楊愛明，段國學(xué)，馬能武

（長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010）

三峽工程建設(shè)與運行期建筑物安全監(jiān)測資料分析

楊愛明，段國學(xué)，馬能武

（長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010）

以三峽工程17年的安全監(jiān)測資料為依據(jù)，論述了各主要建筑物在施工建設(shè)及運行期變形、滲流滲壓及應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，細致分析和評價了各建筑物在不同施工階段、不同環(huán)境狀態(tài)下的運行狀態(tài)及安全特征。監(jiān)測結(jié)果表明：在分期蓄水及運行階段，庫水位的反復(fù)消長對大壩的變形有一定的影響；大壩基礎(chǔ)的滲漏量在逐漸減少；高強度的開挖卸荷對巖石高邊坡的變形影響明顯；開挖結(jié)束后，高邊坡變形快速收斂，船閘建筑物的變形較小，高聳建筑物及船閘建筑物表現(xiàn)出了明顯的隨溫度變化的規(guī)律。得出了三峽工程各項安全指標在設(shè)計允許范圍內(nèi)建筑物運行安全等重要結(jié)論。

三峽工程；建筑物；安全監(jiān)測；資料分析

1 前言

三峽工程規(guī)模巨大，工程安全監(jiān)測從設(shè)計、施工到管理一直受到建設(shè)各方的重視，建筑物安全監(jiān)測設(shè)計被列為三峽工程單項工程技術(shù)設(shè)計8個項目之一。自1994年開始，先后埋設(shè)各類監(jiān)測儀器1萬余支。工程安全監(jiān)測系統(tǒng)對各建筑物變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等進行了全面的監(jiān)測，積累了大量數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)施工、驗證設(shè)計和工程安全運行評價等提供了科學(xué)依據(jù)。

三峽工程歷經(jīng)2003—2006年的圍堰擋水發(fā)電期（庫水位為135～139 m）、2006—2008年的初期蓄水期（庫水位為145～156 m）和2008年開始的試驗蓄水期（庫水位為145～175 m）。截至2010年年底的監(jiān)測成果表明，各項測值均在設(shè)計允許范圍內(nèi)，建筑物運行是安全的。

2 大壩監(jiān)測成果

2.1 大壩變形［1］

截至2010年12月，壩基（壩體基礎(chǔ)廊道處）向下游最大位移均在4 mm以內(nèi)，蓄水后壩基水平位移趨于穩(wěn)定。壩頂向下游水平位移受庫水位和溫度變化的影響呈年變化，符合重力壩的變形規(guī)律。各壩段壩頂向下游水平位移測值為－9～26 mm（泄2號壩段最大，見圖1、圖2）。河床部位的壩段較大，岸坡壩段較小。溫度對壩頂?shù)挠绊懛仍?2 mm左右。近幾年，隨著蓄水位的不斷提高，水平位移不斷增大，但累計位移量在設(shè)計允許范圍內(nèi)，大壩是安全的。

大壩基礎(chǔ)垂直位移受分期蓄水及時效變形的影響，最大沉降量達到17 mm。首次156 m蓄水期間，上游水位上升約20 m，上游基礎(chǔ)平均沉降量約為2.2 mm；第二次156 m蓄水期間，上游水位上升約10 m，上游基礎(chǔ)平均沉降量約為1.3 mm；172 m蓄水期間，上游水位上升26 m，上游基礎(chǔ)平均沉降量約為2.8 mm。從分布來看，中間河床深槽段的垂直位移大于兩側(cè)岸坡壩段的垂直位移，越往兩側(cè)，垂直位移量越小，上游基礎(chǔ)的垂直位移大于下游基礎(chǔ)的 垂直位移，不存在明顯的不均勻沉降。

圖1 泄2號壩段壩頂實測向下游位移及其擬合值過程線Fig.1 Measured downstream displacement and fitted value hydrograph of the dam crest of No.2 spillway section

圖2 泄2號壩段壩頂向下游位移統(tǒng)計模型各分量過程線Fig.2 Component hydrograph of downstream displacement statistical model of the dam crest of No.2 spillway section

2.2 壩基滲壓及滲漏量

實測壩基主排水幕處測壓管水位在水庫蓄水后變化較小。蓄水175 m水位后，各壩段上游主排水幕處的揚壓系數(shù)均小于0.2，下游主排水幕處揚壓系數(shù)均小于0.3。左廠1號～5號壩段、升船機上閘首及右廠24號～26號壩段主排水幕下游的基礎(chǔ)處于疏干狀態(tài)。壩基滲壓均在設(shè)計允許范圍內(nèi)。

