过泄水建筑物流入长江。

茅坪溪防护土石坝规模巨大，大坝设计填筑工程量为1 213万m3，沥青砼4．94万m3、砼防渗墙3．8万m2、帷幕灌浆3．19万m。

茅坪溪大坝分2个标段施工以大坝高程140 m为界，高程140 m以下工程为第一标段，1996年2月开始施工，2000年9月完工；第二标段是大坝高程140 m以上至坝顶高程185 m的施工，2001年1月开工，大坝于2003年6月底前填筑到设计高程185 m。

2 监测仪器布置

为监控茅坪溪防护土石坝的安全性态，布设了较完整的安全监测系统，其中有变形监测、渗流监测、应力应变和温度监测，以及强震监测等内容。本文就变形监测加以说明。

2．1 水平位移监测布置

（1）在上游马道高程160 m，坝顶185 m、坝下游高程145，136，110 m马道上，利用视准线测量坝体上下游x方向的水平位移。

（2）在桩号0＋580，0＋700，0＋850等3个断面布设钻孔测斜仪，测量坝体上下游x方向和坝轴线y方向的水平位移，0＋580，0＋700每个断面布设4孔测斜仪，0＋850布设3孔测斜仪，共计11孔。

（3）在上述3个断面高程137m，各布置2条铟钢丝位移计测量沥青砼心墙水平位移。

2．2 垂直位移测量布置

利用三峡工程全网测点作为工作基点，对坝体和坝基进行水平和垂直位移监测，垂直位移监测采用一等精密水准测量方法测量。测点布置为：

（1）基础廊道内布置10个测点，测量基础廊道的垂直位移。

（2）在上述布置水平位移测点处同时进行垂直位移测量。

（3）利用测斜管外布置电磁式沉降环，测量坝体沉降位移，每孔间隔3．0 m布置一个沉降环，共布置261个沉降环。

（4）在坝体高程119，136，164 m布设水管式沉降仪，测量坝体沉降，布置在防渗墙下游坝体，每个断面布置3～5个测点，共布置29个测点。

3 监测成果分析

茅坪溪大坝从2003年5月后经历了高程135，156，172．8，175 m多次蓄水，蓄水期间发现坝体的垂直位移与水位无关，仅水平位移与水位有关，蓄水前后水平位移变化为10～14 mm［1］，现将监测成果分述如下。

3．1 垂直位移分析

3．1．1 基础廊道垂直位移变化

高程84．0 m基础廊道的垂直位移目前累计值在23．28～28．61 mm之间，每次蓄水前后垂直位移变化多在±1．0 mm以内。基础廊道垂直位移主要为时效位移，其次为坝体自重引起的位移。选河床中部0＋700断面、LD05MP3测点进行统计回归分析，该方程相关系数R为0．982 2，标准差σ为1．45 mm，方程显著性检验F＝501．8，方程常数项为0．12 mm。基础廊道垂直位移观测值与计算值及残差过程线见图1所示，垂直位移分量过程线见图2。从图中可知：

（1）观测值与计算值变化趋势一致，残差一般在±2σ（2．9 mm）以内，个别测点达3．49 mm。

（2）自重位移分量为5．24 mm，2003年6月大坝已填筑到设计高程185 m，由于坝基底宽近500 m，坝体引起沉降较小是可能的，2003年6月实测沉降11．4 mm，其中自重位移5．24 mm，时效位移5．95 mm。

图1 茅坪溪大坝坝基廊道LD5mp_a垂直位移观测值和计算值及残差过程线Fig．1 Process lines of observed and calculated vertical disp lacem ent and their residual error at LD5m p_ain the gallery of M aopingxi dam foundation

图2 茅坪溪大坝坝基廊道LD5mp_a垂直位移分量过程线Fig．2 Process lines of deadweight component and aging component of the vertical disp lacement at LD5mp_a in the gallery of M aopingxi dam foundation

