高拱坝水垫塘运行期监测成果分析——以溪洛渡水电站为例

第51卷增刊（2）2020年12月
人民长江Yangtze Ｒiver Vol．51，
Supplement （Ⅱ）Dec．，2020
收稿日期：2019－05－27
作者简介：李端有，男，教授级高级工程师，主要从事水利工程监测技术及方法研究工作。

E －mail ：lidy@mail．crsri．cn
文章编号：1001－4179（2020）S2－0329－05
高拱坝水垫塘运行期监测成果分析
———以溪洛渡水电站为例
李端有
1，2，3
，叶斌
1，2，3
，李波
1，2，3
（1．长江科学院工程安全与灾害防治研究所，湖北武汉430015；2．长江科学院水利部水工程安全与病害防治
工程技术研究中心，湖北武汉430015；
3．长江科学院国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉430015）
摘要：水垫塘是高拱坝最重要的泄洪消能建筑物之一，监测仪器可有效监控水垫塘的工作状态。

以溪洛渡高拱坝为例，
根据监测资料对水垫塘的内部变形、应力应变及渗流渗压的规律进行了全面分析。

结果表明：水垫塘内部变形及应力应变与温度及水垫塘塘内水位具有较强的相关性，
其渗流渗压状态则与大坝泄洪状态及水垫塘内水位相关；水垫塘在运行期内部变形、应力应变及渗流渗压的发展过程及特征符合一般认知规律，状态正常。

研究成果可供大坝安全运营管理人员参考。

关
键
词：水垫塘；安全监测；内部变形；应力应变；渗透压力；渗流量；溪洛渡水电站
中图法分类号：TV861
文献标志码：A
DOI ：10．16232/j．cnki．1001－4179．2020．S2．083
近年来随着我国经济的发展，一大批高拱坝陆续修建成功或者正在建设，
如二滩（240m ）、锦屏（305m ）、构皮滩拱坝（233m ）、拉西瓦拱坝（250m ）、白鹤
滩拱坝（289m ）等［1］。

水垫塘作为下游河床的主要防
护设施，
其自身的安全性是实现消能和防冲的关键。

由于高拱坝坝身泄洪孔与水垫塘较大的高程差所带来的高速水流对水垫塘造成巨大冲击，
其水垫塘的安全性能愈发值得关注。

国内外多位学者通过数值算法及模型试验对高拱坝水垫塘的安全监测指标和消能机制进行了深入研究，
李爱华等［2］
通过研究水垫塘在大冲
击力条件下的水垫塘底板的脉动压力传播机制，得到了一种新的计算冲坑深度的方法。

徐根海
［3］
对水垫
塘底板的动力特性及不同类型底板的动力安全性能进行了研究，比较了不同类型水垫塘底板的动力特性。

王英奎等
［4］
对水垫塘的消能机理及水力学参数进行
研究，总结了对水垫塘安全性能有较大影响的水力学参数。

吴中如
［5］
，何金平
［6］
提出了监测资料整理整编
和初步分析方法，
水工建筑物安全监控模型建立、监控指标拟定和反分析方法，
以及大坝安全监测系统综合评价的基本方法。

为了评价高拱坝水垫塘的安全性，本文以溪洛渡水电站为例，对其运行期内部变形、应力
应变及渗流渗压的实测数据进行了详细分析。

1工程概况
溪洛渡水电站位于金沙江下游的峡谷段，是一座
以发电为主，
兼有拦沙、防洪和改善下游航运条件等综合效益的巨型水电站。

水电站正常蓄水位600m ，总装机容量13860MW ，
混凝土拱坝坝顶高程610．00m ，建基面开挖高程324．50m ，最大坝高285．50m ，壅
水高度超过230m ，
设计洪峰流量43700m 3
/s ，校核流量52300m 3
/s ，泄洪功率达到100GW ，为我国目前泄洪功率最大的二滩水电站的2．5倍
［7－10］。