左岸（縱向圍堰壩段及其以左各壩段）壩基滲漏量主要集中在泄洪壩段。壩基滲流量從2003年7月蓄水后的約1100 L／min減少至2010年12月的約243 L／min。右岸壩基滲漏量在2008年12月時最大，約400 L／min，之后有所減少，至2010年12月減少為307 L／min。滲漏量減少主要是壩前淤積堵塞滲漏通道所致，對壩基防滲是有利的。

2.3 壩踵、壩趾混凝土應(yīng)力

2003年135 m庫水位蓄水前，實測泄2號壩段及左廠14號壩段壩踵鉛直向壓應(yīng)力分別為6.01 MPa和3.78 MPa。 泄 2號壩段各年蓄水前后壩踵鉛直向壓應(yīng)力減小值在0.96 MPa以內(nèi)，壩趾鉛直向壓應(yīng)力增加值在1.03 MPa之內(nèi)。左廠14號壩段各年蓄水前后壩踵鉛直向壓應(yīng)力減小值在0.83 MPa以內(nèi)，壩趾鉛直向壓應(yīng)力增加值在0.30 MPa以內(nèi)。2010年10月26日庫水位為175 m時，泄2號壩段壩踵、壩趾鉛直向壓應(yīng)力分別為5.05 MPa和 2.73 MPa，左廠 14 號壩段壩踵、壩趾鉛直向壓應(yīng)力分別為2.51 MPa和1.26 MPa。

2.4 左廠1號～5號壩段深層抗滑穩(wěn)定

左廠1號～5號壩段大壩建基面高程為85～90 m，廠房最低建基面高程為22.2 m，壩后形成坡度約為54°，施工期臨時坡高為67.8 m，運行期永久坡高為39.0 m的高陡邊坡。且該部位緩傾角裂縫相對發(fā)育，使得大壩沿壩基緩傾角結(jié)構(gòu)面的深層抗滑穩(wěn)定成為工程的重要技術(shù)問題，也是監(jiān)測的關(guān)鍵部位。

垂線觀測的左廠1號、5號壩段基礎(chǔ)2號排水洞高程50 m處向下游位移為－0.69～0.92 mm，基礎(chǔ)1號排水洞高程74 m處向下游位移為－1.26～1.73 mm，壩體上游基礎(chǔ)廊道高程95 m處向下游位移為－1.27 ～2.98 mm，壩頂向下游位移為－3.07～10.32 mm。總的看來，左廠1號～5號壩段基礎(chǔ)部位變形是穩(wěn)定的。

3 船閘監(jiān)測成果

三峽雙線五級船閘是在天然山體中深切開挖興建，閘室墻采用錨固于邊坡上的薄襯砌式結(jié)構(gòu)。船閘開挖后形成南、北兩側(cè)巖質(zhì)高邊坡，最大坡高達170 m，閘室邊墻部位為直立坡，其高度達50～70 m，兩線船閘間保留高50～70 m、寬55～57 m的巖體中隔墩。船閘邊坡的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的變形是監(jiān)測的重點。

3.1 高邊坡巖體變形 ［2］

對實測位移資料分析表明：邊坡表面變形以向閘室方向位移為主，變形主要發(fā)生在開挖過程中，變形受開挖卸荷影響，隨開挖深度的增加而增大。開挖結(jié)束之后變形速率下降，并逐步收斂，邊坡整體是穩(wěn)定的，水庫蓄水及船閘通航對邊坡變形無明顯影響。從邊坡開挖至2010年12月，南、北坡向閘室累計位移為17.79～71.57 mm，中隔墩向臨近閘室方向的累計位移北側(cè)為－16.63～31.3 mm，南側(cè)為－3.5 ～22.01 mm。

直立坡塊體部位的卸荷松弛帶內(nèi)的多點位移計、伸縮儀及滑動變形計實測的相對變形測值均在1999年邊坡開挖及支護結(jié)束之后穩(wěn)定（見圖3）。直立坡塊體上的各部位錨索測力計的錨固力是穩(wěn)定的，表明直立坡塊體也均是穩(wěn)定的。

圖3 各監(jiān)測設(shè)施典型測點觀測的閘室向位移過程線Fig.3 Displacement hydrograph towards lock chamber observed at typical observation points

