張研宇

(遼寧省白石水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

1 水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 工程概況

白石水庫(kù)位于遼寧省北票市上園鎮(zhèn)附近的大凌河干流，是干流上唯一的大(1)型控制性骨干工程。大壩及樞紐主要建筑物為1級(jí)建筑物，洪水重現(xiàn)期按500a一遇洪水設(shè)計(jì)，5000a一遇洪水校洪[1-3]。白石水庫(kù)于1996年9月正式開(kāi)工，1999年9月下閘蓄水，2000年底完工。

白石水庫(kù)總庫(kù)容為16.45億m3，興利庫(kù)容為8.70億m3。大壩為碾壓混凝土重力壩(RCD)，壩頂高程134.3m，最大壩高49.3m，壩頂長(zhǎng)513m，壩體分為32個(gè)壩段，編號(hào)為0#-31#壩段。設(shè)置11個(gè)溢流表孔，12個(gè)泄洪排沙底孔，二級(jí)城市取水管，3條引水發(fā)電壓力鋼管，壩后地面式電站廠房。

1.2 安全監(jiān)測(cè)布置

白石水庫(kù)大壩設(shè)置有變形、滲流、壩體應(yīng)力應(yīng)變、溫度、環(huán)境量等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布置情況如下：①壩頂變形監(jiān)測(cè)：布置2條三維倒垂線和1套真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，安裝2臺(tái)三維垂線坐標(biāo)儀、30個(gè)激光監(jiān)測(cè)點(diǎn)；②壩基變形監(jiān)測(cè)：布置2條三維倒垂線，1條引張線和1套靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，安裝2臺(tái)三維垂線坐標(biāo)儀，19臺(tái)引張線儀，14臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀；③壩體越冬預(yù)留縫監(jiān)測(cè)：在24#、26#壩段各布置3支差阻式測(cè)縫計(jì)(均已損壞失效)；④基巖變位監(jiān)測(cè)：在9#壩段基礎(chǔ)廊道的上、下游各布置1組差動(dòng)變壓式多點(diǎn)基巖變位計(jì)(已經(jīng)失效)；⑤壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)：布置1個(gè)縱向揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)斷面和3個(gè)橫向揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)斷面，共47個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)；⑥壩體、壩基滲流監(jiān)測(cè)：設(shè)置壩體排水孔109個(gè)，壩基排水管244個(gè)，安裝3套量水堰和3套集水井測(cè)量控制裝置；⑦繞壩滲流監(jiān)測(cè)：共設(shè)置13個(gè)繞壩滲流監(jiān)測(cè)孔，右岸4個(gè)(其中RY1未安裝儀器)，左岸9個(gè)；⑧壩體應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)：壩體混凝土施工時(shí)，安裝了55支差阻式溫度計(jì)、4組5向差阻式應(yīng)變計(jì)、4支差阻式無(wú)應(yīng)力計(jì)、4支差阻式應(yīng)力計(jì)，共83支內(nèi)觀儀器；⑨環(huán)境量監(jiān)測(cè)：包括庫(kù)水位監(jiān)測(cè)、降水量監(jiān)測(cè)和氣溫監(jiān)測(cè)等。

目前，白石水庫(kù)已實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，除環(huán)境用水量使用水情部門提供的數(shù)據(jù)外，接入安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的測(cè)點(diǎn)數(shù)量共計(jì)215個(gè)，自動(dòng)化采集頻率為2次/d。

1.3 系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)間與數(shù)據(jù)采集缺失率

自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性可用平均無(wú)故障時(shí)間進(jìn)行考核，平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)是指兩次相鄰故障間的正常工作時(shí)間，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ti、ri為考核期內(nèi)設(shè)備i的工作時(shí)數(shù)和出現(xiàn)故障的次數(shù)；n為系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備總數(shù)。結(jié)果顯示，水庫(kù)自動(dòng)化系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間為6480h(≥6300h)，滿足規(guī)范要求。

數(shù)據(jù)采集缺失率是指在考核期內(nèi)未能測(cè)得的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與應(yīng)測(cè)得的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)之比，錯(cuò)誤測(cè)值與超一定誤差范圍的測(cè)值也作為缺失數(shù)據(jù)，表達(dá)式為：