该工程水垫塘采用底部倒角的复式梯形断面，
在360m 高程处设有平台，
底宽60m ，底板顶高程340m ，底板厚4m 。

二道坝为重力坝，布置于水垫塘末端，坝顶高程386
m ，顶宽4．8m ［11］。

2内部变形监测资料分析2．1
裂缝及结构缝监测资料分析
水垫塘安全监测原布置221支测缝计监测原有裂
缝及结构缝变形情况，
后因二期廊道衬砌施工拆除了位于廊道内的部分测缝计，
现剩余103支表面测缝计位于
人民长江2020年
爬坡廊道及水垫塘二道坝底板，用于测量水垫塘混凝土
表面裂缝及结构缝的开合度、
水平错动及垂直错动。

左右岸爬坡廊道内的测缝计，除个别测点因碰动较大外开合度和位错较小，
至2019年1月10日累计变化量大多在ʃ2．0mm 以内，
最大开合度为3．45mm ，最大垂直位错为1．75mm ，最大水平位错为1．65mm ；水垫塘底板结构缝开合度、垂直错动、水平错动累计最大变化量为－2．06mm ；二道坝横缝开合度、
垂直错动、
水平错动累计最大变化量为－1．94mm 。

如图1所示，水垫塘裂缝及结构缝存在张合错动变化，
但量级较小，其中，开合度和水平错动与温度呈较为明显的负相关关系，
有一定的周期性变化，垂直错动较为平稳，
无明显波动。

总体上，水垫塘表面测缝计的张合错动变化主要受温度影响，
与塘内水位等检修泄洪因素关系不明显。

图1
水垫塘典型表面测缝计开合度与温度变化过程线
2．2混凝土内部裂缝及位错监测资料分析
水垫塘新增34支混凝土内测缝计及34支位错
计，
主要埋设于左右岸355m 廊道内二期衬砌区域施工缝部位，
以监测二期衬砌施工缝开合度及垂直错动变形情况，
各测点于2016年5月取得基准值。

左右岸355m 廊道测缝计累计开合度基本表现为压缩变形，
至2019年1月10日混凝土内测缝计测值为－5．94 0．29mm ，
抽水期间变化量为－0．18 1．86mm ，充水期间变化量为－1．24 0．17mm ，与表
面测缝计类似，
混凝土内测缝计的开合度变化与温度变化呈负相关关系，
典型仪器过程线如图2所示。

截至2019年1月10日，左右岸355m 廊道位错计日累计错动量为－2．83 5．83mm 。

历次维护检查期间，
左右岸355m 廊道位错计发生较大变化，抽水期间表现为错动增大，
此次变化量为－0．02 5．80mm ；充水期间位错计表现为错动减少，此次变化量为
－3．66 －0．01mm 。

由于检修期间塘内水位变化引起左右岸廊道结构受力发生变化，
位错计的错动与塘内水位表现出较为明显的负相关关系，典型仪器过程线如图3所示。

图2
水垫塘355m 廊道典型混凝土内测缝计
开合度与温度变化过程线
图3
水垫塘355m 廊道典型混凝土内位错计
位错量与塘内水位过程线
3应力应变监测资料分析3．1
锚索荷载监测资料分析
水垫塘新增21台锚索测力器，于2016年5月启
用，
其中11台位于左右岸360．3m 高程，10台位于左右岸356．5m 高程，
现存8支有效仪器均位于356．5m 高程。

锚索设计荷载1500kN ，按70%锁定（1050kN ），锚索与水平面成50ʎ角。

截至2019年1月10日，水垫塘边坡锚索测力器荷载为1216．17 1351．04kN ，锁定后锚索均呈增长状态，
增长率为7．63% 29．00%。

水垫塘锚索荷载与塘内水位有一定关系，抽水后
多数锚索表现为荷载降低，
充水后多数锚索表现为荷载增加，
在维护检查期间锚索荷载波动较大，其他时间荷载较为稳定。

这主要是由于水垫塘新增锚索荷载埋设于水垫塘356．5m 高程边坡，
紧靠360m 平台，抽水期间水位下降，
锚索上方平台承受静水压力减少，锚索承担的荷载减少，
充水期间，水位上升，锚索承担荷载增加，
其典型仪器过程线如图4所示。

