黄河万家寨水利枢纽：安全监测资料分析成果

万家寨水利枢纽工程自1995年开始浇筑坝体混凝土，随着混凝土浇筑大坝安全观测仪器逐渐埋入，并陆续取得了大量的观测资料，仪器最长工作时间达5年之久。1998年水库下闸蓄水前，大部分观测项目已经完成并取得初始值，但个别观测项目仍在完善之中，如坝顶大气激光准直线、坝基、坝体渗漏量观测。此处大坝安全监测资料整理与分析的时段为资料初始值取得至2001年2月底。资料分析工作的主要内容包括大坝变形、坝基扬压力、渗流、应力应变及温度观测等。

（一）变形观测资料分析

1.坝顶视准线

视准线布置在坝顶桩号下0+017.185m 处，共21 个测点。视准线以1 号、22 号坝段正、倒垂线组测得的坝顶绝对位移作两端点变形基准，而1 号坝段正、倒垂线组因各种原因没有连续完整的测值，本次分析也无法换算出坝顶绝对水平位移的连续测值，仅通过外部变形观测控制网5 次测量结果，计算出坝顶1 号、22 号坝段测点的绝对位移后，根据相同或相近测时视准线及引张线测量结果，换算出各测点4个测时的绝对位移，并作出绝对位移沿坝段的分布图。因换算出的绝对位移测次太少，本次只能重点分析各坝段的相对水平位移。

视准线始测日期为1998年10月16日，观测结果表明，各测点测值和单一的水位或气温的变化关系不是很明显，而是受两者综合作用的结果。当库水位升高时，坝顶水平位移向下游增大，反之减小；当气温升高时，坝顶水平位移向上游增大。在2000年7月下旬，因水位明显降低，且气温明显升高，两者的综合作用下坝顶水平位移偏向上游。坝顶水平位移分布呈河床坝段大，边坡坝段小的趋势。其中，向下游最大位移出现在2000年2月19日的11 号坝段，最大位移值为13.02mm；最小位移出现在1999年2月20日的3 号坝段，最小位移为-3.14mm；最大变幅发生在11 号坝段，为15.24mm；各测点变幅为2.10～15.24mm。

2.高程975.00m 观测廊道引张线

引张线布置在高程975.00m 观测廊道桩号下0+013.45m 处，共21 个测点。引张线两端也以1号、22号坝段正、倒垂线组测值为基准，因垂线的原因，本次也只重点分析引张线各测点的相对位移。

引张线始测日期为1998年10月12日，观测结果表明，各坝段测值随水位和气温综合影响变化趋势明显，当库水位升高时，各测点水平位移向下游增大，反之减小；当气温升高时，各测点水平位移向上游增大。所有测值在1999年3月中旬、2000年4月下旬、2000年7月下旬均有一明显的突变过程，这主要是因为在该时段水位有较大幅度变化，且气温也有一定的升降，两者的综合作用，造成各测点水平位移的变化。其中，向下游最大位移出现在2000年4月26日的11 号坝段，最大位移为11.37mm；最小位移出现在1998年10月26日的9 号坝段，最小位移为-1.60mm；最大变幅为11 号坝段的11.37mm；各测点变幅为2.05～11.37mm。

3.坝顶垂直位移

坝顶垂直位移采用精密水准测量方法定期观测，每个坝段布置一个沉陷标点，共23 个测点。坝顶垂直位移从1998年10月2日始测，从坝顶垂直位移过程线可以看到，测值随气温变化较随水位变化规律明显，测值随气温呈周期变化，气温上升，垂直位移减小，主要是因为坝体下游面在日照条件下，气温升高时，下游面升温膨胀，致使坝体向上游倾斜，坝顶下游垂直位移测点处上升。同时坝顶垂直位移沿坝段分布呈河床坝段大、边坡坝段小的规律。

对坝顶各测点实测垂直位移的统计：最大位移出现在2000年2月17日的16 号坝段，最大位移为12.02mm；最小位移出现在1999年9月9日的17 号坝段，最小位移为-0.67mm；最大变幅发生在16 号坝段，为12.02mm；各测点变幅为5.31～12.02mm。从统计结果来看，各测点垂直位移最大值均出现在2、3月份，主要因为该时段气温较低，坝顶垂直位移随气温下降而增大。

