基于监测数据的施工运营期大坝安全稳定性研究

徐立君

(塔里木河流域巴音郭楞管理局 开都-孔雀河管理处开都河中游管理站,新疆 和静 841305)

0 引 言

水库大坝是国家基础设施建设中重要的水利工程,其安全稳定性是人民群众生命财产安全和社会经济可持续发展的重要保障[1]。由于受到多种内部和外部因素的影响,如水压力、地质条件、人为因素等,可能对大坝的稳定性造成影响[2]。因此,在工程建设和运营期间,对水库大坝的安全稳定性进行监测和评估是非常必要的。

随着监测技术的不断发展和数据处理方法的不断提高,监测数据能够提供更加准确和全面的信息,使大坝的安全稳定性评估更加精准和科学。为了评估大坝的稳定性,许多学者对水库大坝的工程和水文地质特征的安全稳定性进行了相关研究。如钟共青[3]分析了王家厂水库坝基的水文地质特征,为该水库坝基的处理提供了充分依据。王志红等[4]通过观测和室内试验,获得了某水电站的水文地质参数,建立了三维数值计算模型,并分析了渗透变形类型、渗流场和水力梯度特征,然后评估了坝基渗透稳定性问题,为其提供了防渗处理依据。张庆虎等[5]以新安江等多座大坝为例,分析了大坝运行过程中存在的水文地质问题,指出地下水是影响大坝稳定的重要因素,需要采取积极的防治措施,以避免坝体的腐蚀和软化等问题。

上述研究主要聚焦于具体问题,没有综合分析整个系统的特征和相互关系,其结论可能局限在某些特定情境下,而无法适用于其他大坝或环境。还有一些研究侧重于监测数据的采集和处理,据此评估大坝的运行状态和安全风险。如宋子龙等[6]提出了一种集线式水库大坝安全监测系统,并使用该监测系统对水库大坝进行了安全监测,结果表明,该系统能满足设计要求,具有测量精度高、实时性好、可靠性强等多项实用优势。但基于监测数据的施工运营期水库大坝安全稳定性研究,仍然相对匮乏。

因此,本文选择某水库大坝为研究对象,对施工运营期间的监测数据进行处理和分析,评估大坝的安全稳定性,预测可能出现的安全风险。

1 项目概况

研究区长期存在着水资源紧缺的问题,导致居民生活和农业生产受到影响。为了缓解这一现状,计划新建一座水库来存储大量的雨水和地下水,以满足地区的日常用水和灌溉需要。为了探究基于监测数据的施工运营期水库大坝安全稳定性,本文选取该水库为研究对象。根据相关资料,该水库大坝的基本信息见表1。

表1 新建水库大坝的基本信息

2 监测点选择及监测设施布置

在对该水库大坝布置传感器进行监测之前,首先使用有限元软件对大坝进行施工和运行全过程的仿真分析,确定大坝在不同工况下结构最薄弱部位的变形和应力分布情况,有助于设计实际监测方案,并根据仿真模拟结果,制定针对性的监测内容。运营期的仿真分析结果表明,大坝基础结构受到的围压要远远大于大坝上部结构,因此大坝基础结构的位移往往小于上部结构。此外,在大坝运营期,基础结构存在不均匀变化,具体出现在坝基和防渗墙相连部位以及大坝坡脚。

大坝渗流和渗压监测主要是监测大坝的渗流和渗压情况,及时发现大坝的渗漏和变形,及时采取安全措施,保证坝体安全。为了全面掌握大坝不同位置的渗流和渗压分布情况,根据实际的工程情况与施工地理位置,在大坝坝体上设置4个监测断面,分别为0+170、0+220、0+270和0+320m,监测断面的间距为50m。为了监测坝体内部的稳定性,在4个监测断面和防渗墙上共布置48个渗压计。此外,在大坝坝体的4个监测横断面上,针对不同的监测断面位置,选择3个不同的监测层面,每个监测层面布置3支渗压计,以监测坝基内部水分的分布和渗透力的变化情况,及时判断坝基的稳定性。为了及时了解墙前后渗压的变化,并对防渗墙的效果进行评估,在防渗墙前后1.5m处,埋设2支渗压计,具体见图1。

图1 大坝横断面渗流计布置图

为了监测坝体表面的位移变化情况,确保大坝的安全性能,避免大坝的位移变化引发坝体的破坏和水灾事故。本次研究设置20个视准线测点,通过徕卡TM50全站仪和DNA03水准仪进行测量,并结合使用全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,简称GNSS)技术对大坝坝体表面位移进行位移监测。

水体在流经坝体时,可能会发生渗流现象,可能会给坝体带来很多隐患。为了确保大坝的稳定性和安全性,必须实施绕坝渗流监测。因此,在大坝的两岸和下游坡顶,共布置8根测压管,以监测坝体周边的绕流情况。

