李毅男，李海河，李迎春，焦 伟

（黄河勘测规划设计有限公司，河南省郑州市 450003）

0 引言

近年来，我国在西北部地震高发区建设了一系列百米级高拱坝，这些高坝大库在地震作用下的抗震性能越来越引起设计人员和社会各界的重视。SMZ大坝作为西北地区第一座百米级碾压混凝土拱坝，在设计经验和施工条件等不够成熟的情况下，已正常工作运行多年，其震后表现有很高的研究价值。

安全监测技术是掌握大坝地震期间结构稳定和运行安全的重要手段，其中变形监测由于其直观性和精确性，通常被列为大坝安全监测的首选监测项目。而垂线系统就是进行坝体变形监测的一种常用观测手段，具有精度高、结构简单、便于实现自动化等特点，一般而言，混凝土坝的水平位移就是通过埋设在大坝基岩倒垂系统和埋设在坝体内部的正垂系统进行观测[1]。

1 研究背景

1.1 工程概况

SMZ水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区昌吉州玛纳斯县塔西河中游河段，距玛纳斯县城62.0km。坝址上游流域面积664.0km2，河流补给形成以冰川融雪为主、降雨为辅，多年平均年径流量为2.32亿m3。是一个以灌溉为主，兼顾防洪、发电的中型水利枢纽工程。本工程由碾压混凝土拱坝、黏土斜心墙土石坝、引水发电洞、发电厂房、拱坝坝顶溢洪道、坝身放水孔等主要建筑物组成。碾压混凝土拱坝坝高110m，坝顶弧长169m。设计正常蓄水位1390m，校核洪水位1392.5m，总库容5400万m3。装机容量7.65MW，地震设计烈度Ⅴ度[2]。水库自1998年6月开工，2001年10月大坝等主体工程完工，2003年10月正式下闸蓄水，至今已正常运行近14年，大坝具体情况详见图1、图2。

图1 SMZ水库平面示意图Fig.1 Schematic diagram of SMZ Reservoir

图2 SMZ大坝剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of SMZ dam profile

1.2 地震情况

北京时间2016年12月8日在新疆呼图壁县发生了6.2级地震，震中位于呼图壁县境内，地震发生时距离呼图壁县42km的SMZ大坝有明显震感。地震期间，SMZ拱坝的正、倒垂线和自动化系统均工作正常，有效采集到了地震发生期间宝贵的水平位移监测数据，为震后拱坝运行状态和结构安全的评价提供了重要基础数据。

2 监测资料分析

拱坝的位移一般分为水平位移和垂直位移，水平位移又分为径向位移和切向位移2个方向，其中径向为上下游方向，切向为左右岸方向。通常情况下，为了方便分析和计算，规定径向位移下游为正，上游为负；切向位移左岸为正，右岸为负[3]。为分析地震期间大坝的工作性态，现对SMZ拱坝典型坝段地震前、后各一个月的水平位移监测资料进行整理、分析。

2.1 垂线系统布置

垂线观测采用倒垂线和正垂线组合的方式进行观测。在主坝的拱冠和左右岸1/4拱处布置了3组垂线装置（见图3）。

图3 主坝垂线布置图Fig.3 Statistics of main dam plumb line

坝体中部垂线（AP1）由两条倒垂线和一条正垂线组成，倒垂线从1340廊道向下穿过1289廊道深入基岩50m，一条正垂线分别从坝顶向下至1340廊道；坝段右部垂线（AP2）由一条倒垂线和一条正垂线组成，正垂线由坝顶向下至1340廊道，倒垂线由1340廊道向下至基岩70m；坝段左部垂线（AP3）由一条倒垂线和一条正垂线组成，正垂线由坝顶向下至1340廊道，倒垂线由1340廊道向下至基岩50m。

2.2 径向位移

本文以典型受力断面拱冠梁为例对位移情况进行分析[4]，拱冠梁地震前后的径向位移、水位、气温测值过程线如图4所示，径向位移测值加速度过程线如图5所示，测值变幅特征值统计如表1所示。

图4 拱冠径向位移过程线Fig.4 The arch crown radial displacement process line

表1 坝体径向位移变幅统计表Tab.1 Statistics of the dam radial displacement amplitude

通过拱冠垂线3个测点（AP1-Y、AP1-2Y、AP1-1Y）的测值过程线可知，地震发生期间拱冠顶部、中部和底部的径向位移均有一个向上游侧的突变，但量值不大，基本在0.3mm以内。而且地震期间，库水位正好位于最高点，气温也较稳定，由此可推测该突变由地震引起。地震后一个月，库水位由1381m降至1379m，而拱冠的顶部、中部和底部整体有向下游侧变形的趋势，变幅在0.3～0.5mm之间，其中顶部变幅最大，底部变幅最小，符合拱坝变形的一般规律。从位移加速度过程线可以明显看出，坝体径向位移变化速率仅在地震期间波动较大，波动范围为-0.25～0.1mm/d，震后逐渐趋于平稳，未见趋势性加速变形。

通过与近两年拱冠的径向位移特征值比较后可知，顶部1340～1394m段的径向位移、中部1340～1289m段的径向位移、底部1289m以下的径向位移，地震前后变幅分别为1.83mm、1.01mm、0.62mm，远小于同测点2015年和2016年的年变幅，说明地震引发该部位的径向变形未对坝体结构带来额外负担或造成安全隐患。

