丰宁抽水蓄能电站面板堆石坝施工期沉降规律

丰宁抽水蓄能电站面板堆石坝施工期沉降规律
杨东波; 张瑞华; 邢新富; 高国刚; 吴庆乐; 杜鹏
【期刊名称】《《大坝与安全》》
【年(卷),期】2019(000)004
【总页数】4页(P28-31)
【关键词】混凝土面板堆石坝; 施工期; 监测; 沉降; 丰宁抽水蓄能电站
【作者】杨东波; 张瑞华; 邢新富; 高国刚; 吴庆乐; 杜鹏
【作者单位】浙江华东工程咨询有限公司浙江杭州 311100
【正文语种】中文
【中图分类】TV641.4; TV698.1
1 工程概况
河北丰宁抽水蓄能电站位于河北省丰宁满族自治县境内，距丰宁县约62 km。

电站主要由上水库、水道系统、地下厂房系统、下水库及拦沙库等建筑物组成。

上水库堆石坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程1 510.3 m，坝顶宽10 m，轴线长度556.0 m，最大坝高120.3 m。

面板堆石坝填筑料分区自上游向下游依次为：垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区及下游干砌石护坡。

上水库堆石坝坝体于2015年5月1日开始填筑，至2017年10月21日填筑完成。

水管式沉降仪、沉降测斜管于2016年5月开始埋设，至2017年8月埋设完成。

沉降位移监测数据分析时段为2016年5月～2018年10月。

面板堆石坝的沉降主要发生在施工期，因此施工期沉降监测尤为重要。

目前沉降监测数据分析方法主要有统计对比分析法、统计模型分析法、仿真反演分析法[1-2]。

然而，不管采用哪种方法，堆石坝施工期沉降规律仍然不一，主要原因在于影响面板堆石坝沉降的因素太多，监测数据分析时段不一，过于注重分析方法，忽视了监测仪器布设的重要性。

丰宁抽水蓄能电站上水库面板堆石坝采用双监测断面分层布设水管式沉降仪，并辅以布设沉降测斜管，基于施工期全时段监测数据特征值统计分析，从时间和空间上多重验证堆石坝沉降规律，很大程度消除了影响堆石坝沉降的不确定因素。

2 监测仪器布置
坝体内部沉降变形采用分层水管式沉降仪和沉降测斜管进行监测。

在坝
0+340.000和坝0+419.970两个监测断面分别布置4套和3套水管式沉降仪，
具体布置见图1。

同时在坝0+341.500、坝0+419.970和坝0+221.500布置3
根沉降测斜管ES1、ES2和ES3。

坝0+340.000为主监测断面，ES1为主沉降测
斜管，其他均为辅助监测断面。

3 监测原理与计算方法
3.1 水管式沉降仪
水管式沉降仪是利用液体在连通管两端口保持同一水平的原理来量测坝体沉降的仪器。

通过监测测点与监测房的相对位移和监测房本身的位移来计算测点的沉降量。

计算公式为：
Si=（H0-Hi）×1000+（h0-hi）（1）
式中，Si为测点沉降量（mm）；H0为监测房基准点初始高程（m）；Hi为第i
次监测时监测房基准点高程（m）；h0为量管初始读数（mm）；hi为第i次监
测时量管读数（mm）[3]。

3.2 沉降测斜管
沉降测斜管的工作原理是以埋设于孔底的测点为基准测点（认为基准点是不动点），当某一测点发生垂直变形时，该测点相对于基准测点距离的变化量就是该测点的垂直位移量。

计算公式为：
式中，ΔHi为某一测点第i次垂直位移量（mm）；H1、h1为孔底基准测点和某
一测点的基准高程（m）；Hi、hi为基准测点和某一测点第i次读数（m）。

图1坝体内部水管式沉降仪监测点布置图Fig.1 Layout of monitoring points of hydraulic overflow settlement gauge inside dam
4 基于特征值统计的沉降数据分析
4.1 水管式沉降仪沉降数据分析
水管式沉降仪最大沉降特征值统计见表1。

