基于監測數據的施工運營期大壩安全穩定性研究

徐立君

(塔里木河流域巴音郭楞管理局 開都-孔雀河管理處開都河中游管理站,新疆 和靜 841305)

0 引 言

水庫大壩是國家基礎設施建設中重要的水利工程,其安全穩定性是人民群眾生命財產安全和社會經濟可持續發展的重要保障[1]。由于受到多種內部和外部因素的影響,如水壓力、地質條件、人為因素等,可能對大壩的穩定性造成影響[2]。因此,在工程建設和運營期間,對水庫大壩的安全穩定性進行監測和評估是非常必要的。

隨著監測技術的不斷發展和數據處理方法的不斷提高,監測數據能夠提供更加準確和全面的信息,使大壩的安全穩定性評估更加精準和科學。為了評估大壩的穩定性,許多學者對水庫大壩的工程和水文地質特征的安全穩定性進行了相關研究。如鐘共青[3]分析了王家廠水庫壩基的水文地質特征,為該水庫壩基的處理提供了充分依據。王志紅等[4]通過觀測和室內試驗,獲得了某水電站的水文地質參數,建立了三維數值計算模型,并分析了滲透變形類型、滲流場和水力梯度特征,然后評估了壩基滲透穩定性問題,為其提供了防滲處理依據。張慶虎等[5]以新安江等多座大壩為例,分析了大壩運行過程中存在的水文地質問題,指出地下水是影響大壩穩定的重要因素,需要采取積極的防治措施,以避免壩體的腐蝕和軟化等問題。

上述研究主要聚焦于具體問題,沒有綜合分析整個系統的特征和相互關系,其結論可能局限在某些特定情境下,而無法適用于其他大壩或環境。還有一些研究側重于監測數據的采集和處理,據此評估大壩的運行狀態和安全風險。如宋子龍等[6]提出了一種集線式水庫大壩安全監測系統,并使用該監測系統對水庫大壩進行了安全監測,結果表明,該系統能滿足設計要求,具有測量精度高、實時性好、可靠性強等多項實用優勢。但基于監測數據的施工運營期水庫大壩安全穩定性研究,仍然相對匱乏。

因此,本文選擇某水庫大壩為研究對象,對施工運營期間的監測數據進行處理和分析,評估大壩的安全穩定性,預測可能出現的安全風險。

1 項目概況

研究區長期存在著水資源緊缺的問題,導致居民生活和農業生產受到影響。為了緩解這一現狀,計劃新建一座水庫來存儲大量的雨水和地下水,以滿足地區的日常用水和灌溉需要。為了探究基于監測數據的施工運營期水庫大壩安全穩定性,本文選取該水庫為研究對象。根據相關資料,該水庫大壩的基本信息見表1。

表1 新建水庫大壩的基本信息

2 監測點選擇及監測設施布置

在對該水庫大壩布置傳感器進行監測之前,首先使用有限元軟件對大壩進行施工和運行全過程的仿真分析,確定大壩在不同工況下結構最薄弱部位的變形和應力分布情況,有助于設計實際監測方案,并根據仿真模擬結果,制定針對性的監測內容。運營期的仿真分析結果表明,大壩基礎結構受到的圍壓要遠遠大于大壩上部結構,因此大壩基礎結構的位移往往小于上部結構。此外,在大壩運營期,基礎結構存在不均勻變化,具體出現在壩基和防滲墻相連部位以及大壩坡腳。

大壩滲流和滲壓監測主要是監測大壩的滲流和滲壓情況,及時發現大壩的滲漏和變形,及時采取安全措施,保證壩體安全。為了全面掌握大壩不同位置的滲流和滲壓分布情況,根據實際的工程情況與施工地理位置,在大壩壩體上設置4個監測斷面,分別為0+170、0+220、0+270和0+320m,監測斷面的間距為50m。為了監測壩體內部的穩定性,在4個監測斷面和防滲墻上共布置48個滲壓計。此外,在大壩壩體的4個監測橫斷面上,針對不同的監測斷面位置,選擇3個不同的監測層面,每個監測層面布置3支滲壓計,以監測壩基內部水分的分布和滲透力的變化情況,及時判斷壩基的穩定性。為了及時了解墻前后滲壓的變化,并對防滲墻的效果進行評估,在防滲墻前后1.5m處,埋設2支滲壓計,具體見圖1。

圖1 大壩橫斷面滲流計布置圖

為了監測壩體表面的位移變化情況,確保大壩的安全性能,避免大壩的位移變化引發壩體的破壞和水災事故。本次研究設置20個視準線測點,通過徠卡TM50全站儀和DNA03水準儀進行測量,并結合使用全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System,簡稱GNSS)技術對大壩壩體表面位移進行位移監測。

水體在流經壩體時,可能會發生滲流現象,可能會給壩體帶來很多隱患。為了確保大壩的穩定性和安全性,必須實施繞壩滲流監測。因此,在大壩的兩岸和下游坡頂,共布置8根測壓管,以監測壩體周邊的繞流情況。