（3）135 m蓄水后，时效位移继续增大，到2012年7月时效位移18．3 mm，蓄水后增大12．35 mm。

（4）由于观测值每年根据全网中工作基点的改变而修正，导致成果波动较大。

3．1．2 坝体垂直位移

（1）利用断面测斜管外的电磁沉降环，测得坝体在施工期和运行期的沉降过程，到2012年7月坝体累积沉降1 262 mm（IN06MP），大坝施工完成期2003年6月坝体沉降1 116 mm，与设计计算值1 170 mm相近。投入运行后，沉降速率减缓，到2012年7月沉降增加146 mm，而运行期设计计算的累积沉降值950 mm，比施工完建期1 170 mm小。土石坝是松散颗粒体碾压而成，不具备像混土坝体那样具有弹性体，其变形是不可逆的，没有回复的弹性性能，因实测成果是可信的，其坝体沉降率为坝高的1．21%，符合土石坝沉降率1%～2%的变化规律，坝体累积沉降和坝体填筑高程过程线见图3。从图3中可知坝体沉降随大坝填筑升高而增大，当坝体填筑到设计高程后，2003年6月沉降到达1 170 mm，以后变化较小。

（2）通过电磁式沉降环监测，坝体沉降沿高程分布见图4，图中反映不同日期不同高程的垂直位移分布，图中反映坝高1／3～2／3部位沉降量较大，在550～700 mm之间。图中3个日期还反映高程135，156，175 m蓄水后的沉降分布沉降位移随时间延长仍有少量增加。

图3 茅坪溪大坝填筑与累积沉降过程线Fig．3 Process lines of accumulative settlement and construction height of the M aopingxi dam

（3）水管式沉降仪测得坝体最大沉降为826．4 mm，2012年2月20日测得高程119．23 m距坝轴线6．0，36．0 66．0，96．0，126 m处的沉降分别为712．4，826．4，804．4，554．4，343．34 mm，反映出靠上游沉降大、下游沉降小的分布特点，高程136 m沉降在410．3～746．3 mm之间，高程164 m沉降在339．4～491．4 mm之间，其分布与高程119．23 m相同，上游大，小游小。水管式最大沉降率为坝高的0．79%。

图4 沉降环沉降量沿高程分布图Fig．4 Settlements of the settlement-rings along the elevation

（4）测斜管测得坝顶x方向累计水平位移在134～210 mm之间，y方向累计位移在136～174．7 mm之间。

3．1．3 坝顶垂直位移

在135m蓄水后，2003年7月建立坝体垂直位和初始值，到2012年7月最大累积沉降为195．25 mm，高程156，172．8，175．0 m蓄水前后，垂直位移变化在±1．0 mm以内变化，未反映水压对沉降变形的影响，主要反映时效位移，其垂直位移分布见图5。图5中反映河床中部垂直位移较大，两岸逐渐减小，2008年11月、2009年11月、2010年11月、2011年11月蓄水后的垂直位移逐年增大，仍未完全稳定。

3．2 水平位移分析

3．2．1 坝体表面水位位移

大坝下游高程110，136，145，185 m的马道上，均布置视准线测点测量坝体水平位移。目前测得坝体最大水平位移为84．82 mm，产生在斜坡段高程136 m，TP／LD02MP034测点所测（首次观测日期为2001年1月），高程110 m水平位移在16．37～35．58 mm之间，高程145 m水平位移在30．25～83．23 mm之间，坝顶水平位移在4．35～77．84 mm。水平位移分布见图6，图中反映水平位移仍是河床中部位移较大，两岸上位移逐渐减小，2008年11月、2009年11月、2010年11月的位移有逐年增大趋势；同时反映175 m蓄水后，2010年11月和2011年11月的水平位移分布相近。

图5 坝顶185．0 m垂直位移分布图Fig．5 Distribution of vertical displacements at dam crest EL．185．0m after water impoundment to different elevations

图6 坝顶185．0 m水平位移分布图Fig．6 Distribution of vertical displacements at dam crest EL．185．0m after water impoundment to different elevations

3．2．2 坝体内部水平位移

（1）测斜管测得坝顶x方向累计水平位移在134～210 mm之间，y方向累计位移在136～174．7 mm之间。河床0＋700断面IN06MP03测得施工完建时2003年6月的水平位移为100 mm，目前为211．66 mm，从完建后水平位移增量为111．66 mm。设计计算施工期的水平位移155 mm，比实测值100 mm大，完建后运行期水平位移为289 mm，也比目前值211．66 m大，其设计位移增量134 mm，也比实测111．66 mm大些。坝顶实测水平位移见图7中IN06MP03过程线。

