某水利枢纽工程大坝安全监测资料分析报告

万家寨水利枢纽工程大坝安全监测资料分析报告建设单位：黄河万家寨水利枢纽有限公司编制单位：水利部天津水利水电勘测设计研究院二○○二年五月总目录第一卷：建设管理工作报告第二卷：建设大事记第三卷：大坝Ⅰ标工程施工管理工作报告第四卷：厂房Ⅱ标工程施工管理工作报告第五卷：砂石骨料生产管理工作报告第六卷：设计工作报告第七卷：建设监理工作报告第八卷：机电设备制造监造工作报告第九卷：金属结构制作监造工作报告第十卷：运行管理工作报告第十一卷：质量评定报告第十二卷：大坝安全监测资料分析报告第十三卷：水土保持及环境保护专项工作报告第十四卷：库区右岸渗漏专题工作报告第十五卷：库区防凌专题工作报告第十六卷：坝基抗滑稳定处理专题工作报告第十七卷：低热微膨胀水泥应用专题工作报告第十八卷：拟验工程清单和未完工程工程的建设安排第十九卷：档案资料自检工作报告第二十卷：小沙湾取水工程专项工作报告第二十一卷：竣工安全鉴定工作报告第二十二卷：建设征地补偿和移民安置工作报告批准：何志华审定：王宏斌陆宗磐审查：郭潇张军劳杜雷功吴正桥校核：顾春利李秀明编制：蒋志勇张秀崧朱伟君白俊岭李梅目录前言……………………………………………………………………………11工程简况及大坝安全监测布置简况……………………………………21.1工程简况……………………………………………………………21.2监测工程及布置……………………………………………………22变形观测资料分析………………………………………………………152.1荷载因素分析………………………………………………………152.2变形观测资料的整理与分析………………………………………162.3坝体变形三维有限元计算…………………………………………222.4统计模型分析………………………………………………………232.5位移混合模型分析…………………………………………………262.6大坝变形观测资料分析综述………………………………………273渗流观测资料分析………………………………………………………793.1坝基扬压力资料分析………………………………………………793.2坝基层间剪切带扬压力观测资料分析……………………………823.3坝体渗透压力资料分析……………………………………………834应力、应变及温度观测资料分析………………………………………974.1应变计组实测资料计算分析………………………………………974.2测缝计实测资料整理和分析………………………………………1004.3抗剪平硐三向测缝计实测资料分析………………………………1034.4钢筋计实测资料分析………………………………………………1044.5钢板计实测资料分析………………………………………………1054.6渗压计实测资料分析………………………………………………1064.7基岩变位计实测资料分析…………………………………………1064.8温度计实测资料分析………………………………………………1075结论与建议………………………………………………………………1435.1结论………………………………………………………………1435.2建议………………………………………………………………145前言万家寨水利枢纽工程1994年底开工，1995年5月开始大坝混凝土浇筑，大坝安全观测仪器与设施，随坝体混凝土施工，逐步埋设安装就位，至1998年10月水库下闸蓄水，大部分观测工程施工完成，并取得了初始值，开始或进行了正常的安全监测。至目前大部分观测工程均已取得了系统且完整的观测资料。受黄河万家寨水利枢纽有限公司委托，我院承担了该工程竣工验收大坝安全观测资料分析任务。本次资料分析含概了除近坝区岩体水平位移、垂直位移及左右岸绕坝渗流观测（甲方均已委托其他单位承担）以外工程的大坝安全观测起始至2001年5月底全部观测资料。观测资料分析依据国家现行规程规范进行，分析中除采用统计方法外，还借助于线弹性有限元对大坝位移等进行了综合分析。