由表1可知，同一桩号0+340.000，
不同高程1 410 m、1 435 m、1 460 m、1 485 m布设的4套水管式沉降仪测
点最大沉降量均出现在坝轴线0+0.0处；同一桩号0+419.970，不同高程1 435 m、1 460 m、1 485 m布设的3套水管式沉降仪测点最大沉降量均出现在坝轴
线0+0.0处。

两监测断面不同高程最大沉降量均出现在坝轴线0+0.0处，表现出
一致的规律性。

表1水管式沉降仪最大沉降特征值统计表Table 1 Maximum settlement characteristic values by hydraulic overflow settlement gauges仪器编号
TC1-5 TC2-4 TC3-3 TC4-2 TC5-4 TC6-3 TC7-2桩号/km+m 0+340.000
0+340.000 0+340.000 0+340.000 0+419.970 0+419.970 0+419.970高程/m 1 410 1 435 1 460 1 485 1 435 1 460 1 485距轴/km+m坝轴线0+0.0坝轴线
0+0.0坝轴线0+0.0坝轴线0+0.0坝轴线0+0.0坝轴线0+0.0坝轴线0+0.0最
大沉降量/mm 779 804 755 37 375 577 51沉降率
/%0.65%0.67%0.63%0.03%0.31%0.48%0.04%
桩号0+340.000主监测断面1 410 m高程处沉降特征值见表2，变形分布图见图2。

同一桩号、同一高程、不同距轴水管式沉降仪测点最大沉降量表现为：坝轴线处TC1-5最大，其他测点TC1-1＜TC1-2＜TC1-3＜TC1-4＜TC1-5、TC1-5＞
TC1-6＞TC1-7＞TC1-8＞TH-1，即沿坝轴线两侧向上下游依次呈递减趋势，且坝体沉降基本对称于坝轴线分布。

其他同桩号、同高程、不同距轴坝体沉降均表现出一致的规律性。

表2桩号0+340.000主监测断面1 410 m高程沉降特征值统计表Table 2 Settlement characteristic values at Station number 0+340.000 and elevation of 1 410 m仪器编号TC1-1 TC1-2 TC1-3 TC1-4 TC1-5 TC1-6 TC1-
7 TC1-8 TH-1距轴/km+m坝上0+140.5坝上0+105.5坝上0+70.5坝上
0+35.5坝轴线0+0.0坝下0+35.5坝下0+73.5坝下0+111.5坝下0+149.5最
大沉降量/mm 200 345 440 588 779 689 545 376 88沉降率
/%0.17%0.29%0.37%0.49%0.65%0.57%0.45%0.31%0.07%
图2桩号0+340.000主监测断面1 410 m高程沉降变形分布图Fig.2 Settlement deformation at Station number 0+340.000 and elevation of 1 410 m
桩号0+340.000主监测断面1 410 m高程处沉降变化过程线如图3所示，同一
桩号、同一高程、不同距轴水管式沉降仪测点施工期沉降量与坝体填筑速率呈正相关，表现为坝体填筑速率越小，坝体沉降量越小。

坝体沉降主要发生在大坝填筑期，大坝填筑完成后，随时间的推移，沉降速率明显减小，沉降趋于平稳[1]。

其他同
桩号、同高程、不同距轴坝体沉降均表现出一致的规律性。

图3桩号0+340.000主监测断面1 410 m高程沉降变化过程线Fig.3 Settlement process line at Station number 0+340.000 and elevation of 1 410 m
4.2 沉降测斜管沉降数据分析
如表3“沉降测斜管最大沉降特征值统计表”所示，沉降测斜管最大沉降量发生在桩号0+341.50、高程1 442.974 m、距轴0+006.0处，最大沉降量为866 mm，沉降率为0.72%。