η=ρ/ω×100%

(2)

式中：η為數(shù)據(jù)采集缺失率；ρ、ω為未能測(cè)得和應(yīng)測(cè)得的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。

表1 自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)缺失統(tǒng)計(jì)

通過(guò)計(jì)算，2019年水庫(kù)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集缺失率為7.79%，超過(guò)規(guī)范規(guī)定(≤2%)，建議加強(qiáng)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的維護(hù)，同時(shí)應(yīng)及時(shí)對(duì)出現(xiàn)故障的儀器進(jìn)行維修。

2 資料數(shù)據(jù)分析

2.1 壩頂變形監(jiān)測(cè)分析

1)壩頂水平位移觀測(cè)。壩頂三維倒垂線、壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)組成了壩頂水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)共有傳感器30個(gè)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為DJ1-DJ30，用于監(jiān)測(cè)壩頂1#-30#壩段相對(duì)于0#以及31#壩段的水平位移。根據(jù)觀測(cè)成果可知：壩頂向下游最大水平位移為7.39mm，出現(xiàn)在2019年12月30日，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)為JD12；壩頂向上游最大水平位移為7.39mm，出現(xiàn)在2019年12月30日，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)為JD12。

壩頂水平位移過(guò)程線如圖1，從監(jiān)測(cè)成果可以看出：①2017年壩頂最大水平位移為7.29mm，出現(xiàn)在2017年12月20日，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)為JD12；2018年壩頂最大水平位移為7.39mm，出現(xiàn)在2018年12月20日，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)為JD12；2019年壩頂最大水平位移出現(xiàn)在JD12,與2017-2018年的位置相近，且出現(xiàn)的時(shí)間在冬季，最大位移較2017-2018年相差不大。②壩頂水平位移各測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)相同，與2017-2018年相比無(wú)明顯變化，其中壩頂中部的測(cè)點(diǎn)比靠近兩端測(cè)點(diǎn)的位移變化量大。③壩頂水平位移受庫(kù)水位變化的影響較小，受環(huán)境溫度的影響較為顯著，主要表現(xiàn)為在高溫季節(jié)向上游移動(dòng)，在低溫季節(jié)向下游移動(dòng)，隨溫度的升降呈周期性變化；且壩頂水平位移量與環(huán)境溫度的變化成正比，環(huán)境溫度變化越大，水平位移量也相應(yīng)的增大[4-6]。

圖1 壩頂水平位移過(guò)程線

壩頂三維倒垂線共有傳感器2個(gè)，坐標(biāo)儀編號(hào)IP1、IP2，用于監(jiān)測(cè)0#以及31#壩段壩頂3個(gè)方向的絕對(duì)空間位移。壩頂三維倒垂線系統(tǒng)觀測(cè)成果見(jiàn)表2和表3。根據(jù)觀測(cè)成果可知：在X向最大水平位移為-39.16mm(表現(xiàn)為向上游變形)，最大變化量為1.72mm；在Y向最大水平位移為-4.90mm(表現(xiàn)為向右岸移動(dòng))，最大變化量為3.48。

表2 壩頂X向水平位移特征值統(tǒng)計(jì)表 mm

表3 壩頂Y向水平位移特征值統(tǒng)計(jì)表 mm

2)壩頂垂直位移。壩頂垂直位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、壩頂三維倒垂線組成，壩頂精密水準(zhǔn)網(wǎng)校核。壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)共有傳感器30個(gè)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為DJ01-DJ30，用于監(jiān)測(cè)壩頂1#-30#壩段相對(duì)于0#以及31#壩段的相對(duì)垂直位移。從年度觀測(cè)成果來(lái)看，壩頂最大垂直位移為-8.68mm，發(fā)生在2019年09月29日，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為JD28。

