二灘大壩外部變形監(jiān)測及資料分析*

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學院，四川 崇州，611231；2.四川中水成勘院測繪工程有限公司，四川 攀枝花，617000；3.四川省地震局測繪工程院，四川 雅安，625000)

1 引言

大壩外部變形監(jiān)測主要是對大壩的監(jiān)測點進行周期性的重復觀測，對多次的重復觀測結(jié)果進行比較，不僅可以判斷大壩在各種力的作用下是否安全運轉(zhuǎn)，同時也可以監(jiān)測施工質(zhì)量。目前，國內(nèi)外很多專家對大壩變形監(jiān)測進行過研究，如李紅連等人對大壩變形監(jiān)測的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了研究，分析了全站儀、GPS等多種方式，給出了大壩變形監(jiān)測的發(fā)展趨勢[1]。如王乙春，對大壩定期變形監(jiān)測的重要性進行數(shù)據(jù)對比分析，總結(jié)了變形監(jiān)測在大壩建設(shè)中的重要性[2]。趙燕用GPS對西龍池水庫表面進行變形監(jiān)測，建立了西龍池上水庫連續(xù)運行監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時、自動化、高精度的大壩變形監(jiān)測[3]。趙景瞻用TCA測量機器人對二灘大壩進行外部變形監(jiān)測，有一定的優(yōu)越性，同時指出了應該注意的問題[4]。王洪利用TCA測量機器人對紫坪庫大壩進行自動觀測以及對其進行質(zhì)量評價[5]。劉明軍對長洲水利樞紐大壩外部變形觀測，并進行變形分析，為確保大壩的安全運行提供支持[6]。陳雪豐等人對天堂抽水蓄能電站變形監(jiān)測資料進行分析，得出控制網(wǎng)穩(wěn)定可靠，二級電站靠左岸變形相對加大，應重點觀察左岸山體地應力的影響[7]。郝靈等人對小灣水電站垂線自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出大壩位移變化趨勢與水位相關(guān)性較好，垂線監(jiān)測為大壩安全穩(wěn)定運行提供了良好保證[8]。阿卜杜塔伊爾·亞森等人對平原水庫大壩的監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析，得出東壩和西壩的變化情況[9]。彭啟友等人對三峽工程初期蓄水大壩變形監(jiān)測的成果分析，得出大壩變形量均在設(shè)計范圍內(nèi)，大壩安全正常運行[10]。

2 研究區(qū)概況

二灘水電站地處四川省西南邊陲攀枝花市鹽邊與米易兩縣交界處，處于雅礱江下游，壩址距雅礱江與金沙江的交匯口33km，系雅礱江水電基地梯級開發(fā)的第一個水電站。上游為官地水電站，下游為桐子林水電站。水電站最大壩高240m，水庫正常蓄水位海拔1200m，總庫容58億m3，調(diào)節(jié)庫容33.7億m3，裝機總?cè)萘?30萬kW，平均發(fā)電量170億kW·h，工程以發(fā)電為主，兼有其他綜合利用效益。水電站由混凝土雙曲拱壩、左岸地下廠房、右岸泄洪隧洞、左岸木材過壩設(shè)施等建筑物組成。

本次研究選取了二灘大壩壩頂共5個水平位移監(jiān)測點，分別為OP2、OP3、OP4、OP5、OP6，以觀測大壩上下游方向的徑向位移和大壩左右岸方向的切向位移。研究區(qū)概況圖及大壩觀測點示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 研究區(qū)概況

圖2 大壩觀測點示意

3 二灘大壩外部變形監(jiān)測的方法

二灘大壩水平位移監(jiān)測全部采用邊角網(wǎng)進行觀測，壩頂七點觀測網(wǎng)示意如圖3所示，選水平位移基準網(wǎng)中的C6、C11作為工作基點，和觀測的五個點組成觀測網(wǎng)進行觀測，儀器測角中誤差≤±0.5″、測距精度≤±1mm+1ppm。測角按照Ⅰ等三角測量規(guī)范施測，觀測12測回，作業(yè)限差如表1所示，測邊按照各邊往返觀測4測回(一測回照準目標一次，讀取4次讀數(shù))，測邊同時進行測站、站點的干濕溫，氣壓讀數(shù)。采用最佳時段觀測，作業(yè)限差按照技術(shù)規(guī)定執(zhí)行。一測回讀數(shù)間互差限值為±2mm；單程測回間互差限值為±3mm。觀測過程中觀測儀器和設(shè)備固定，觀測人員固定，以及在基本相同的環(huán)境和條件下進行觀測。