3 监测资料分析

大坝的竖向位移及沉降是大坝的重要安全指标,本次大坝表面位移监测自2022年9月开始至2023年3月结束。通过视准线法测得的大坝各位置变形量见表2。

表2 视准线法测量结果

由表2可知,大坝在整体稳定性方面表现较为良好。其中,最大竖向沉降量出现在大坝桩号为0+270m的坝顶位置,为19.7mm,表明大坝的结构存在一定的不均匀性,需要进行工程处理和监测。坝顶上的竖向沉降量较大,为15.3mm,这是由大坝附近的山体和土壤层的沉降和变形所导致;一、二级马道的竖向沉降量比坝顶沉降量小,主要是由大坝下方土体变形所导致,建议监测变形数据并进行相应的工程处理。

通过全球卫星导航系统(GNSS)技术,测量大坝坝顶表面各处沉降量,见图2。

图2 基于GNSS技术监测结果

由图2可知,使用GNSS技术测量的大坝坝顶表面各处沉降量,与视准线法测得的大坝各位置变形量存在一定的差异,两种方法具体对比结果见图3。

图3 两种测量方法对比图

由图3可知,整体上,使用全球卫星导航系统技术测量的坝顶沉降量均大于采用视准线法测量的坝顶沉降量结果。其中,两种测量方法得出的结果偏差在0.75～1.25mm之间,而最大沉降量偏差出现在坝顶桩号为0+220m处。总体而言,一般使用全球卫星导航系统技术的测量误差在5mm以内,因此两种测量方法符合实际测量结果。

渗压测量可以确定大坝的渗透性,了解渗漏的位置和渗漏的程度。及时处理渗漏,有助于减少渗漏点周围土地的水化作用,控制大坝的坝体龟裂和沉降。本次水库大坝渗压测量,随着大坝施工期,施工人员将渗压计埋入钻孔或洞隙中开始,渗压监测数据为每7天记录一次,整个监测期间共持续12个月。本次设置的4个监测横断面的水位高程变化具体情况见图4。

图4 监测横断面水位高程变化情况

由图4可知,不同监测断面渗压变化情况存在差异。但总体来说,在整个监测期间,大坝进行预蓄水后,该地区的地下水位升高,渗压计测值开始出现增加趋势,但在一定范围内波动不定。具体表现为:各监测断面在防渗墙前后都出现了水头上升的情况,表明渗压出现了增大的情况。而通过防渗墙中的渗压计可知,整体上墙内渗压计水头差明显变小,表明防渗墙起到了明显的隔水效果。此外,通过监测可以发现,排水体前的渗压计开头一段时间会出现少量水头,排水体后的渗压计受前期集水廊道的水倒灌影响,曾出现实测水压力增大现象,但随后逐渐消散。

通过对绕坝渗流监测数据进行分析,可及时发现和判断坝体、坝基及岸坡等地方的渗流问题,进行准确的安全评估。本次水库大坝绕坝渗流量测量也是随着大坝施工期,施工人员将渗压计埋入下游护坡顶部以及坝顶与山体连接处开始,渗流量监测数据同样是每7天记录一次,整个监测期间共持续9个月。本次监测的绕坝渗流量具体变化情况见图5。

图5 基于GNSS技术监测结果

由图5可知,在整个测量期间,右岸坝顶后侧的绕坝渗流量小幅度增加,这是由于降雨、山体水源和地下水位变化等外部因素引起的。右岸坝后一级马道侧渗流量在整个测量期间存在较小幅度的波动变化,这是由于季节变化、降雨等自然因素或工程施工、支护、排水等人为因素导致。右岸边坝前迎水面和右岸坝后二级马道侧渗流量整个测量期间都没有较为显著的绕渗现象,这是由于这两个部位地质结构、水位、渗透性等因素相对稳定而未产生明显变化。

4 结 论

为了探究基于监测数据的施工运营期水库大坝安全稳定性,通过视准线法、GNSS技术以及埋设渗压计的方法,对大坝在运营期的稳定性进行了监测。结论如下:

1)该水库大坝整体稳定性表现良好,但局部存在不稳定性,需进行相应的工程处理与监测。

2)使用全球卫星导航系统技术测量坝顶沉降量,与视准线法测量坝顶沉降量的测量结果存在一定误差,但两种方法的测量误差在允许范围内。

3)不同监测断面渗压变化情况存在差异,整体而言,墙内渗压计水头差变小,表明防渗墙起到了隔水作用。右岸坝顶后侧绕坝渗流量小幅度增加,右岸坝后一级马道侧渗流量在整个测量期间存在较小幅度的波动变化。

基于以上分析认为,水库大坝整体稳定性良好,但仍需加强对大坝周围地质环境和结构的监测与分析。