3 監測資料分析

大壩的豎向位移及沉降是大壩的重要安全指標,本次大壩表面位移監測自2022年9月開始至2023年3月結束。通過視準線法測得的大壩各位置變形量見表2。

表2 視準線法測量結果

由表2可知,大壩在整體穩定性方面表現較為良好。其中,最大豎向沉降量出現在大壩樁號為0+270m的壩頂位置,為19.7mm,表明大壩的結構存在一定的不均勻性,需要進行工程處理和監測。壩頂上的豎向沉降量較大,為15.3mm,這是由大壩附近的山體和土壤層的沉降和變形所導致;一、二級馬道的豎向沉降量比壩頂沉降量小,主要是由大壩下方土體變形所導致,建議監測變形數據并進行相應的工程處理。

通過全球衛星導航系統(GNSS)技術,測量大壩壩頂表面各處沉降量,見圖2。

圖2 基于GNSS技術監測結果

由圖2可知,使用GNSS技術測量的大壩壩頂表面各處沉降量,與視準線法測得的大壩各位置變形量存在一定的差異,兩種方法具體對比結果見圖3。

圖3 兩種測量方法對比圖

由圖3可知,整體上,使用全球衛星導航系統技術測量的壩頂沉降量均大于采用視準線法測量的壩頂沉降量結果。其中,兩種測量方法得出的結果偏差在0.75～1.25mm之間,而最大沉降量偏差出現在壩頂樁號為0+220m處?？傮w而言,一般使用全球衛星導航系統技術的測量誤差在5mm以內,因此兩種測量方法符合實際測量結果。

滲壓測量可以確定大壩的滲透性,了解滲漏的位置和滲漏的程度。及時處理滲漏,有助于減少滲漏點周圍土地的水化作用,控制大壩的壩體龜裂和沉降。本次水庫大壩滲壓測量,隨著大壩施工期,施工人員將滲壓計埋入鉆孔或洞隙中開始,滲壓監測數據為每7天記錄一次,整個監測期間共持續12個月。本次設置的4個監測橫斷面的水位高程變化具體情況見圖4。

圖4 監測橫斷面水位高程變化情況

由圖4可知,不同監測斷面滲壓變化情況存在差異。但總體來說,在整個監測期間,大壩進行預蓄水后,該地區的地下水位升高,滲壓計測值開始出現增加趨勢,但在一定范圍內波動不定。具體表現為:各監測斷面在防滲墻前后都出現了水頭上升的情況,表明滲壓出現了增大的情況。而通過防滲墻中的滲壓計可知,整體上墻內滲壓計水頭差明顯變小,表明防滲墻起到了明顯的隔水效果。此外,通過監測可以發現,排水體前的滲壓計開頭一段時間會出現少量水頭,排水體后的滲壓計受前期集水廊道的水倒灌影響,曾出現實測水壓力增大現象,但隨后逐漸消散。

通過對繞壩滲流監測數據進行分析,可及時發現和判斷壩體、壩基及岸坡等地方的滲流問題,進行準確的安全評估。本次水庫大壩繞壩滲流量測量也是隨著大壩施工期,施工人員將滲壓計埋入下游護坡頂部以及壩頂與山體連接處開始,滲流量監測數據同樣是每7天記錄一次,整個監測期間共持續9個月。本次監測的繞壩滲流量具體變化情況見圖5。

圖5 基于GNSS技術監測結果

由圖5可知,在整個測量期間,右岸壩頂后側的繞壩滲流量小幅度增加,這是由于降雨、山體水源和地下水位變化等外部因素引起的。右岸壩后一級馬道側滲流量在整個測量期間存在較小幅度的波動變化,這是由于季節變化、降雨等自然因素或工程施工、支護、排水等人為因素導致。右岸邊壩前迎水面和右岸壩后二級馬道側滲流量整個測量期間都沒有較為顯著的繞滲現象,這是由于這兩個部位地質結構、水位、滲透性等因素相對穩定而未產生明顯變化。

4 結 論

為了探究基于監測數據的施工運營期水庫大壩安全穩定性,通過視準線法、GNSS技術以及埋設滲壓計的方法,對大壩在運營期的穩定性進行了監測。結論如下:

1)該水庫大壩整體穩定性表現良好,但局部存在不穩定性,需進行相應的工程處理與監測。

2)使用全球衛星導航系統技術測量壩頂沉降量,與視準線法測量壩頂沉降量的測量結果存在一定誤差,但兩種方法的測量誤差在允許范圍內。

3)不同監測斷面滲壓變化情況存在差異,整體而言,墻內滲壓計水頭差變小,表明防滲墻起到了隔水作用。右岸壩頂后側繞壩滲流量小幅度增加,右岸壩后一級馬道側滲流量在整個測量期間存在較小幅度的波動變化。

基于以上分析認為,水庫大壩整體穩定性良好,但仍需加強對大壩周圍地質環境和結構的監測與分析。