4.坝基垂直位移

坝基垂直位移通过埋设在灌浆廊道内的沉陷标点，采用精密水准测量方法进行观测，每个坝段一个测点，共22 个标点。通过14 号、22 号坝段高程传递孔（或正倒垂孔），采用因瓦钢尺进行高程传递。

坝基垂直位移从1998年10月2日始测，坝基垂直位移过程显示，测值变化不够平滑，测量精度较差，各坝段测值回归方程的相关系数均不大，正好说明了这一点。测值过程线与水位、气温关系不明显，但过程线总体呈上升趋势，说明坝基垂直位移随时间仍有增大趋势，坝体沉降尚未稳定。

对坝基各测点实测垂直位移的统计：最大位移出现在1999年7月25日的14 号坝段，最大位移为7.32mm；最小位移出现在2000年10月26日的1 号坝段，最小位移为-5.49mm；最大变幅发生在1 号坝段，为7.44mm；各测点变幅为3.23～7.44mm。因测量精度较差，测值不够平滑，上述测值不一定真实，1 号坝段出现的负值，也可能是因为坝体受轴向力的影响有一定的倾斜。

坝基垂直位移主要受自重、水位等的影响，其沿坝段的分布规律也呈河床坝段大、边坡坝段小，与大坝体型相一致。

5.坝体挠度

坝体挠度通过设在1 号、7 号、14 号、22 号坝段的正、倒垂线组进行观测，共计布置测点15 个。

坝体挠度观测从1998年9月30日开始，从测值过程线可以看到，坝体垂线测值较差，现场检查表明：7 号坝段倒垂垂线贴壁，造成测值失真，其他坝段是否也有此种情况，有待进一步查实。而1 号坝段由于各种原因测值较少，新增的倒垂又刚投入运行不久，测值不连续，从而无法进行深入分析。

（二）渗流观测资料分析

1.坝基扬压力

为了掌握坝基扬压力的实际分布，监测各坝段的运行情况，在每个坝段主排水孔后布置一个扬压力观测孔，共20 孔，每个观测孔深入建基面以下1.0m。另外在6 号、10 号、15号、18 号坝段各布置一个深层观测孔，共4 孔，深入张夏组第三层（∈2Z3）分别为3.0、8.0、8.0、3.0m，以观测张夏组第三层（∈2Z3）的承压水头变化情况。并根据各坝段地质条件，选择5 个横向坝基扬压力观测断面，依次为：2 号坝段的横向廊道（桩号：坝0+084.00m）；5 号坝段的横向廊道（桩号：坝0+138.50m）；11 坝段的横向廊道（桩号：坝0+249.00m）；14 号坝段的横向廊道（桩号：坝0+323.00m）；20 号坝段的横向廊道（桩号：坝0+446.50m）。在每个横向观测断面上布置4 个以上观测孔，共35 孔，每个观测孔深入建基面以下1.0m。

观测资料显示，测值受施工干扰较多，测值精度较差，扬压力测压管测值过程线无规律性变化，扬压力与库水位关系也不明显，统计出的特征值不能反映完全真实情况。

2 号、5 号、11 号、14 号、20 号坝段部分横向扬压系数分布，反映出横向扬压力在防渗帷幕和主排水孔附近有一折减，之后扬压力逐渐减小的规律。

2.坝体渗透压力

在5 号、14 号坝段观测断面高程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。渗压计布置在混凝土浇筑分层施工缝上或两个施工缝之间水平截面的中心线上。

资料显示，温度测值规律性较强，呈初期变幅大，其后变幅逐渐减小的明显年周期变化，1998年10月水库蓄水后，温度变化更加平缓；同时，由于测点埋设的位置不同，测得的混凝土温度较外界气温变化有明显的滞后，距坝面越远，其温度变化滞后的时间越长。

渗压测值表明，除5 号坝段高程906.00m 处2 支渗压计受施工缝渗水的影响，测得的渗压与库水压力相近，最大值为-0.47MPa 外，其他测值随时间变化不大，渗压在-0.06MPa以内变化，说明坝体混凝土密实性较好。