真空準(zhǔn)直系統(tǒng)相對(duì)垂直位移過(guò)程線如圖2，從觀測(cè)成果可知：①2017年壩頂垂直位移在-4.38-4.24mm之間變化；2018年垂直位移在-7.09-4.36mm之間變化；2019年垂直位移在-8.68-4.36mm之間變化較2017-2018年無(wú)較大變化且出現(xiàn)的位置相近。②各測(cè)點(diǎn)變化基本相同，與2017-2018年變化趨勢(shì)基本一致，主要表現(xiàn)為隨環(huán)境溫度呈周期性變化；當(dāng)環(huán)境溫度升高，測(cè)點(diǎn)位移趨于上升，表現(xiàn)為垂直向上；當(dāng)環(huán)境溫度降低，測(cè)點(diǎn)位移趨于下沉，表現(xiàn)為垂直向下；且壩頂垂直位移量與環(huán)境溫度的變化成正比，環(huán)境溫度變化越大，水平位移量也相應(yīng)增大符合混凝土壩變形的一般規(guī)律。

圖2 壩頂垂直位移過(guò)程線

壩頂三維倒垂線共有傳感器2個(gè)，坐標(biāo)儀編號(hào)IP1、IP2，用于監(jiān)測(cè)0#以及31#壩段壩頂三個(gè)方向的絕對(duì)空間位移。三維垂線垂直位移觀測(cè)成果見(jiàn)表4，從觀測(cè)成果可以看出：最大垂直位移為12.43mm。

表4 壩頂垂直位移特征值統(tǒng)計(jì)表 mm

2.2 壩基變形監(jiān)測(cè)分析

1)壩基水平位移。壩基水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由廊道引張線系統(tǒng)、廊道三維倒垂線組成。廊道引張線系統(tǒng)共有傳感器19個(gè)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為EX7-EX25，用于監(jiān)測(cè)7#-25#壩段相對(duì)于6#以及26#壩段的壩基水平位移。根據(jù)觀測(cè)成果可以得知：壩基最大水平位移為46.69mm，發(fā)生在2019年03月28日，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為EX19。

引張線系統(tǒng)水平位移過(guò)程線見(jiàn)圖3，從觀測(cè)成果可知：①2017年壩基最大水平位移為44.58mm，發(fā)生在2017年12月10日，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為EX19；2018年壩基最大水平位移為壩基最大水平位移為44.96mm，發(fā)生在2018年12月12日，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為EX19；2019年壩基最大水平位移較2017-2018年相差很小，且最大水平位移出現(xiàn)的時(shí)間相近(均出現(xiàn)在冬季)，均出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)EX19。②排除人為干預(yù)，壩基水平位移各測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)基本一致，較2017-2018年無(wú)較大變化，過(guò)程線表現(xiàn)平穩(wěn)，表明壩基水平位移穩(wěn)定[7,8]。

圖3 壩基相對(duì)水平位移過(guò)程線

廊道三維倒垂線共有傳感器2個(gè)，坐標(biāo)儀編號(hào)為IP3、IP4，用于監(jiān)測(cè)6#以及26#壩段壩基X向和Y向絕對(duì)水平位移。壩基三維倒垂線系統(tǒng)的觀測(cè)成果見(jiàn)表6和表7。根據(jù)觀測(cè)成果可知：壩基三維倒垂線系統(tǒng)向下游最大位移為0.14mm，向上游最大位移為-0.06mm；向左岸最大位移為0.41mm，向右岸最大位移為-1.57mm。

表6 壩基X向水平位移特征值統(tǒng)計(jì)表 mm

表7 壩基Y向水平位移特征值統(tǒng)計(jì)表 mm

2)壩基垂直位移。壩基垂直位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)、三維倒垂線組成，廊道精密水準(zhǔn)網(wǎng)校核。下沉為正，上升為負(fù)。壩基靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)共有傳感器14個(gè)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為SL6、SL8-SL10、SL12、SL14、SL16-SL18、SL20、SL22、SL24-SL26，用于監(jiān)測(cè)7#-25#壩段相對(duì)于6#以及26#壩段的垂直位移。根據(jù)觀測(cè)成果可知：壩基最大垂直位移為27.69mm，發(fā)生在2019年09月18日的SL24。

