猴子岩水电站面板堆石坝沉降监测成果分析

胡 升 伟, 胡 明 秀, 黄 攀

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县孔玉乡境内，是大渡河干流水电规划中的第9个梯级电站，枢纽建筑物主要由拦河坝、两岸泄洪及放空洞、右岸地下引水发电系统等组成。该工程为一等大(1)型工程，拦河坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高223.5 m，是目前世界上已建和在建的同类型第二高坝[1]。水库正常蓄水位高程为1 842 m，死水位高程为1 802 m，调节库容为3.87亿m3，总装机容量为1 700 MW。

猴子岩水电站于2011年11月16日开工建设，2015年12月底大坝全断面填筑至高程1 845.8 m，2016年11月15日开始蓄水，2016年12月13日库水位上升至高程1 801.99 m，2017年11月19日库水位上升至高程1 841.56 m。

为多方面了解坝体沉降的发展情况，对猴子岩水电站面板堆石坝沉降监测成果进行了分析。

2 监测成果分析

猴子岩水电站大坝的安全监测根据坝址的地形地质条件、面板堆石坝结构和施工特点进行设计与布置：坝体变形监测在桩号0+087.5、0+117.5、0+162.8和0+207.5四个断面分不同高程布设了14条水平、垂直位移观测条带，共计96个测点，在每个观测条带下游坝坡设观测房一座和外部变形观测墩一个，采用外部变形观测值进行基准校核；采用水管式沉降仪监测坝体内部的沉降，采用引张线式水平位移计监测坝体的水平位移。

大坝坝体在高程1 773.5 m、桩号0+087.5、0+117.5、0+162.8、0+207.5四个监测断面共布置了28个水管式沉降仪测点，此次研究选取桩号0+162.8的监测断面典型沉降测点监测成果进行分析，坝体高程1 773.5 m桩号0+162.8监测断面水管式沉降仪沉降观测成果见表1，坝体高程1 773.5 m、桩号0+162.8监测断面监测点沉降过程线见图1，桩号0+162.8监测断面沉降分布图见图2。

表1 坝体高程1 773.5 m桩号、0+162.8监测断面水管式沉降仪沉降观测成果表

图1 坝体高程1 773.5 m、桩号0+162.8监测断面监测点沉降过程线示意图

图2 桩号0+162.8监测断面沉降分布图

研究表明：堆石坝的沉降主要由坝体堆料的压缩产生变形，一般分为两个阶段：第一阶段的压缩变形较快，主要是因堆石料颗粒自身位移与结构调整；第二阶段的压缩变形逐渐减慢直至平稳[2]。由该电站大坝坝体水管式沉降仪取得的监测成果可知：

(1)河床中间坝体部位的沉降大，左、右两侧的沉降小；其中左侧大于右侧，其原因主要与坝体填筑前左岸地形表现为内陷、右岸地形表现为外凸有关。沉降量的大小与测点所处的地形条件相关，测点上方填筑量越大，其下方覆盖层越厚，沉降量越大。

(2)距坝轴线较远的上、下游部位累计沉降小，坝轴线及其附近部位的累计沉降大。蓄水期间，受水压影响，坝内上游测点的沉降速率明显大于坝轴线附近及下游测点。

(3)截止2018年10月4日，坝体内部的最大累计沉降量为1 316.6 mm，最大沉降量占坝高的0.59%，属于同类坝型中偏小值。

3 类似工程对比

众所周知，我国混凝土面板坝的筑坝技术已领先于世界，已建和在建的面板堆石坝数量占全世界一半左右。目前面板堆石坝的坝高越建越高，技术难度越来越大，尽管现代面板堆石坝的密实度和变形模量已有很大程度地提高，但其变形仍为面板堆石坝的主要问题。

此次分析选取了我国已建部分面板堆石坝施工期最大沉降量及占坝高比的统计数据，由表2中的统计数据可知：施工期最大沉降量占坝高的0.3%～1.9%[3]之间。猴子岩水电站坝体施工期的最大沉降量实测值为1 190 mm，仅占坝高的0.53%，在统计范围内属于偏小值，表明猴子岩水电站大坝沉降处于比较合理的范围内，坝体填筑质量较好。国内部分混凝土面板坝施工期沉降量统计情况见表2。

表2 国内部分混凝土面板坝施工期沉降量统计表

4 堆石体垂直压缩模量分析

堆石的压缩模量系指在侧限条件下土的垂直向应力与应变之比，可以表征堆石体的压实质量及变形大小。压缩模量越大，土越坚硬。通常，堆石坝的压缩模量是通过坝轴线附近沉降测点的测值推算而得，以满足没有侧向变形的单轴压缩假定。

堆石体的压缩模量可以表征堆石体的填筑质量及沉降大小。一般而言，堆石体的强度及稳定性均较好，至今未发现堆石坝失稳情况，所出现的事故主要是因比较大的变形造成面板接缝张开和止水失效，以及面板本身断裂导致大量库水渗漏而造成的破坏。因此，计算堆石体的压缩模量对土石坝而言非常重要。

