丰满大坝重建工程首次蓄水期坝体变形性态分析评价

2022-06-02金鑫鑫周树国黎利兵商玉洁张春雨

大坝与安全 2022年1期

金鑫鑫，周树国，黎利兵，商玉洁，张春雨

（1.中国水利水电科学研究院，北京，100038；2.松花江水力发电有限公司丰满大坝重建工程建设局，吉林吉林，132108）

0 引言

首次蓄水对大坝安全是较大的考验，期间坝体的应力、变形及渗流情况对大坝长期运行的安全性有较大影响[1]。一般来说，上游蓄水将降低坝踵压应力，大坝将产生顺河向的变形增量。其中，在水荷载作用下，坝体的变形量及分布规律是评估大坝稳定安全的关键，因此是关注的重点。除水荷载外，温度荷载也将同时作用于大坝结构，共同影响坝体的变形过程[2-6]。结合监测数据，对丰满重建工程首次蓄水期的坝体变形进行分析，着重分析变形的时空发展过程及分布规律，并评估大坝整体变形安全性态。

1 工程信息

吉林丰满水电站全面治理（重建）工程是在原丰满大坝下游120 m处新建一座大坝，工程以发电为主，兼有防洪、灌溉、城市及工业供水、生态环境保护、水产养殖和旅游等综合利用效益。水库正常蓄水位263.50 m，死水位242.00 m，校核洪水位268.50 m，水库总库容103.77亿m3。电站总装机容量1 480 MW，多年平均发电量17.0 亿kWh。碾压混凝土重力坝由左岸挡水坝段、溢流坝段、厂房坝段和右岸挡水坝段组成，共分56个坝段，坝顶高程269.50 m，最大坝高94.50 m，坝顶全长1 068 m。

丰满重建工程自2019年5月20日开始初期蓄水，至2019年6月20日完成新老坝之间充水，此时库水位为241.30 m。6月20日以后水位继续上升，至 2019年10月28日水位上升 22.13 m，达到263.43 m，接近正常蓄水位，首次蓄水完成。蓄水过程示意见图1。

图1 丰满大坝重建工程初期蓄水过程示Fig.1 The initial impoundment of reconstructed Fengman dam

2 变形监测布置

丰满大坝重建工程安全监测采用“8竖3横”的布置方式：“8竖”指8个典型监测断面（9 号、13 号、19 号、23 号、26 号、29 号、32 号、40 号坝段），“3 横”指坝基（建基面和坝基灌浆廊道）、高程230.00 m和高程212.50 m 坝体检查廊道、高程269.50 m 坝顶。通过“8 竖3 横”监测系统各交点的变形，能较为全面地掌握大坝的整体变形情况，典型监测断面考虑了地质条件和结构差异，见表1。

2.1 正倒垂线

在左、右岸坝肩观测房内和8个典型监测断面分别布置正、倒垂线，另在11号和35号坝段的基础灌浆廊道内各设1 条倒垂线，共计设正垂线16 条（18 个测点），倒垂线12 条（12 个测点）。除32 号、40号坝段坝顶测点以外，其他正倒垂线测点起测时间为2019年5月15日。

2.2 水准点

2.2.1 静力水准

在4～18 号坝段和26～49 号坝段230.00 m 高程廊道、18～26号坝段212.50 m高程廊道、20～25号坝段基础灌浆廊道分别布设1 条横河向静力水准系统，监测坝体不同坝段和不同高程的垂直位移，每个坝段布设1 个测点，间隔100 m 增加1 个测点，4条静力水准系统共布设57 个测点，起测时间为2019年5月9日。

2.2.2 精密水准

在每个坝段的坝顶、230.00 m 高程廊道、212.50 m 高程廊道和基础廊道（除陡坡坝段）各布设1个水准点，共布设149个测点，起测时间为2019年5月18日。

2.2.3 倾斜监测

在坝体内的横向观测廊道成对布设水准点，通过沉降差除以两点间距得到坝体倾斜情况。水准点布置在9号、19号、23号和32号坝段230.00 m高程廊道、212.50 m高程廊道和基础灌浆廊道，共布设8组（16个）水准点，见图2。230.00 m高程观测廊道静力水准测点之间距离为590 cm，212.50 m高程观测廊道和基础观测廊道静力水准测点之间距离为990 cm。通过水准测点沉降差除以水平距离计算倾斜角度，正值代表向下游倾斜，负值代表向上游倾斜。