3.2 邊坡地下水

實測資料表明，邊坡排水洞以上的巖體處于疏干狀態(tài)，邊坡排水洞內(nèi)絕大部分測壓管的水位在邊坡排水洞底板高程以下，邊坡地下水位已降至設(shè)計水位（在各層排水洞洞頂附近）以下，且有一定的富裕度，這對邊坡穩(wěn)定是有利的。閘墻及支持體背面滲壓計測值，基本在儀器觀測誤差范圍內(nèi)，測點部位無明顯滲壓水，說明墻背和支持體背面排水管有很好的排水降壓效果。

3.3 船閘閘首及閘室墻變形［3，4］

閘首底部垂直于閘室軸線的位移為－1.5～1.5 mm，各閘首頂部垂直于閘室軸線的位移為－0.29 ～5.22 mm，平行于船閘軸線的位移為－3.19～4.43 mm。閘室的變形略大于閘首的變形。船閘運行期，南北邊坡閘墻變形明顯大于船閘中隔墩閘墻變形，且有向閘室臨空方向緩慢增加的趨勢，年增加量平均在0.5 mm以下。閘墻具有隨氣溫呈現(xiàn)出年周期性變化特性，周期變化的幅度最大約為2 mm。閘室充水及泄水影響閘墻變位的幅度在1 mm以內(nèi)。閘墻的變形幅度不影響船閘人字門的正常開啟。

3.4 閘首及閘室墻結(jié)構(gòu)錨桿應(yīng)力

實測48支高強結(jié)構(gòu)錨桿的應(yīng)力均在137 MPa以內(nèi)，遠小于錨桿設(shè)計強度，僅有兩支錨桿的應(yīng)力略大于100 MPa。

4 茅坪溪防護壩監(jiān)測成果

茅坪溪防護壩為瀝青混凝土心墻土石壩，壩頂長1840 m，最大壩高104 m。茅坪溪防護壩從1997年年底開始施工，至2003年12月完工。綜合茅坪溪防護壩的各項觀測成果可以看出，壩體變形和心墻應(yīng)變等主要隨壩體填筑高度的增加而增大，心墻兩側(cè)的鉛直向應(yīng)變及變形較為對稱。2003年蓄水以后心墻應(yīng)變、心墻基底鉛直向應(yīng)力、心墻與過渡層間的相對變形等實測值沒有明顯變化，各年試驗蓄水前后的測值變化不明顯。

4.1 壩體變形

截至2010年10月，壩頂最大向下游水平位移為84.84 mm，最大沉降為 201.39 mm，最大位移在壩體中部。蓄水后的2003年7月，各沉降管實測的最大累計沉降量為 245～582 mm，壩高最大的0+700斷面的累計沉降量最大，最大累計沉降出現(xiàn)在約1／2的壩高處，最大沉降約占壩高的0.64%。各種計算模型計算的施工期壩殼中心部位的最大沉降量為 657～1170 mm，約占壩高的 0.73% ～1.13%，說明實測沉降量在計算范圍內(nèi)，與通常100 m級土石壩的沉降范圍也是一致的。沉降管觀測的同高程心墻上下游過渡層沉降量的差值不大，平均差值約為37 mm。2003年之后的各年水庫蓄水對壩體內(nèi)部沉降沒有明顯影響，沉降量基本穩(wěn)定。

4.2 心墻與兩側(cè)過渡層的相對變形

2003年7月，水庫蓄水后的位錯計觀測的心墻與過渡層間的相對變形為3.8～48.5 mm，平均相對變形為17.4 mm，高程105 m處的相對變形最大。心墻的沉降量比兩側(cè)過渡層略大，心墻并未因其兩側(cè)過渡層的擠壓而產(chǎn)生拉伸變形。2003年之后相對變形沒有明顯變化。

4.3 壩基及壩體滲壓

水庫蓄水后，滲壓計、測壓管實測的心墻上游建基面處滲壓水位基本與庫水位一致，心墻下游建基面及壩體處的滲壓水位與下游壩腳處的水塘（下游圍堰與防護壩之間）水位是一致的，表明壩基及壩體內(nèi)滲壓均是正常的。

4.4 滲漏量

茅坪溪防護壩和下游圍堰間為一個集水塘，其來水不僅有庫水造成的大壩及壩基滲水，還有降雨導(dǎo)致的心墻下游壩體集水。剔除降雨的影響，實際壩基及壩體的水庫滲漏水量約在1850 L／min以內(nèi)，水庫試驗蓄水后滲漏量略有增大。