（三）应力、应变及温度观测资料分析

1.坝体应力

万家寨水利枢纽大坝的坝体应力通过布置在5 号、14 号、21 号坝段的5 向应变计组进行观测。其中，5 号坝段6 组，布置在高程899.00m；14 号坝段9 组，布置在高程899.00m；21号坝段10组，分别为高程912.00m布置5组、高程942.50m布置3组、高程951.00m布置2 组。共计布置5 向应变计组25 组。

应变计组主应力过程线和温度过程线显示，混凝土浇筑后，随着水化热的产生，混凝土温度升高，压应力减小，之后混凝土温度降低，压应力增大。当混凝土散热稳定后，应变计组应力变化与该点的温度变化相对应，呈明显的年周期变化。

除初期部分仪器测值不稳定，应变计组出现了较小的拉应力外，坝趾及坝踵部位混凝土实测应力均为压应力，且应力呈稳定的年周期变化，没有出现拉应力的趋势，这表明万家寨水利枢纽大坝断面设计合理，大坝运行安全。(www.xing528.com)

2.缝面开合度

为了解大坝因温度、水压、不均匀沉陷等引起的各种接缝开合情况，在5号、14号、21号坝段各条纵横缝及左、右岸坡坝段（1～3号、20～22号坝段）的横缝布置测缝计，在坝踵与基岩结合处、两坝肩混凝土与基岩接缝处布置测缝计。

横缝开合度过程线及开合度与温度相关图显示，横缝开合度与温度均呈明显的年周期变化，即横缝在升温时缝面闭合，降温时缝面张开。但横缝开合度变化受库水位影响不明显，从现有测值看，开合度尚没有随时间增大的趋势。横缝缝面开合度变幅最大在1号、2号及2号、3号坝段之间，为2.5mm，缝面最大开度也在2号、3号坝段之间，为2.93mm。

纵缝开合度与温度也呈明显的年周期变化，在升温时缝面闭合，降温时缝面张开。测得的缝面开合度变幅最大在5号坝段第二条纵缝上，1.5mm，缝面最大开度在14号坝段第二条纵缝上，为1.97mm。

坝踵部位混凝土与基岩接触面测值显示，该接触缝均处于闭合状态，最大闭合度为-0.2mm，表明坝体与基岩接触面胶结良好。1999年7月底至8月初库水位从961.55m升至966.00m 左右时，14号、21号坝段坝踵部位接触面闭合度有一减小现象，说明库水位的升高对坝踵接缝有一定影响，但接触缝面仍处于闭合状态。从工程蓄水至2001年2月底，库水位最高曾达970.45m，未发现坝踵处有张开现象。

压力钢管与混凝土之间缝面开合度与温度也呈明显的年周期变化，在升温时缝面闭合，降温时缝面张开。测得的缝面最大开度在压力钢管下弯段，为1.07mm。但实测钢板应力并未增大，可能该测缝计测值仅反映局部情况。其余测值显示接缝均闭合，说明采用低热微膨胀混凝土达到了预期效果。

3.钢筋应力

为了解底孔孔口及闸墩受力情况，在5号坝段坝0+134.50m断面，即底孔轴线上布置了17支钢筋计；为了解压力钢管工作性态，选择14号坝段压力钢管的3个断面，每个断面布置了4个测点（上、下、左、右），每个测点各布置1～3支钢筋计；同时在9号坝段排水泵房顶拱及底板处布置了4 支钢筋计。

钢筋应力过程线及应力与温度相关图显示，应力随气温呈年周期变化，混凝土内温度升高，拉应力减小，或压应力增大；温度降低，拉应力增大，或压应力减小。

5 号坝段底孔孔口顶、底板处钢筋拉、压应力在水库蓄水前后均不大。拉应力最大值49.77MPa；压应力最大为-76.01MPa；5 号坝段闸墩扇形筋拉应力最大值为31.08MPa。

9 号坝段排水泵房顶拱、底板钢筋拉、压应力均不大，最大拉应力值为27.86MPa，最大压应力值为-26.00MPa。水库下闸蓄水后，测点处温度及钢筋应力变幅减小，温度及应力相对稳定。

14 号坝段压力钢管均为钢管底部钢筋拉应力最大，最大拉应力值为90.77MPa；同时在温度与自重荷载作用下钢筋应力呈规律性变化，钢管充水后，钢筋应力相应增大，与设计基本相符。