此次分析选取大坝上游河床最大监测断面(桩号0+117.5)和下游河床最大监测断面(桩号0+162.8)位于坝轴线附近的水管式沉降仪测点的测值计算大坝的垂直压缩模量。大坝堆石体沉降测点垂直压缩模量计算成果见表3。

表3 大坝堆石体沉降测点垂直压缩模量计算成果表

由以上计算成果可知：最大垂直压缩模量为193 MPa(测点位置：桩号0+162.8、1 747 m高程)，最小垂直压缩模量为126 MPa(测点位置：桩号0+117.5、1 718.1 m高程)，其余测点的垂直压缩模量在128～186 MPa之间。其中位于1 747 m高程附近的堆石体垂直压缩模量最大，此高程监测部位的累计沉降量相对较小，分析其原因为：坝体在1 745 m高程分期填筑，而监测仪器布设在1 747 m高程附近，监测仪器埋设的时间偏晚。

根据我国最新的研究成果：采用重型振动碾可以得到堆石体的垂直压缩模量为20～225 MPa[4]，猴子岩水电站大坝的平均垂直压缩模量计算成果基本居于该范围内，满足设计要求。另外，坝体最大沉降占坝高的0.59%，属于已有工程范围中的较小值，尤其是猴子岩水电站面板堆石坝为坝高223.5 m的超高坝，说明大坝填筑压实干密度、孔隙率达到设计要求，大坝填筑质量良好，坝体沉降控制在合理范围内。

5 与光纤陀螺仪监测成果进行对比

光纤陀螺仪作为一种新的监测技术，多用于监测坝体沉降。在堆石坝中埋设常规的水管式沉降仪由于其管路的增长，观测精度和观测速度会受到较大的限制，尤其对于坝高200 m以上的大坝，其坝后的观测房往往高达数米，对现场的观测和设备保护提出了很高的要求；同时，水管式沉降仪为点状分布、按不同的间距布置，不能够完全掌握整个监测断面的坝体沉降情况。

光纤陀螺仪由于埋设工艺简单且易保护，对施工干扰较小，可与水管式沉降仪同步安装埋设，已越来越多地应用到体型较大的面板堆石坝中。

猴子岩水电站应用光纤陀螺仪监测新技术对坝体沉降开展了分布式监测，在大坝桩号0+117.5监测断面1 773.5 m、1 805 m高程和桩号0+162.8监测断面1 772.36 m高程处布置了三条光纤陀螺仪。此次分析选取1 773.5 m高程、桩号0+162.8监测断面布置的一条光纤陀螺仪和同位置布置的水管式沉降仪测点VDB-65～VDB-73的监测成果进行了对比。1 773.5 m高程(桩号0+162.8)坝体沉降对比计算成果见表4，光纤陀螺仪实测坝体沉降曲线图(2018-04-23)见图3，水管式沉降仪实测坝体沉降曲线图(2018-04-23)见图4。

表4 1 773.5 m高程(0+162.8)坝体沉降对比计算成果表

图3 光纤陀螺仪实测坝体沉降曲线图(2018-04-23)

图4 水管式沉降仪实测坝体沉降曲线图(2018-04-23)

由监测成果可知：猴子岩水电站大坝下闸蓄水过程中坝体沉降在正常范围内，运行状态良好。坝体同部位水管式沉降仪与光纤陀螺仪的监测成果同期实测沉降量比较接近，监测成果可靠，沉降分布规律基本一致[5]。

6 结 语

通过对猴子岩水电站面板堆石坝坝体实测沉降监测成果进行整理分析，得到了以下结论：

(1)监测坝体沉降的水管式沉降仪工作正常，采用光纤陀螺仪取得的监测结果比较稳定，监测资料较连续，坝体实测沉降分布规律良好，能够准确反映坝体沉降的一般规律和大坝的工作性态。

(2)目前我国已建部分面板堆石坝施工期的最大沉降量占坝高的0.3%～1.9%，猴子岩工程施工期的最大沉降量实测值为1 190 mm，仅占坝高的0.53%，属于已有工程经验的偏小值，坝体沉降相对较小，表明坝体填筑质量良好。

(3)由实测沉降值推算堆石体垂直压缩模量均大于100 MPa，压缩模量在128～186 MPa之间，与国内近期经验值(120～180 MPa)比较接近。监测成果表明：猴子岩水电站大坝沉降在比较合理的范围内，满足设计要求。

(4)光纤陀螺仪监测成果表明：在下闸蓄水过程中，坝体沉降在正常范围内，运行状态良好。

通过对典型时间节点相同部位采用两种监测仪器获得的监测成果进行对比分析可知：实测沉降量比较接近，监测成果可靠，沉降分布规律基本一致，符合土石坝的一般变形规律。