5 機組蝸殼監(jiān)測成果

三峽700 MW水輪發(fā)電機組蝸殼規(guī)模大，水輪機蝸殼進口鋼管直徑為12.4 m，進口斷面設(shè)計內(nèi)水壓力達1.395 MPa（含水錘壓力），HD（D 為水電站壓力管道的內(nèi)直徑，m；H為其承受的水頭 ，m。乘積HD值是標志壓力管道規(guī)模及技術(shù)難度的重要參數(shù)值）值達1730 m2，是目前世界上已安裝的混流式水輪機最大的蝸殼。三峽左右岸電站機組蝸殼其中21臺采用保壓方式埋設(shè)，在右岸電站選擇了4臺機組蝸殼采用墊層方式埋設(shè)，1臺機組蝸殼采用直埋方式。直埋方式仍有局部墊層，墊層范圍從進口至－45°處。3種埋設(shè)方式的蝸殼監(jiān)測資料分析表明，各項測值均是正常的，保壓和墊層方式的蝸殼應(yīng)力水平?jīng)]有明顯區(qū)別，直埋方式的蝸殼應(yīng)力略小。墊層和直埋方式同樣能滿足設(shè)計要求。

5.1 蝸殼應(yīng)力

保壓蝸殼在充水保壓過程中，蝸殼一般產(chǎn)生一個拉應(yīng)力增量，但環(huán)向應(yīng)力增量比水流向大，各機組保壓后蝸殼最大應(yīng)力約為80～103 MPa。各機組調(diào)試運行前后，蝸殼一般產(chǎn)生拉應(yīng)力增量，環(huán)向應(yīng)力變化比水流向變化明顯，蝸殼部位比過渡板變化明顯，應(yīng)力變化最大的部位一般在蝸殼腰部及以上部位。機組調(diào)試運行前后的最大應(yīng)力增量約為132 MPa，運行時的最大應(yīng)力約為157 MPa。保壓方式和墊層方式蝸殼的應(yīng)力變化、分布和應(yīng)力水平?jīng)]有明顯的區(qū)別。實測應(yīng)力水平遠小于有限元計算的蝸殼最大應(yīng)力（約200 MPa）。直埋方式的15號機蝸殼應(yīng)力相對較小，最大應(yīng)力約為60 MPa。

5.2 蝸殼與外包混凝土間開度

1）墊層方式：蝸殼與混凝土間開度在運行后均產(chǎn)生一個壓縮量，26號機墊層最大壓縮量達7.70 mm，25號、18號和17號機墊層的最大壓縮量分別為 3.43、2.37 mm 和 2.93 mm。 各機組開度的變化規(guī)律基本一致，一般腰部開度變化最大，頂部次之。

2）保壓方式：調(diào)試運行前蝸殼與混凝土間開度最大，運行后開度減小。24號、16號、19號和10號機調(diào)試運行前后開度的最大變化量分別為6.27、2.11、6.08 mm和 3.03 mm。各機組開度的變化規(guī)律基本一致，一般腰部開度變化最大，頂部次之。另外，運行期135 m以上庫水位條件下實測開度均在0.2 mm的觀測誤差范圍內(nèi)，蝸殼與混凝土間基本無間隙，表明蝸殼與混凝土是貼緊的，與計算結(jié)果也是一致的。

3）直埋方式：充水前各測點開度為－0.15～0.24 mm，開度均較?。?008年11月11日庫水位172.7 m運行時，墊層部位開度為－1.75 ～－1.05 mm，墊層均有所壓縮，其他直埋部位測點開度為－0.11 ～0.10 mm，均無明顯間隙。

6 地下電站監(jiān)測成果

三峽右岸地下電站主廠房開挖尺寸為311.3 m×32.6 m×87.3 m（長×寬×高），具有跨度大、覆蓋薄、塊體多的特點，其上覆巖體一般厚度為50～75 m，左端最薄處僅為34 m，施工過程中共揭露了105個塊體。地下電站主廠房共布設(shè)了7個觀測斷面，并且針對開挖過程中揭露的頂拱及邊墻的較大塊體進行了專門的監(jiān)測。主要觀測斷面上觀測圍巖變形的多點位移計在主廠房開挖之前利用排水洞先行埋設(shè)就位并取得基準值。

實測廠房頂拱最大變形約為2 mm，頂部拱座處最大變形約為6 mm，邊墻最大變形約為26 mm。實測圍巖變形與數(shù)值計算值（一般為20～30 mm）的結(jié)果比較吻合，實測變形在2008年6月主廠房及附近尾水洞、母線洞豎井開挖及支護結(jié)束后即收斂。針對塊體布設(shè)的多點位移計實測變形約在2 mm以內(nèi)，變形均是穩(wěn)定的。另外，從包括塊體的各部位實測錨桿應(yīng)力及錨索錨固力看，錨桿應(yīng)力基本在設(shè)計范圍內(nèi)，實測錨索預(yù)應(yīng)力總損失為－2.0% ～27.6%，平均為12.6%，錨桿應(yīng)力及錨索錨固力在開挖支護結(jié)束后就基本穩(wěn)定。