水垫塘锚索荷载与温度关系良好，在非维护检查期大体呈负相关关系且较为稳定，
抽水后由于温度与荷载波动较大，
关系不明显，典型仪器过程线见图5。

3．2锚杆应力监测资料分析
在水垫塘建设期间，水垫塘左右岸边坡（坝0+
126．7，0+187．5）布置单点锚杆应力计9支，水垫塘底板布置两点锚杆应力计6套，
仪器自2009年12月启0
33
增刊（Ⅱ）李端有，等：高拱坝水垫塘运行期监测成果分析———以溪洛渡水电站为例用。

2016年4月新增8套锚杆应力计，布设于355m
廊道底板二期回填混凝土底板竖向锚筋束中。

图4
水垫塘典型锚索荷载与塘内水位过程线
图5水垫塘典型锚索荷载与温度变化过程线
截至2019年1月10日，水垫塘左右边坡及355m 廊道锚杆应力为－38．09 110．98MPa ，水垫塘底板锚杆应力在－96．12 41．76MPa 之间。

与锚索规律相反，锚杆应力在抽水期间表现为压应力减小（即拉应力增加），
此次抽水期间变化量为3．80 140．60MPa ；充水期间锚杆应力表现为压应力增大（即拉应力减小），此次变化量为－71．30 －4．95MPa ，
这是由于锚杆应力计均是竖向埋设，
且均位于水垫塘底板或360m 平台下方，抽水会导致其竖向静水压力减少，锚杆承受的砂浆压力随之减少，
充水则相反。

由图6 9可知：水垫塘锚杆应力变化与塘内水位呈明显负相关关系，
且在维护检查期间塘内水位变化时发生明显波动，
同时与温度也有一定的负相关关系。

3．3钢筋应力监测资料分析
水垫塘共布设8支钢筋计位于二期回填混凝土顶部横向结构钢筋处，
于2016年5月完成埋设并取得基准值。

截至2019年1月10日，
钢筋应力为－21．52 －0．22MPa ，钢筋应力均为压应力，这主要由于钢筋计埋设于建筑回填混凝土期间，
混凝土水化热升高，钢筋伸长受到凝固的混凝土约束所致。

钢筋计在水垫塘抽水期间应力主要表现为压应力增大，
此次抽水期间变化量为－1．89 0．62MPa ，
充水期间主要表现为压应力减少，
变化量为－0．60 3．35MPa ，规律表现与锚杆应力计相反，
这主要是由于钢筋计位于回填混凝土横向结构顶部且均为横向埋设，
塘内水位下降，360m 平台静水压力减少，导致顶部横向结构需要承受更多的压力（往
塘内方向），
从而使其钢筋压应力增大，在塘内水位上升时压力减少，
压应力随之减少。

此外钢筋应力变化还受温度影响，
大致呈负相关关系，但其应力值在维护检查期间波动较大，
其他时间较为平稳，典型钢筋应力与温度及塘内水位过程线如图10 11所示。

图6水垫塘355m
廊道典型锚杆应力与塘内水位过程线
图7
水垫塘355m
廊道典型锚杆应力与温度过程线
图8
水垫塘底板典型两点式锚杆应力与塘内水位过程线图9
水垫塘底板典型两点式锚杆应力与温度过程线
4典型监测断面监测资料综合分析
由于水垫塘埋设仪器众多且分布较为分散，现选
取水垫塘0+186．0（顺水流方向）断面附近的仪器（包括4支混凝土内测缝计、
4支混凝土内位错计、1支钢1
33
人民长江2020年
筋计、
1支锚索测力计和1支锚杆应力计）进行综合分析。

典型断面各类仪器埋设情况如图12所示。

图10
水垫塘典型钢筋应力与塘内水位过程线
图11
水垫塘典型钢筋应力与温度过程线
图12
典型断面仪器埋设情况
截至2019年1月10日，测缝计累计开合度为－3．66 －0．83mm ，此次维护检查抽水期间开合度变化为0．25 1．79mm ，
充水期间开合度变化为－0．89 －0．47mm ；位错计累计位错量为2．20 4．36mm 。