坝体右部和左部（AP2、AP3）地震前后的径向位移情况和拱冠处类似，地震期间顶部、中部和底部均有一个向上游侧的小幅突变。震后一个月，库水位由1381m降至1379m，坝体右侧的顶部、中部和底部整体有向下游侧变形的趋势，变幅在0.08～0.65mm之间，其中顶部变幅最大，底部变幅最小。通过与近两年的径向位移特征值比较后可知，坝体右部和左部地震前后的水平位移变幅在0.31～2.24mm，均小于同测点2015年和2016年的年变幅，说明地震引发该部位的径向变形未对坝体结构带来额外负担或造成安全隐患。此外，径向位移变化速率仅在地震期间呈一定波动，震后逐渐趋于平稳，未见趋势性加速变形。

2.3 切向位移

拱冠梁地震前后的切向位移、水位、气温测值过程线如图6所示，切向位移测值加速度过程线如图7所示，测值变幅特征值统计如表2所示。

通过拱冠垂线3个测点（AP1-Y、AP1-2Y、AP1-1Y）的测值过程线可知，地震期间拱冠的顶部、中部和底部切向位移均有一个向左岸的突变，变幅在0.1mm左右。震后一个月，库水位由1381m降至1379m，拱冠的顶部、中部和底部有整体向左岸持续变形的趋势，变幅约在0.25mm左右，其中顶部、中部和底部变幅基本一致。此外，从位移加速度过程线可以明显看出，坝体切向位移变化速率仅在地震期间波动较大，波动范围-0.10～0.15mm/d，震后逐渐趋于平稳，未见趋势性加速变形。

图6 拱冠切向位移过程线Fig.6 The arch crown tangential displacement process line

图7 拱冠切向位移加速度过程线Fig.7 The arch crown tangential displacement’s acceleration process line

表2 坝体切向位移变幅统计Tab.2 Statistics of the dam tangential displacement amplitude

通过和近两年拱冠的切向位移特征值比较后可知，顶部1340～1394m段的切向位移、中部1340～1289m段的切向位移、底部1289m以下的切向位移，地震前后变幅分别为0.55mm、0.25mm、0.27mm，远小于同测点2015年和2016年的年变幅，说明地震引发该部位的切向变形未对坝体结构带来额外负担或造成安全隐患。

坝体右部和左部（AP2、AP3）地震前后的切向位移情况和拱冠处类似，地震期间顶部、中部和底部均有一个向左岸的小幅突变。震后一个月，库水位由1381m降至1379m，顶部、中部和底部整体有向左岸持续变形的趋势，变幅在0.06～0.33mm之间，其中顶部变幅最大，底部变幅最小。通过与近两年的切向位移特征值比较后可知，坝体右部和左部地震前后的切向位移变幅在0.12～0.79mm，均小于同测点2015年和2016年的年变幅。此外，切向位移变化速率仅在地震期间呈一定波动，震后逐渐趋于平稳，未见趋势性加速变形。

2.4 挠度分布情况

基于水平位移绘制出拱坝典型坝段的径向挠度分布曲线如图8～图10所示，切向挠度分布曲线如图11～图13所示。

图8 拱冠径向挠度分布图Fig.8 Distribution of the arch crown radial deflection

图9 坝右径向挠度分布图Fig.9 Distribution of the dam right radial deflection

图10 坝左径向挠度分布图Fig.10 Distribution of the dam left radial deflection

图11 拱冠切向挠度分布图Fig.11 Distribution of the arch crown tangential deflection

图12 坝右切向挠度分布图Fig.12 Distribution of the dam right tangential deflection

图13 坝左切向挠度分布图Fig.13 Distribution of the dam left tangential deflection

从径向挠度分布图可以看出，坝体拱冠、右部和左部的累计偏移量整体偏向上游侧，最大累计偏移量约6mm。其中拱冠延高程自上而下的挠度变形呈“＜”型，即坝中累计偏移量大于坝顶和坝基；右部和左部延高程自上而下的挠度变形呈直线型，即坝顶累计偏移量最大，坝中次之，坝基最小[5]。

从切向挠度分布图可以看出，拱冠累计偏移量整体偏向右岸，最大累计偏移量约1.4mm，右部和左部的累计偏移量整体偏向左岸，最大累计偏移量约2mm。其中拱冠延高程自上而下的挠度变形呈直线型；右部和左部延高程自上而下的挠度变形分别呈“＞”和“＜”型，即坝中累计偏移量大于坝顶和坝基。

通过比较地震前后坝体的挠度分布图可知，挠度曲线线型未见明显变化，且各测次曲线整体紧凑性较好，地震后未见向上、下游侧的趋势性偏移或者单测点的突变现象，说明地震未对拱坝挠度分布造成影响。

3 结束语

通过对SMZ拱坝地震前后的水平位移监测数据进行分析可知：

（1）坝体的中部、右部和左部的径向位移在地震发生时均有一个向上游侧的小幅突变，而后一个月呈现向下游侧的持续变形；切向位移在地震发生时有向左岸的小幅突变，而后一个月继续向左岸发生变形，其中径向位移变幅大于切向位移，但两者绝对变形量均在合理范围内。

（2）地震期间，坝体径向位移和切向位移变形速率呈现明显波动，波动范围在-0.5～0.3mm/d以内，但震后逐渐趋于平稳，未见趋势性加速变形。

（3）地震发生前后，拱坝的径向位移最大约2.24mm，切向位移最大约0.79mm，其中坝体顶部变形大于底部，但均未超过年位移变幅范围，说明地震引发的水平位移变形未给坝体结构稳定带来额外负担，因此造成的安全隐患风险较小。

（4）地震发生后，坝体典型部位的径向挠度和切向挠度分布图未见异常，各测次曲线规律性较好，未见单方向的趋势性变形或者单测点的突变现象。

综上，受新疆呼图壁县“12·8”地震影响，SMZ拱坝水平位移发生了一定程度的变化，但量值均在合理范围内，未给坝体结构稳定带来额外负担。地震前后，坝体的变形规律基本正常，未发现明显异常，说明SMZ拱坝具备一定的抗震能力。