圖3 大壩壩頂觀測網(wǎng)

表1 水平方向觀測的限差

二灘大壩外部變形觀測網(wǎng)所使用的儀器及配套設(shè)施為專用儀器。包括TM50測量機器人1臺，DINI03數(shù)字水準儀2臺，其它3m水準尺、2m水準尺、棱鏡、三腳架、對講機等配套設(shè)施。

4 二灘大壩外部變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選用了2013年-2016年每年實測的3月、5月、8月、12月的徑向位移量和切向位移量，其中徑向位移以向下游為正，向上游為負，切向位移以向左岸為負，向右岸為正，以及對應月份的庫水位數(shù)據(jù)。還選取了庫水位數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)，溫度降雨數(shù)據(jù)來自于國家氣象科學數(shù)據(jù)共享服務平臺，配合選取的是2013年-2016年3月、5月、8月、12月的數(shù)據(jù)。

4.2 大壩徑向位移的變形量分析

4.2.1 大壩徑向位移多期數(shù)據(jù)與庫水位、溫度、降雨量相關(guān)性分析

庫水位數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)與徑向位移變形量關(guān)系如下圖4-圖6所示。

圖4 庫水位與大壩徑向位移變形量關(guān)系

圖5 溫度與大壩徑向位移變形量關(guān)系

圖6 降雨量與大壩徑向位移變形量關(guān)系

從圖4、圖5、圖6可以明顯地發(fā)現(xiàn)，大壩徑向位移變形量均隨著庫水位、溫度、降雨量呈現(xiàn)周期性地變化且受庫水位影響最大，即大壩徑向位移變形量隨著庫水位的升高而升高，降低而降低，具有同步性，而溫度和降雨量對于庫水位的影響有一定的滯后性。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，庫水位的變化與大壩徑向位移變形量密切正相關(guān)，雖不同點位變化幅度不同，但趨勢是一致的。如3月到5月庫水位下降到最低值，大壩徑向位移變形量隨之減少且達到最小值。5月到12月庫水位上升，大壩徑向位移變形量增大，并且隨著庫水位增大到最大值，大壩徑向位移變形量也增大到最大值。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，溫度從3月開始升高，5月到8月一直保持在20℃以上，12月降低到最低。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，3月和12月幾乎沒有什么降雨，降雨集中在5月到8月且在8月達到降雨量的最大值。而徑向位移變形量均是從每年的5月到12月有明顯的增加，且在8月和12月達到最高值，到第二年的3月又回落到最小。因此，溫度和降雨量對徑向位移變形量的影響明顯有一定的滯后性，但變化趨勢卻是一致的。2016年的全年降雨量偏低，但對大壩徑向位移變形量的影響并不大，因此，溫度相比于降雨量，對大壩徑向位移變形量的影響更大。由此可見，庫水位對大壩徑向位移變形量的影響大于溫度，大于降雨量。

從徑向位移量的方向上看，3月、5月是微弱的向上游，8月、12月是明顯的向下游。這是因為5月到8月庫水位升高，溫度升高，降雨量大，所以整個水庫對大壩的壓力明顯增大導致基值偏大。雖在汛期要進行泄洪，但仍然改變不了壓力明顯增大的實事，所以表現(xiàn)在徑向位移變形量上也有滯后性?？菟谝话闶菑那锛镜降诙甑拇杭荆似陂g庫水位下降，溫度降低，降雨量減小，整個水庫對大壩的壓力開始減小，徑向位移變形量明顯減小體現(xiàn)在3月，此時的徑向位移變形量不再向下游，而是又回到原始值附近且向上游變化，此種變化一直延續(xù)到5月，達到向上游的最大值，然后又開始一個周期的升高。