如表1“水管式沉降仪最大沉降特征值统计表”所示，水管式沉降仪最大沉降量发生在桩号0+340.000、高程1 435 m、距轴0+0.0处，最大沉降量为804 mm，沉降率为0.67%。

沉降测斜管与水管式沉降仪最大沉降量从发
生点位、最大沉降量数值、沉降率均表现出极大的相似性。

如图4“沉降测斜管
ES1沉降变形分布图”所示，大坝沉降沿高程方向呈中间大、两头小的分布规律。

表3沉降测斜管最大沉降特征值统计表Table 3 Maximum settlement characteristic values by settlement inclinometers测点编号ES1 ES2 ES3桩号/km+m坝0+341.50坝0+419.97坝0+221.50距轴/km+m坝下0+006.0坝
下0+006.0坝下0+006.0最大沉降点高程/m 1 442.974 1 457.418 1 470.618
沉降量/mm 866 619 281沉降率/%0.72%0.52%0.23%
图4沉降测斜管ES1沉降变形分布图Fig.4 Settlement deformation distribution by settlement inclinometer ES1
4.3 同类工程比较分析
河北丰宁抽水蓄能电站面板堆石坝沉降监测布设与其他工程的不同之处在于采用沉降测斜管和水管式沉降仪主辅双监测断面进行多重验证布设，极大提高了沉降规律的可靠性。

沉降率是坝体稳定性评价的重要指标，一般坝体施工期沉降率在1%以内，表明坝体稳定性良好[4]。

面板堆石坝部分实测最大沉降数据统计见表4，目
前我国部分已建大坝施工期沉降率在0.1%～1.9%之间。

与同类工程相比，河北丰宁抽水蓄能电站上水库面板堆石坝最大沉降量866 mm，沉降率为0.72%，沉降
率相对适中，坝体施工期稳定性良好。

表4面板堆石坝部分实测最大沉降统计表Table 4 Partial measured maximum
settlement of concrete face rockfill dam坝名天生桥一级大坳面板堆石坝成屏面板堆石坝莲花面板堆石坝万安溪面板堆石坝丰宁面板堆石坝最大坝高/m 178.0 90.2 74.6 71.8 93.8 120.0最大沉降量/mm 3 360 1 153 716 425 46 866沉降率/%1.89 1.28 0.96 0.59 0.05 0.72
4.4 监测布置优化分析
综上所述，高程1 435～1 460 m（约0.37～0.58倍坝高），桩号0+340.000主监测断面的最大沉降量为75～804 mm，桩号0+419.970辅监测断面的最大沉降量为375～577 mm。

3个沉降测斜管在高程1 442.974～1 457.418 m（约
0.44～0.56倍坝高）范围内最大沉降量为619～866 mm。

坝0+340.000和坝0+419.970两监测断面最大沉降量均出现在坝轴线0+0.0处。

故可将面板堆石坝水管式沉降仪布设于约0.44～0.56倍坝高处，将沉降测斜管布设于坝轴线0+0.0处。

5 结语
丰宁面板堆石坝施工期稳定性良好，沉降量主要受坝体填筑速率的影响。

沿垂直于坝轴线方向最大沉降量均出现在坝轴线处，沿高程方向最大沉降量均出现1/2坝高偏下处。

沿垂直于坝轴线方向坝体沉降基本对称于坝轴线分布，沿高程方向坝体沉降呈中间大、两头小的分布规律。

如若布置水管式沉降仪于1/2坝高偏下处，沉降测斜管于坝轴线处，可避免监测仪器布置缺少针对性等问题。

参考文献：
【相关文献】
[1]赵程,彭正权,何金平.龙背湾水电站面板堆石坝内部沉降特性分析[J].水电能源科
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[3]刘正国,周苏波.瑞烊二级水电站大坝施工阶段安全监测资料分析[J].浙江水利科技,2004(2):56-58.
[4]邢万鹏,张林洪,靳娟娟,等.某水库混凝土面板堆石坝安全监测资料分析[J].科学技术与工
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