（2）钢丝位移计测得沥青砼心墙高程137 m的水平位移目前在95．31～113．11 mm之间，由于2002年2月才取得首次值，但完工时2003年6月水平位移较小，在22．15～32．37 mm之间，135 m蓄水后，到目前位移在95．31～113．33 mm之间，其位移增量在71．22～87．24 mm，设计计算成果施工完成时的水平位移为15 mm，运行期水平位移为285 mm［2］，计算成果与实测值仍有较大差异，其原因可能是设计计算参数与实际情况不符所致，其位移过程线见图6中的ID0301MP03。

图7 坝体和心墙水平位移过程线Fig．7 Process lines of the horizontal displacements of the dam and the core-wall

3．3 茅坪溪大坝坝顶变形数学模型分析

3．3．1 坝顶垂直位移数学模型分析

坝顶垂直位移和水平位移的首次值观测均是在135．0 m蓄水后2003年7月才建立，从坝顶垂直位移过程线反映，位移与蓄水和年温度变化无关，因此垂直位移分析时认为主要为时效变形，时效因子选用ln（t＋1），（1－e－0．01t），t／100，t／（t＋365）等因子进行统计数学模型分析，通过多种方案计算，求得最佳数学模型方程为

式中Y为位移（mm），其它符号同前。

该方程相关系数R＝0．999 5，标准差σ＝1．51 mm，方程显著性检验F＝26 591．67，远大于统计要求值2．1，说明方程非常显著。所选时效因子重要性系数均大于1，在－1．39～76．63之间，其中线性时效因子t／100的重要性系数最大，为76．63，说明所选时效因子合理。坝顶垂直位移观测值与计算值及残差过程线见图8，时效分量过程线见图9。从图8、图9可知：

（1）观测值与计算值基本一致，拟合较好，相关系数达到0．999 5，残差一般在±2σ范围内。

（2）时效因子t／100和LN（t＋1）的重要性系数分别为76．63和－1．39，其最大位移分量分别为122 mm和－8．24 mm。

（3）时效因子t／t＋365的重要性系数为21．51，其最大位移分量为57．6 mm。

（4）时效因子（1－e－0．01t）的重要性系数为7．27，其最大位移分量为25．6 mm。

图8 茅坪溪大坝坝顶LD10_11垂直位移观测值和计算值及残差过程线Fig．8 Process lines of observed and calculated vertical disp lacement and their residual error at dam crest LD10_11

图9 茅坪溪大坝坝顶LD10_11垂直位移时效分量过程线Fig．9 Process lines of aging com ponent of vertical displacement of dam crest LD10_11 of the M aopingxi dam

（5）从坝顶垂直位移过程线反映，垂直位移仍未稳定，2011年年位移变化仍有11 mm，根据预报方程，预计2012年12月累计垂直位移为202．92 mm。

3．3．2 坝顶水平位移数学模型分析

坝顶水平位移监测也是在135 m蓄水后，2003年7月才开始观测，位移过程线反映，156，172．8，171．4，175 m蓄水前后，水平位移均有增大，说明水压对位移有影响，故在因子选取时考虑日平均、旬平均、月平均水位的1次、2次、3次方，其次选用时效因子，通过多种方案计算，求得坝顶水平位移最佳数学模型方程为

式中：h1，hx，hm分别为观测时的日平均、旬平均、月平均水位（m）；h10，hx0，hm0分别为首次值观测时的日平均、旬平均、月平均水位（m）；其它符号同前。

该方程相关系数R＝0．997 1，标准差σ＝2．01 mm，方程显著性检验F＝2 991．65，远大于统计要求值2．1，说明方程非常显著。方程中水位因子的重要性系数分别为2．37，－3．73， 7．73，8．54，－5．98，时效因子t／1 000和1－e－0．011t的重要性系数分别为60．51，6．83。时效因子t／1 000的重要性系数最大为60．51。该方程观测值和计算值及残差过程线见图10，位移分量过程线见图11。从图10、图11可知：

（1）观测值和计算值两者基本一致，残差一般在±2σ范围内，个别为5．56 mm。

（2）时效位移分量较大，最大为81．4 mm，时效位移还未收敛。

（3）2008年172．8 m蓄水前后，2009年171．4 m蓄水前后及2010年175．0 m蓄水前后和2011年175．04 m蓄水前后，其计算位移增量分别为15．2，11．7，12．9，14．4 mm，与观测值位移增量14．4， 10．9，12．9，11．6 mm相近。