壩基垂直位移觀測(cè)過(guò)程線見(jiàn)圖4，從觀測(cè)成果可以看出：①2017年壩基最大垂直位移為25.51mm，發(fā)生在2017年10月22日的SL24；2017年壩基最大垂直位移為26.69mm，發(fā)生在2018年10月31日的SL24；2019年壩基最大垂直位移與2017-2018年出現(xiàn)的位置相同，時(shí)間接近且較2017-2018年垂直位移無(wú)明顯變化。②各測(cè)點(diǎn)變形趨勢(shì)基本一致，均呈下沉趨勢(shì)，表明壩基整體表現(xiàn)為下沉。

圖4 壩基相對(duì)垂直位移過(guò)程線

壩基三維倒垂線共有傳感器2個(gè)，坐標(biāo)儀編號(hào)IP3、IP4，用于監(jiān)測(cè)于6#及26#壩段的垂直位移，下沉為正，上升為負(fù)。壩基三維倒垂線系統(tǒng)觀測(cè)成果見(jiàn)表8。根據(jù)特征值統(tǒng)計(jì)表可知：壩基三維倒垂線系統(tǒng)最大垂直位移為-0.35mm，表現(xiàn)為上升。

表8 壩基垂直位移特征值統(tǒng)計(jì)表 mm

2.3 壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)

在壩基共布置47個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中共36個(gè)縱向揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)；11個(gè)橫向楊壓力測(cè)點(diǎn)。

1)壩基縱向揚(yáng)壓力。壩基縱向揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共有傳感器36支，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為UP0-UP35。根據(jù)觀測(cè)成果得知：壩基縱向揚(yáng)壓力最高水位為135.43m(水頭高8.06m)，出現(xiàn)在2019年12月05日，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)為UP1；全年縱向揚(yáng)壓力最大變化量發(fā)生在UP28，變化量為5.61m。

.壩基縱向揚(yáng)壓力過(guò)程線見(jiàn)圖5，縱向揚(yáng)壓力分布見(jiàn)圖6，從觀測(cè)成果可以看出：①靠近兩岸壩肩測(cè)點(diǎn)的水位相對(duì)較高，揚(yáng)壓力呈明顯的V型分布(見(jiàn)圖3-70)，其中靠近山體兩側(cè)的測(cè)壓管UP1-UP4(左岸)和UP31-UP35(右岸)受到兩岸山體水力坡降的影響，其水位相對(duì)較高且呈現(xiàn)出越靠近山體水位越高的規(guī)律(見(jiàn)圖3-28和圖3-35)。②各測(cè)點(diǎn)測(cè)值較2017-2018年無(wú)較大變化，雖然其中大部分測(cè)點(diǎn)測(cè)值與庫(kù)水位具有相關(guān)性，且當(dāng)庫(kù)水位超過(guò)115m后，相關(guān)性更加明顯，但是除受水力坡降影響的測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)的水位遠(yuǎn)低于庫(kù)水位，表明壩基縱向揚(yáng)壓力穩(wěn)定。③鑒于UP0測(cè)值變化很大、UP30的測(cè)值與歷史測(cè)值不連續(xù)的現(xiàn)象，建議在檢查儀器的工作狀態(tài)和核實(shí)數(shù)據(jù)有效性的同時(shí)，對(duì)儀器進(jìn)行修復(fù)或更換，并加強(qiáng)自動(dòng)化系統(tǒng)的維護(hù)，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性及完整性。

圖5 壩基縱向揚(yáng)壓力過(guò)程線

圖6 壩基縱向揚(yáng)壓力分布圖

2)壩基橫向揚(yáng)壓力。

壩基橫向揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照橫向廊道共布置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共有傳感器11支，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為UP09-1-UP09-4、UP16-1-UP16-4、UP24-1-UP24-3。根據(jù)壩基橫向揚(yáng)壓力的觀測(cè)成果可以得知：壩基橫向揚(yáng)壓力最高水位為117.94m，出現(xiàn)在2019年04月02日，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)為UP16-1；全年橫向揚(yáng)壓力水位最大變化量發(fā)生在UP9-1，變化量為5.92m。