4.2.2 大壩徑向位移變形量多期數(shù)據(jù)同比分析

圖7 大壩3月徑向位移變形量

圖8 大壩5月徑向位移變形量

圖9 大壩8月徑向位移變形量

圖10 大壩12月徑向位移變形量

從圖7、圖8、圖9、圖10可以明顯地發(fā)現(xiàn)，大壩徑向位移變形量3月、5月、8月、12月的圖可以分析出，在相同觀測月份里每個觀測點位移變形量的變化趨勢是一致的。其中，位移變形量最大的是壩頂點OP4，是因為OP4位于雙曲拱壩的中部，因此承受的壓力最大。壩頂點旁邊的OP3、OP5的位移量變形量次之，但OP3比OP5位移變化還大，這說明大壩的右側(cè)所承受的力大于左側(cè)所承受的力，原因是大壩的右側(cè)是泄洪口只在泄洪時開啟，左側(cè)的地下廠房是用于水能發(fā)電，與水庫一直有一條引水隧道相通。兩側(cè)作用的不同導致兩側(cè)受力不同而造成位移變形量的差異性。OP2、OP6這兩個觀測點的位移變形量是最平穩(wěn)的，均是在原始值上下小范圍波動，這是因為這兩個觀測點最靠近河岸，因此承受的壓力也最小，所以變化不大。

4.3 大壩切向位移的變形

4.3.1 大壩切向位移多期數(shù)據(jù)與庫水位、溫度、降雨量相關(guān)性分析

圖11 庫水位與大壩切向位移變形量關(guān)系

圖12 溫度與大壩切向位移變形量關(guān)系

圖13 降雨量與大壩切向位移變形量關(guān)系

從圖11、圖12、圖13可以明顯地發(fā)現(xiàn)，大壩切向位移變形量均隨著庫水位、溫度、降雨量呈現(xiàn)周期性地變化且受庫水位影響最大，即大壩徑向位移變形量隨著庫水位的升高而升高，降低而降低，具有同步性，而溫度和降雨量對于庫水位的影響有一定的滯后性。同時與徑向位移變形量圖相比，切向位移變形量處于-4mm～7mm之間，變形量明顯偏小，也就意味著庫水位、溫度、降雨對大壩徑向位移變形量作用遠大于切向位移變形量。

與徑向位移變形量一樣，切向位移變形量與庫水位成密切的正相關(guān)，同時也是隨著溫度和降雨量的變化而變化，且有一定的滯后性。2016年的全年降雨量偏低，但對大壩切向位移變形量的影響并不大，因此溫度相比于降雨量，對大壩切向位移變形量的影響更大。

從切向位移量的方向上看，在切向位移量達到最大值的8月和12月，OP2、OP3是向右岸移動，OP5、OP6是向左岸移動。這是因為大壩在承受壓力的時候，會向左右兩側(cè)分解壓力，使左側(cè)的觀測點往左側(cè)移動，右側(cè)的觀測點向右側(cè)移動。

4.3.2 大壩切向位移多期數(shù)據(jù)同比分析

圖14 大壩3月徑向位移變形量

圖15 大壩5月徑向位移變形量

圖16 大壩8月徑向位移變形量

圖17 大壩12月徑向位移變形量

從圖14、圖15、圖16、圖17可以發(fā)現(xiàn)，在相同的觀測月份里，每個觀測點位移變形量的變化趨勢是一致的。與徑向位移變形量不同的是，徑向位移變形量變化最大的觀測點OP4反而變成了切向位移變形量最小的點。也由于有地下廠房和泄洪口的存在，導致左右兩側(cè)的壓力不同，切向位移變形量與徑向位移變形量一致，均是右側(cè)觀測點OP5的位移量大于左側(cè)觀測點OP3的位移量。靠近河岸兩側(cè)的點位移變形量變化也相對穩(wěn)定。

綜上所述，對比徑向位移變化量，切向位移變形量是非常的小而且變形量非常的穩(wěn)定，變形量的大小與各觀測點所處的位置關(guān)系并不大，一直在-4mm～7mm之間波動。由此可以得出結(jié)論，切向位移變形量比徑向位移變形量受外界影響因素的影響少，一直處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

5 結(jié)論

根據(jù)對二灘大壩2013年-2016年的徑向位移變形量與切向位移變形量分析，可知大壩的徑向位移變形量與切向位移變形量均隨著庫水位、溫度與降雨的變化而變化。庫水位對位移變形量的影響最大，其次是溫度，最后是降雨量。對于徑向位移量而言，壩頂點的變形量最大，地下廠房和泄洪口的存在也影響著左側(cè)和右側(cè)觀測點位變形量，靠近河岸的觀測點位位移量小且變化平穩(wěn)。對于切向位移量而言，變形量小且穩(wěn)定，而且變形量的大小與各觀測點所處的位置關(guān)系并不大。從總體上看，大壩徑向位移變形量變化規(guī)律正常，切向位移變形量變化規(guī)律正常，大壩的工作狀況及整體穩(wěn)定較好。