4.钢管应力

为了解钢管的应力状态，选择了压力钢管上弯段、斜直段、下弯段3个观测断面，分别在压力钢管观测断面上、下、左、右各布置相互垂直的2支钢板计，共计24支。

钢板计实测钢板应力过程线显示，钢管应力与温度呈年周期变化，温度降低，拉应力增大。钢管充水后，顶部钢管应力最大，侧部次之，底部最小，顶部拉应力最大值为113.97MPa，与计算值基本吻合，表明断面钢板计实测应力较为合理地反映了浅埋式压力钢管的受力形态。

5.基岩变位

在左、右岸边坡坝段，为了监测坝体和基岩的结合情况，布置有基岩变位计。

变位测值显示，坝体混凝土浇筑后，基岩受坝体自重及温度、水荷载等的作用，岩石产生一定的压缩变形，且变形量均不大，变形相对稳定。其中，1号、20号坝段底部岩体有一定的压缩变形，回弹量最大为-0.5mm，其他均为岩石回弹变形，最大变形量为1.0mm。

6.坝基温度

为了了解基岩内部的散热情况，在坝体与基岩接触部位，即坝踵、坝趾及基岩中部，在基岩不同深度，沿铅直方向距基岩面0.0、1.5、3.0、5.0m 埋设温度计，进行观测。

基岩温度过程线显示，混凝土浇筑后，受混凝土水化热的影响，基岩内温度迅速升高，且越接近基岩面处升温越快，温度最高值也出现在最上面的温度计，最高温度为24℃左右；之后温度慢慢下降，最后年平均温度稳定在12℃左右，呈年周期小幅度波动，波动幅度为7℃左右。

1998年10月水库下闸蓄水后，随着库水位的上升，坝踵处的基岩温度计实测温度进一步降低，最后稳定在10℃左右，而坝基中部及坝趾处基岩温度受水库蓄水影响较小。

7.坝体温度

为了解由于坝体自身水化热、水温、气温及太阳辐射等因素对坝体温度的影响，了解坝体温度的分布，在5号、14号、21号坝段内部埋设了电阻温度计，各观测断面依据高程的不同，每隔10.0～15.0m 布置一排，每排布置3～5 个测点。

实测温度过程线显示，坝体内部各测点温度在混凝土浇筑后受水化热的影响而产生温升现象，并达到最高温升，随着自然散热和人工冷却，坝体降温至稳定温度，此后坝体温度在一定的范围内呈年周期变化，这与大体积混凝土内部温度变化规律相吻合。少数测点夏季由于气温较高，混凝土浇筑初始温度也较高，最高到42℃左右。但大部分温度计实测温度的混凝土初期最高温度都在设计允许的范围之内（设计允许最高温度值，6～8月为38℃，4、10月为27℃，5、9月为32℃），说明万家寨大坝混凝土浇筑时总体温控措施效果较好，基本达到了防止和减少裂缝的目的。

在坝体下部混凝土浇筑较早的部位，稳定后的温度基本在11～13℃范围内变化，符合理论计算的坝体各点稳定温度在7.0～13.3℃的结果，实测值与设计理论值完全吻合。

8.下游坝面温度

为了解混凝土的热传导性能，在坝面温度测点的位置，沿水平方向距坝面不同深度处，布置一排表层温度测点（间距10、20、40、60cm），埋设温度计进行观测。

实测温度过程线显示，下游坝面表层测点温度随外界气温呈周期性变化，但变化幅度较气温明显减小，且愈往坝体内部温度变化幅度愈小。同时，混凝土温度变化滞后于气温，内部愈深处滞后时间愈长。

9.坝前水温

水温观测选择5号、14号、21号坝段，在距上游坝面5～10cm处的混凝土内布置电阻温度计进行观测。

从实测资料看，在水库的不同深度测得的水温变化规律差别较大。水下较深的水温计，从1998年10月水库蓄水后，测点温度保持在8～12℃左右，温度相对气温有滞后现象，且滞后时间为半年左右，可能是测点处水库泥沙淤积使温度滞后时间加长；而埋设位置相对较高的水温计，温度变幅大很多，特别是夏季，水温最高可达23℃左右。这与水库蓄水后两年在开河流凌期大幅度降低水位有关。