通过本次观测资料分析，对该工程大坝安全监测、安全监测成果及大坝工作状态均有了一定的认识，但由于部分观测资料的完整性、系统性较差，也给资料分析和结论的取得带来了一定的困难，有待在今后工作中进一步地完善。在本报告的编写过程中，提到了中国水利水电科学研究院结构材料研究所张进平、庄万康、黎利兵等专家的指导，同时得到了黄河万家寨水利枢纽有限公司领导及公司电站管理局的大力支持，在此一并表示感谢！受时间等方面因素制约，本次资料分析中难免有不足之处，恳请专家们批评指正。1工程简况及大坝安全监测布置简况1.1工程简况万家寨水利枢纽工程位于黄河干流托克托至龙口峡谷河段内，左岸隶属山西省偏关县，右岸隶属内蒙古自治区准格尔旗。工程的主要任务是供水结合发电调峰，同时兼有防洪、防凌作用。枢纽属一等大（I）型工程，水库最高蓄水位980.00m，正常蓄水位977.00m，水库总库容8.96亿m3,电站装机容量1080MW。整个枢纽由拦河坝、坝后式厂房、泄水建筑物、引黄取水口及GIS开关站等建筑物组成。拦河坝为混凝土半整体直线重力坝。大坝坝顶高程982.00m，坝顶长度443m，最大坝高105m，拦河坝由22个坝段组成，其中：1#坝段为左岸挡水坝段；2#、3#坝段为引黄取水口坝段；4#坝段为表孔坝段；5#～8#坝段为底孔坝段；9#、10#坝段为中孔坝段；11#坝段为隔墩坝段；12#～17#坝段为电站坝段；18#～22#坝段为右岸挡水坝段。黄河在坝址区呈南北向，河谷呈宽U型，宽约430m。坝基座落在寒武系中统张夏组第五层的中厚层灰岩夹薄层灰岩上，两岸坝肩地层为寒武系上统崮山组、长山组和凤山组的中厚层灰岩、薄层灰岩、竹叶状灰岩等地层。坝基地层呈单斜构造，岩层产状平缓，总体走向北东30°，倾向西北，倾角2°～3°。在平缓单斜地层上发育有规模不大的层间褶曲、隆起及裂隙。1.2监测工程及布置本工程大坝观测工程有：变形观测；渗流观测；应力、应变及温度观测；水位、水温、气温观测；水力学观测。1.2.1变形观测（1）坝顶水平位移监测。坝顶水平位移观测采用视准线法和大气激光准直线法，布置桩号分别为下0+017.185m和0+017.51m，两种方法互为校核，两端点由设置在1#、22#坝段的正、倒垂线组作为基点。（2）坝身水平位移监测。在高程975.00m的观测廊道内桩号下0+013.45m处布置一条单向引张线，两端点与1#、22#坝段的正、倒垂线组相结合，中间与7#、14#坝段的正、倒垂线组相结合。1.2.2垂直位移监测（1）坝顶垂直位移监测。在每个坝段的坝顶上埋设一个沉陷标点，采用精密水准测量方法进行观测。（2）坝基垂直位移监测。在灌浆廊道内每个坝段埋设一个沉陷标点，采用精密水准测量方法进行观测。1.2.3坝体挠度监测在1#、7#、14#、22#坝段各布置一条正、倒垂线组观测坝体挠度，并为大坝变形观测提供基准值。倒垂线深入基岩深度：1#坝段为42m；7#坝段为30.9m；14#坝段为35m；22#坝段为45m。1.2.4坝基倾斜监测在14#坝段灌浆及扬压力观测廊道内，桩号坝0+323.80m、高程898.50m处顺流向安装三台RJ型电容式静力水准仪，并以14#坝段倒垂线作为基点。1.2.5坝基扬压力监测选择2#、5#、11#、14#、20#坝段5个横向监测断面，每个断面布置4个以上监测孔，纵向监测断面选在灌浆廊道内，每个坝段布置1个监测孔，另在6#、10#、15#、18#坝段布置4个深层承压水监测孔，共布置59个扬压力监测孔。1.2.6绕坝渗流监测在左右岸各布置8个监测孔，监测绕坝渗流情况。1.2.7渗漏量监测（1）坝体渗漏量监测。在灌浆廊道上游排水沟内于9#、15#坝段集水井的左右两侧各布置1台YL型电容式量水堰渗流量仪，共4台。（2）坝基渗漏量监测。在灌浆廊道下游排水沟内于9#、15#坝段集水井的左右两侧各布置了1台YL型电容式量水堰渗流量仪，以监测主排水孔的渗漏量，共4台。1.2.8应力、应变及温度监测（1）温度监测。