壩基橫向揚(yáng)壓力過(guò)程線見(jiàn)圖7，橫向揚(yáng)壓力分布見(jiàn)圖8，從觀測(cè)成果可以看出：各測(cè)點(diǎn)測(cè)值較2016-2017年無(wú)異常變化，其中9#壩段和16#壩段位于帷幕上游的測(cè)點(diǎn)UP9-1和UP16-1與庫(kù)水位顯著相關(guān)，過(guò)程線隨庫(kù)水位升降有一定的變化，位于帷幕下游的測(cè)點(diǎn)UP9-2-UP9-4、UP16-2-UP16-4、UP24-1-UP24-3不受庫(kù)水位的影響，測(cè)值全年變化較小，過(guò)程線表現(xiàn)平穩(wěn)，同時(shí)帷幕下游測(cè)點(diǎn)的水位明顯低于上游測(cè)點(diǎn)的水位，表明揚(yáng)壓力水位通過(guò)帷幕有很大折減，帷幕防滲效果良好。

圖7 壩基橫向揚(yáng)壓力過(guò)程線

圖8 壩段壩基橫向揚(yáng)壓力分布圖

2.4 繞壩滲流監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)大壩兩岸的繞壩滲流，在大壩兩岸共布設(shè)了13個(gè)繞壩滲流監(jiān)測(cè)孔，其中在壩右安設(shè)了3支孔隙水壓力計(jì)(RY1監(jiān)測(cè)孔未安裝儀器時(shí)已封填)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為RY2-RY4；在壩左安設(shè)了9支孔隙水壓力計(jì)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為RZ1-RZ9。繞壩滲流觀測(cè)成果見(jiàn)表9，根據(jù)觀測(cè)成果可知：壩右繞滲最高水位為133.11m，出現(xiàn)在2018年07月16日，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)為RY4；壩左繞壩滲流最高水位發(fā)生在2018年01月26日，最高水位為149.56m，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)為RZ8。

表9 繞壩滲流特征值統(tǒng)計(jì)表 m

根據(jù)繞壩滲流監(jiān)測(cè)結(jié)果：RY2-RY4、RZ2-RZ5可能受降雨時(shí)山體內(nèi)滲水的影響，其測(cè)值在降雨集中時(shí)段均出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，建議在降雨集中時(shí)段關(guān)注上述測(cè)點(diǎn)水位的變化；鑒于現(xiàn)場(chǎng)的工況復(fù)雜，建議加強(qiáng)自動(dòng)化的維護(hù)，保證現(xiàn)有儀器的正常運(yùn)行。其中，RY4從2018年07月24日開(kāi)始測(cè)值在穩(wěn)定在232左右；RZ3、RZ4，從2018年08月11日開(kāi)始測(cè)值在211.08-218.05范圍內(nèi)變化；上述測(cè)點(diǎn)測(cè)值明顯為異常測(cè)值，故剔除。RZ5經(jīng)檢查反饋，數(shù)據(jù)采集的線路可能出現(xiàn)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常；RZ8監(jiān)測(cè)孔有塌孔現(xiàn)象，可能造成數(shù)據(jù)異常。

3 結(jié) 論

根據(jù)白石水庫(kù)2019年壩頂變形、壩基變形、壩基揚(yáng)壓力、繞壩滲流等資料數(shù)據(jù)，通過(guò)綜合分析得出的結(jié)論如下：

1)各測(cè)點(diǎn)測(cè)值無(wú)明顯變化，其中大壩變形符合混凝土的一般變形規(guī)律；滲流及揚(yáng)壓力測(cè)值穩(wěn)定，庫(kù)水位在116.43-118.97m 之間變化，全年降水 273.00mm；同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查情況分析表明，各水工建筑物運(yùn)行正常。

2)部分河床壩段及岸坡存在較高的揚(yáng)壓力折減系數(shù)，經(jīng)核算對(duì)壩體安全未構(gòu)成影響，為保證工程安全建議實(shí)時(shí)采取減壓排水、加強(qiáng)觀測(cè)等措施。為有效降低不利因素對(duì)水庫(kù)大壩的干擾，建議按規(guī)范要求及時(shí)整編大壩安全監(jiān)測(cè)資料，并定期全面維護(hù)及檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)儀器。