總的看來，三峽地下電站采用合理的開挖支護程序、超前錨固、加強錨固并在尾水管間保留27 m高大巖墩的措施，有效減小了廠房全斷面開挖高度，限制了圍巖變形，使得整個廠房的變形較小，保證了圍巖及塊體的穩(wěn)定。

7 結(jié)語

三峽工程建設(shè)與運行期的監(jiān)測成果表明，各建筑物的監(jiān)測數(shù)據(jù)是正常的，各項測值在設(shè)計允許范圍內(nèi)，建筑物的運行是安全的。

1）大壩壩基（壩體基礎(chǔ)廊道處）向下游位移均在4 mm以內(nèi)，包括升船機上閘首、左廠1號～5號、右廠24號～26號各壩段的基礎(chǔ)均是穩(wěn)定的。各壩段壩頂向下游水平位移測值為－9～26 mm，符合重力壩的變形規(guī)律。壩基滲壓均在設(shè)計允許范圍內(nèi)，左廠1號～5號壩段主排水幕下游的基礎(chǔ)處于疏干狀態(tài)，滲壓水位低于壩基控制性緩傾角結(jié)構(gòu)面，對壩基抗滑穩(wěn)定有利。

2）船閘邊坡變形主要發(fā)生在開挖過程中，邊坡表面向閘室最大位移為71.57 mm，包括直立坡塊體在內(nèi)的各部位邊坡均是穩(wěn)定的。閘首頂部向閘室的位移在5.22 mm以內(nèi)，閘首變形不影響船閘人字門運行。水庫蓄水位變化對船閘各項監(jiān)測值沒有明顯影響。

3）茅坪溪防護壩的壩體變形、心墻應(yīng)變、心墻基底鉛直向應(yīng)力、心墻與過渡層間相對變形等主要隨壩體填筑高度的增加而增大，2003年蓄水以后這些測值沒有明顯變化。

4）3種蝸殼埋設(shè)方式的各項測值均是正常的，均能滿足設(shè)計要求。

5）實測右岸地下廠房圍巖最大變形約為26 mm，變形在開挖及支護結(jié)束后基本收斂。整個廠房的變形較小，圍巖及塊體均是穩(wěn)定的。

［1］吳 瑕，張文勝.三峽水利樞紐右岸大壩變形規(guī)律分析［J］.人民長江，2010，41（20）：19－22.

［2］陳德基，余永志，馬能武，等.三峽工程永久船閘高邊坡穩(wěn)定性研究中的幾個問題［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2000，8（1）：7－15.

［3］吳 瑕，鄭 敏.三峽永久船閘水平位移變形監(jiān)測及成果分析［J］.人民長江，2010，41（20）：16－18.

［4］馬能武，葉 青，劉祖強.三峽永久船閘有水調(diào)試與變形分析［C］／／水利水電測繪科技論文集.武漢：湖北辭書出版社，2003.

The analysis on structure safety monitoring data of Three Gorges Project in construction and operation

Yang Aiming，Duan Guoxue，Ma Nengwu

（Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Based on 17－year monitoring data of the Three Gorges Project（TGP）， the change laws of deformation， seepage flow and pressure， as well as stress and strain of the main structures in the period of construction and operation are discussed.Meanwhile， the operational status and safety features of various structures in different construction stages and under different circumstances are analyzed and evaluated in detail.The monitoring results show that the repeated rise and fall of reservoir water level affect the deformation of dam in storage and operation stages； the leakage of dam foundation reduces gradually； the high－intensity excavation unloading influences the deformation of high rock slope significantly.After the excavation，the deformation of high rock slope rapidly decreases，while the deformation of ship－lock is small，but they all vary with temperature obviously.It is concluded that the safety indexes of TGP are within the allowable range of design and the structures are safe in operation.

Three Gorges Project（TGP）； structure； safety monitoring；data analysis

TV698

A

1009－1742（2011）07－0117－06

2011－05－10

楊愛明（1961—），男，湖北孝感市人，教授級高級工程師，從事遙感信息、監(jiān)測、測繪專業(yè)的生產(chǎn)管理與研究工作；E－mail：yangaiming＠cjsjy.com.cn