在5#、14#、21#三个典型坝段内，依高程不同，每隔10～15m布设一排温度计，每排3～5个测点进行坝体温度观测；在坝踵、坝趾及坝基中部，沿铅直方向在基岩内距建基面0.0、1.5、3.0、5.0m各布置一支电阻温度计进行基岩温度监测。（2）纵横缝开合度监测。在典型坝段的各条纵、横缝及左右岸坡坝段的横缝上布置测缝计，监测缝面开合度变化情况。（3）坝体渗透压力、泥沙压力监测。在5#、14#坝段观测断面高程904.50m和906.00m布置两排10支渗压计，与坝面的距离为0.25、1.05、2.55、4.55、7.65m；在5#、14#坝段高程948.00m以下，每隔10m左右布置一对土压力计和一支渗压计。（4）坝体应力、应变监测。在典型坝段的基础截面布置五向应变计组、无应力计，以监测该截面的应力应变；在坝踵部位埋设应变计、测缝计进行应力应变和缝面变化监测；在岸坡坝段布置单向应变计及基岩变位计监测坝肩的受力和变形情况。（5）钢筋应力监测。在5#坝段底孔孔口、闸墩及9#坝段排水泵房等部位布置钢筋计进行钢筋应力监测。（6）压力钢管监测。在14#电站坝段压力钢管的上弯段、斜直段及下弯段截取三个垂直于钢管轴线的剖面，在每个剖面的上下、左右侧布置钢板计、钢筋计、测缝计、渗压计、应力计及无应力计对压力钢管的工作状态进行监测。1.2.9水位、水温、气温监测（1）水位监测：大坝在水库下闸蓄水前采用上下游水尺进行水位监测，电站机组投入运行后利用19#坝段及电站尾水平台的水位计进行监测。（2）水温监测：选择上游坝面作为监测断面，利用5#、14#、22#坝段布置的电阻温度计进行水温监测。（3）气温监测：利用坝址附近即左岸山体上游侧和右岸坝段布置的两个气温观测点，安装百叶箱，采用电阻温度计进行气温监测。1.2.10坝基抗剪平硐应力应变监测（1）应力应变监测：在3条坝基抗剪平硐内共埋设20套五向应变计组和无应力计，以监测平硐混凝土内应力状况。（2）温度监测：在平硐内共埋设温度计63支，进行回填混凝土温度监测。（3）周边回填缝开度监测：在3条平硐及部分支硐内选择10个观测断面，每个断面分别在两侧及顶部各布置1支测缝计，共计30支，以监测周边回填缝的开合度。（4）剪切带变形监测：在平硐内SCJ08、SCJ10剪切带上各埋设6套3DM-200型三向测缝计，共计12套。万家寨水利枢纽工程大坝安全监测测点及仪器布置见图1-1～图1-10。2变形观测资料分析2.1荷载因素分析2.1.1水位荷载本工程1998年10月1日下闸蓄水，1998年11月25日到达施工初期运行水位960.00m。至2001年5月底，水库库水位在929.50m至974.54m之间变动，其中2000年3月24日水位降至最低，为929.50m；2001年4月17日水位升至最高，为974.54m。在此期间，库水位主要经历了4次大幅度的变化，分别是1998年10月的蓄水过程，1999年3月和2000年3月库水位的降升过程，2001年3、4月的库水位升高过程。库水位变化过程线见图2-1。水荷载是坝体及坝基变形的主要影响因素之一。理论分析表明，坝体变形可以用水位的1～4次方表示，本次回归计算分析采用h、h2、h3、h4作为水位分量的因子（其中，h=H/100,H为测时当天的平均库水位）。从回归计算所得的统计模型看，现有变形监测工程的部分测点的实测值统计模型中没有引入水位因子，其原因与大坝前期尚处于边建设边运行之中，观测资料相对较短，而其它因素（如温度、时效等）对大坝变形的影响较水荷载相对明显有关。为弥补现有资料相对较短，并利用有限元计算结果求出水位与外部变形的关系方程，将此方程作为一个因子，结合实测资料，建立了外部变形混合模型。有限元计算及分析详见2.3节。2.1.2温度荷载气温是影响坝体运行状态的重要外部条件，对坝上、下游水温、坝体混凝土温度、坝基温度有直接影响，从而影响到坝的变形、应力、渗透等。万家寨水利枢纽坝址地处北纬39.6°，该地区属温带季风大陆性