图10 茅坪溪大坝坝顶AL10_15水平位移观测值和计算值及残差过程线Fig．10 Process lines of observed and calculated horizontal displacement and their residual error at dam crest AL10_15 of the M aopingxi dam

图11 茅坪溪大坝坝顶AL10_15水平位移分量过程线Fig．11 Process lines of aging component and water pressure com ponent of horizontal disp lacement at dam crest AL10_15 of the M aopingxi dam

（4）根据数学模型方程，预计2012年12月15日和2013年12月15日在175．0 m水位作用下，其水平位移分别为94．14 mm和101．96 mm。

（5）方程常数项为－0．51 mm，与基准值0相差不大。

上述成果是根据2012年7月份前资料进行统计分析，如今后实测成果与计算值有差异，仍应根据实测成果对数学模型进行修正，然后进行预测，以监控大坝安全。

4 结 论

通过变形监测成果分析，可以得到以下结论：

（1）茅坪溪防护土石坝的下游表面最大水平位移为84．82 mm，最大垂直位移为209．93 mm，其垂直位移大于水平位移的特征，符合土石坝的变形规律。

（2）沉降环测得坝体从施工开始到175 m蓄水后，坝体累积沉降1 262 mm，其沉降率为坝高的1．21%。

（3）水管式沉降仪测得坝体最大沉降826．4 mm，其沉降率为坝高的0．79%。

（4）坝体垂直位移未反映水压影响，主要反映时效位移，目前垂直位移仍未稳定。

（5）坝体水平位移受水压和时效影响，时效位移是主要的。

（6）垂直和水平位移都是不可逆变形，这是土石坝变形特点。

（7）坝体水平和垂直位移均呈河床中部位移大、两岸逐渐减小的分布。

（8）目前坝顶水平位移在4．35～77．84 mm之间，垂直位移在26．8～195．25 mm之间。

（9）茅坪溪大坝变形规律合理，测值可信，目前大坝变形性态正常。

［1］ 三峡集团公司安全监测中心．长江三峡水利枢纽2011年试验性蓄水安全监测成果分析［R］．宜昌：三峡集团公司安全监测中心，2012．（Safety Monitoring Center of China Three Gorges Corporation．Analysis on the Safety Monitoring Results During Trial Impoundment of Three Gorges Project in 2011［R］．Yichang：Safety Monitoring Center of China Three Gorges Corporation，2012．（in Chinese））

［2］ 长江水利委员会．长江三峡水利枢纽茅坪溪防护土石坝工程第一标段合同项目完工验收设计报告［R］．武汉：长江水利委员会，2001．（Changjiang Water Re-sources Commission．Report of the Completion and Acceptance of the First Section of Maopingxi Protective Earth and Rockfill Dam of the Three Gorges Project［R］．Wuhan：Changjiang Water Resources Commission，2001（in Chinese） ）

（编辑：赵卫兵）

Analysis on Deformation M onitoring Results for M aopingxi Protective Earth and Rock fill Dam in the Three Gorges

LIZhen-hui1，LUO Chen2，LUO Jian-yu1
（1．Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Surveying and Mapping Engineering Institute of China Gezhouba Group，Yichang 443002，China）

The regularities and characteristics of the deformation of Maopingxi protective earth and rockfill dam in the Three Gorges are analyzed in the present paper．Data display that the internal cumulative settlement of the dam is 1．26m，about1．21%of the dam height．Themaximum external settlement is 205mm，and the maximum horizontal displacement is 85mm．The horizontal and vertical displacement values in the center of the river are great while at both banks are small．It’s known that the horizontal and vertical displacement are irreversible．Bymeans of statistical regression analysis，it is found that the horizontal displacement is affected by water pressure and aging effect，while the vertical displacement ismainly affected by aging effect instead ofwater pressure．The displacement rate of the dam has been decreasing year after year，but is still unstable．The dam is in normalworking state．

Maopingxi protective earth and rockfill dam；deformation monitoring；analysis on results

TV698．1

A

1001－5485（2013）02－0097－06

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．021

2012－12－03

李镇惠（1954－），男，江苏淮阴人，工程师，主要从事工程安全监测技术研究工作，（电话）13972018967（电子信箱）1047170868＠qq．com。