钢筋计应力为－19．72MPa ，抽水期间应力减少1．8MPa ，
充水期间增加1．96MPa ；锚索测力计荷载为1227．79kN ，
抽水期间荷载减少12．72kN ，充水期间增加34．07kN ；锚杆应力计应力为－48．45MPa ，抽水期间应力增加31．64MPa ，充水期间减少11．44MPa 。

由图13可知：测缝计开合度与锚杆应力具有较好的正相关性，
锚杆压应力增加开合度减少，锚杆压应力减少开合度增加，
符合结构应力应变变化特性。

由图14 15可知：锚杆应力与混凝土内位错计位错量在抽
水、充水及非维护检查期间有明显相关性，但锚杆应力在抽水完毕后持续下降，
而位错计位错量继续增加，两者在水垫塘排干期间表现出相反的趋势，
这是因为抽水完毕后荷载不再变化，
位错量受到温度影响，两者具有强相关性，
即位错量的变化是受水压与温度的联合影响。

由图16可知：锚索荷载与钢筋应力变化具有很强的正相关性，
规律性良好，在非维护检查期测值稳定，
在维护检查期有一定波动但仪器过程线整体稳定性较好。

总体而言，该断面的各类仪器成果具有较强的相关性，
监测数据变化规律相互印证，符合水垫塘内部变形及应力应变变化情况的一般规律。

图13
水垫塘典型混凝土内测缝计开合度与
锚杆应力过程线
图14
水垫塘典型混凝土内位错计位错量与
锚杆应力过程线
图15
水垫塘典型混凝土内位错计位错量与
温度过程线
5渗流渗压监测资料分析5．1
渗压监测资料分析
在水垫塘左、右岸边坡、
355m 的廊道及水垫塘底板和二道坝共计埋设53支渗压计（5支失效），
埋设于2
33
增刊（Ⅱ）李端有，等：高拱坝水垫塘运行期监测成果分析———以溪洛渡水电站为例水垫塘左右岸边坡及355m 廊道的渗压计大部分渗压
水头为0，
仅有左、右岸413m 高程平台的数支渗压计水头大于0。

2019年1月10日，
渗压计读数为2．27 8．01m ，历次维护检查期间变化量均不超过2m 。

水垫塘底板及二道坝的渗压水头相对较大，
其中水垫塘底板的累计渗压水头为8．16 10．68m ，
历次维护检查期间水头变化均不超过1m ，
二道坝的累计渗压水头为6．76 44．08m ，此次维护检查期间水头变化量为－0．83 7．90m。

图16
水垫塘典型锚索荷载与钢筋应力过程线
总体而言，由于大部分水垫塘渗压计读数稳定，与
上下游水位及塘内水位关系均不太明显，
但二道坝底板渗压计渗压水头相对变化较大，
如图17所示，其典型仪器渗压水头变化与出库流量呈一定的正比例关
系。

由于水库经发电机组的出库流量较为稳定，出库流量波动主要是由大坝坝身泄洪孔向外泄洪所导致，
出库流量在一定程度上反映了大坝的泄洪情况，因此水垫塘二道坝的渗透水头在很大程度上受大坝泄洪所产生的巨大冲击压力影响。

图17水垫塘典型渗压水头与出库流量过程线
5．2渗流监测资料分析
在水垫塘各横向廊道、排水洞及爬坡廊道尾端共布
置33个量水堰，
其中2个失效，2015年年初全部安装完成，
获得了左右岸爬坡廊道、水垫塘底板、1号排水洞、2号排水洞、二道坝排水廊道及水垫塘总渗漏量。