2.3 坝体横缝监测

在典型坝段与相邻坝段即5号与6号坝段、9号与10号坝段、13号与14号坝段、19号与20号坝段、22 号与 23 号坝段、26 号与 27 号坝段、29 号与 30 号坝段、32号与33号坝段、39号与40号坝段、46号与47号坝段之间的横缝处，沿高程197.00 m、209.00 m、225.00 m和240.00 m布置测缝计，监测坝体横缝开合度的变化，10条横缝共布设52支测缝计。

3 坝体变形分析

3.1 水平位移规律分析

3.1.1 顺河向位移

典型坝段顺河向位移结果见图3，坝顶顺河向位移分布见图4。由图3 可知，随着上游水位升高，坝体向下游变形，2019年首次蓄水期间顺河向位移为1.63～10.00 mm，最大值位于19 号坝段坝顶测点19PL3。沿高程方向，顺河向位移基本呈随测点高程升高而增大的趋势，符合重力坝变形的一般规律。沿坝轴线方向，各坝段变形量基本相当，整体变形协调。从9 号典型坝段的统计模型结果（见图5）来看，在首次蓄水期间，水位分量是顺河向变形的主要原因，时效变形较小。

图3 首次蓄水期间典型坝段顺河向位移分布Fig.3 Distribution of the displacement of typical dam sections along river during the first impoundment

图4 坝顶顺河向位移分布Fig.4 Distribution of the displacement of dam crest along river

图5 9号坝段坝顶测点9PL2统计模型结果（R=0.996，s=0.203）Fig.5 Statistical analysis results of measuring point 9PL2 on the crest of dam section No.9

3.1.2 横河向位移

首次蓄水期间，各坝段横河向位移为-1.44～1.86 mm。其中，坝顶部位测点测值为-1.44～1.55 mm；230.00 m高程测点测值为-1.18～1.86 mm；坝基部位测点测值为-0.81～0.50 mm。基本呈高程越高，横河向位移越大的规律。13 号坝段横向位移监测结果见图6。

图6 13号坝段横河向位移分布Fig. 6 Distribution of transverse displacement of dam section No.13

3.2 垂直位移规律分析

本研究仅对精密水准测量结果进行分析，见图7。各坝段测点基本随库水位上升而发生下沉变形，各高程变形规律为：

图7 11号堆积体处理平面图Fig.7 The treatment plan of No.11 deposit

图7 首次蓄水期间大坝各高程垂直位移变化量分布（正：上抬）Fig.7 Distribution of vertical displacement variation at each elevation of dam during the first impoundment

（1）基础灌浆廊道：各测点主要呈下沉变形，量值较小，在1.50 mm 以内，未见趋势性发展，最大沉降变形位于31 号坝段。相邻坝段最大沉降差较小，在1.60 mm以内。

（2）212.50 m 高程廊道：各测点主要呈下沉变形，量值较小，在1.55 mm 以内，未见趋势性发展，最大变形位于24号坝段。相邻坝段最大沉降差较小，在1.40 mm以内。

（3）230.00 m 高程廊道：各测点主要呈下沉变形，量值较小，在2.27 mm 以内，未见趋势性发展，最大变形位于30号坝段。相邻坝段最大沉降差较小，在2.00 mm以内。

由上述监测结果可知，坝体各高程沉降变形均匀且较小，最大变形位置具备两个特点：坝段高度较高，临近或处于断层地基坝段。

基础廊道垂直位移过程线见图8。

图8 基础廊道垂直位移过程线（正：下沉）Fig.8 Vertical displacement of the foundation gallery

3.3 倾斜变形规律分析

9号、23号和32号坝段沉降及倾斜角度过程线见图9。由图9可知，随着大坝蓄水，同高程坝体下游侧测点沉降变形大于上游侧，意味着大坝整体向下游倾斜，上、下游两个测点沉降差较小，基本在2.20 mm 以内。由沉降差计算得到倾角为7.82″～30.79″，坝体倾斜变形在正常范围内。

图9 大坝水平廊道测点沉降及倾斜角度过程线Fig.9 Settlement and inclination of the horizontal gallery

3.4 大坝横缝变形规律分析

横缝开度主要受坝体混凝土温度变化影响，即混凝土温度降低时，开度增大，混凝土温度升高时，开度减小，与蓄水过程无相关性，典型过程线见图10。横缝测缝计开度总体为-2.54～5.63 mm，大部分测缝计表现为张开，见图11。横缝开度统计结果见表2。首次蓄水期间开度基本保持稳定，变化量为-1.43～0.34 mm，横缝张开的比例为25%。