根据量水堰监测成果，可得到水垫塘总渗流量过程线（其中2016年4月16日 6月5日量水堰被封堵，
2018年3月22日 5月21日施工抽水，无数据）。

由图18可知，其变化规律与出库流量成正比例关系，即水垫塘渗流量受泄洪影响。

本文共统计了2015年8月26日至2018年7月
15日之间大坝汛期共159次水垫塘总渗流量监测值与泄洪状态，
并根据坝身泄洪情况进行分类对比（见表1）。

由表2数据可知，
水垫塘总渗流量在泄洪工况下比未泄洪工况下有较大提升，
且基本随着坝身泄洪开孔的数量逐步提升。

图18水垫塘总渗流量与出库流量过程线
由于水垫塘维护检查期一般处于12月至次年6月的非泄洪期，本文亦统计了历次维护检查期间抽水
及充水期间水垫塘各部位的渗流量变化，
以反映水垫塘总渗流量在非泄洪期的变化规律及其影响因素。

如表2所示，
水垫塘渗流量在抽水期间基本呈减少趋势，在充水期间基本呈增加趋势，与塘内水位呈正比关系。

表1
水垫塘总渗流量与泄洪情况统计
泄洪情况天数/d
水垫塘总渗流量平均值/L /min 天数占比/%
未泄洪627027．6838．99
1孔泄洪298009．6918．242孔泄洪338123．6620．753孔泄洪198594．3311．954孔泄洪158399．679．435孔泄洪
1
9479．89
0．63
表2
水垫塘历次维护检查各部位渗流量统计
L /min
维护时间
二道坝
纵1排水洞
纵4排水洞
底板1号排水洞2号排水洞总渗流量一次维护抽水期间－35．16－60．03－434．54
－917．55－－－1447．23充水期间－54．47－0．8623．88327．50－－296．05二次维护抽水期间
0．85
－7．66－46．55176．64110．49－386．80－153．01充水期间137．20
1．07144．80－495．57259．96782．55830．00三次维护抽水期间－11．96
0．3021．60－268．52195．76205．58142．77充水期间119．390．00
221．53
1110．98236．46－154．421533．93四次维护抽水期间
29．32
－9．10－171．22－1196．99－574．62
15．92－1906．68充水期间115．0422．05267．24
804．2070．83312．281589．23五次维护抽水期间－30．71－25．84－198．44
－740．05－73．10
45．39－1022．75
充水期间171．03
0．00102．67540．34
321．14
120．71
1255．89
6结论
根据该高拱坝水垫塘各类仪器的实际监测成果，
分析水垫塘的内部变形、应力应变及渗流渗压特性，主要有以下结论。

（下转第379页）
3
33
增刊（Ⅱ）吴启凡，等：无人机航测技术在水库移民征迁安置中的应用
240．
［8］黄文锋，余振强．基于无人机航测的区域场景快速三维建模实现［J］．河南科技，2017（17）：24－26．
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［13］李颀．基于倾斜摄影技术在农村房屋权籍调查测量中的应用［J］．测绘与空间地理信息，2016，39（6）：182－183，186．
（编辑：黄文晋）
引用本文：吴启凡，余琳，李雪，等．无人机航测技术在水库移民征迁安置中的应用［J］．人民长江，2020，51（增2）：
櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
376－379．
（上接第333页）
（1）水垫塘的表面测缝计及混凝土内测缝计、位错计测值变化量级较小，其变化趋势与温度及维护检查期间的塘内水位有较为明显的相关关系，符合内部变形的规律。

（2）水垫塘应力应变与塘内水位关系明显，主要由于水位变化导致水垫塘边坡及底板的静水压力变化，从而导致锚索等仪器的荷载发生相应变化，表现出明显的规律性。

同时，应力应变与温度也表现出一定的相关性。

（3）水垫塘的渗压较为稳定，与上游水位无明显关系，说明了大坝防水帷幕的效果良好。

同时其渗压计及渗流量与出库流量的正相关关系，说明水垫塘的渗流渗压受泄洪的影响较大，同时，其在维护检查期也在一定程度上受塘内水位的影响。

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（编辑：胡旭东）
引用本文：李端有，叶斌，李波．高拱坝水垫塘运行期监测成果分析：以溪洛渡水电站为例［J］．人民长江，2020，51（增2）：329－333，379．
973。