辽宁参窝水库大坝位移监测案例分析

文章依据辽宁省参窝水库大坝多年安全监测资料，分析了大坝水平位移、垂直位移以及坝基扬压力分布规律。其特殊的分布规律，对北方高寒地区多裂缝混凝土重力坝具有一定借鉴意义。

                               
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1 程概况

参窝水库位于辽宁省辽阳境内太子河干流上，坝址以上流域面积6175km2，年径流量24.5亿m3，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、工业用水，并结合供水进行发电等综合利用的大(II）型水利枢纽。最大库容7.91亿m3。

大坝为混凝土重力坝，由挡水坝段、溢流坝段、电站坝段三部分组成，大坝全长532m，共31个坝段，其中：1~3号(右侧）和22~31号(左侧）坝段为挡水坝段，长217.3m；4~18号为溢流坝段，长274.2m；19~21号为电站坝段，长40.5m。坝顶高程103.50m，最大坝高50.3m。

2 监测概况

至目前为止，参窝水库仍能继续观测工作的观测项目有：坝顶水平位移、坝顶垂直位移、基础扬压力及渗流量四项。

3 位移监测分析

3.1 水平位移监测分析

参窝水库大坝共分31个坝段，除1~3号、19号、22号、29~31号坝段外，其他坝段坝顶各设置一个变形标点，共设23个观测点。参窝水库大坝坝顶真空激光准直系统，于2002年8月开始施工，2003年8月开始试运行，2004年8月正式投入使用。水平位移符号规定：向下游为正，向上游为负。

1）大坝水平位移总体呈年周期性变化，其测值与库水位变化呈正相关关系，库水位升高，坝顶向下游位移增大，测值增大；库水位降低，坝顶向上游位移增大，则测值减小。

2）温度变化是大坝水平位移的主要影响因素，与温度呈负相关变化。温度降低，测值增大；温度升高，测值减少。一般每年的12月至次年3月份出现向下游位移较大，每年的6至10月份出现向上游位移较大，尤其是两岸坝段受气温的影响更为明显。这主要是由于下游坝面混凝土温度变化受气温影响的灵敏程度比上游坝面高。根据混凝土热胀冷缩的原理，当温度升高时，下游坝面混凝土温度比上游坝面温度高，坝体向上游位移；当温度下降时，下游坝面混凝土温度比上游坝面温度低，坝体向下游位移。

3）大部分坝顶水平位移有向上游位移的变化趋势，尤其是两岸挡水坝段，这与常规地区混凝土重力坝受水荷载作用下向下游位移变化一般性规律相反。究其成因是由于冻融作用造成的。参窝水库修建于文革时期，坝体混凝土浇筑质量较差，温控措施不力，加之参窝水库地处北方严寒地区，冬夏温差及昼夜温差均较大，使得坝体负温区存在冻融剥蚀破坏现象。温度变形属于弹性变化，而冰冻冻融变形使得每年都有不可恢复的残余变形，坝体下游面混凝土的负温区大大超过上游面，因此，坝体下游逐年累计的残余变形逐年比上游大，造成坝顶逐年向上游位移的特殊现象。

3.2 垂直位移监测分析

参窝大坝从左至右沿2～29号坝段坝顶共布置了28个水准点，其对应编号为为CX02~CX29。

符号规定以下沉为正，上抬为负。

1）垂直位移测值呈明显的年周期变化，主要受温度变化的影响。温度升高，坝顶上抬，测值减小：温度降低，坝顶下沉，测值增大。气温对垂直位移的影响有滞后作用。

2）库水位对坝顶测点垂直位移有一定影响，上游库水位上升，坝体下沉，测值增大，上游库水位降低，测值减小。

3）从变化趋势来看，大多数测点垂直位移测值变化均有缓慢的减小趋势，即坝体有逐年抬升的趋势。究其原因，主要是常年受冻融破坏作用所致。上下游水平裂缝多位于两岸挡水坝段及电站坝段，引起下游面渗水严重，尤其是在高程78.00-89.00m部位水平缝渗水最为严重。裂缝内冰胀冰消冻融作用明显，冰冻冻融变形每年都有不可恢复的残余部分，其积累效应即表现出时效变形，造成坝顶逐年抬高。

                               
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4 坝基扬压力观测资料分析

坝基扬压力孔从1975年1月10日开始观测，这次分析的数据时段为1975年1月10日至2010年12月24日。

4.1 坝基扬压力变化规律分析

坝基扬压力有如下变化规律：

1）河床坝段坝基扬压力孔的水位主要受上游库水位变化的影响，随上游库水位的变化而变化，与上游库水位呈正相关关系，即库水位升高，孔水位升高。反之，库水位下降，则孔水位也相应下降。此外，库水位变化对坝基扬压力的影响有一定的滞后效应，即坝基扬压力变化滞后于库水位变化，测孔越靠下游，则测孔水位滞后库水位的时间越长。

2）降雨对坝基扬压力也有一定的影响，尤其是岸坡坝段受降雨影响较大，一般降雨较多季节，测压孔水位较高，而降雨量较少季节则测压孔水位较低。

3）一般岸坡坝段扬压力观测孔水位要比河床坝段的要高，这主要是两岸坝段基础扬压力除了受上游库水位变化影响外，岸坡地下水对其影响也较大。

4）从坝基测孔水位与库水位相关关系(见表1)来看，两岸岸坡坝段3号、25号坝段受库水位影响较大，相关系数在0.64～0.85之间，而河床部位溢流坝段基础扬压力受库水位影响稍小，相关系数在0.26-0.36之间。表明两岸坝段基础防渗体系较为薄弱。

                               
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表1 坝基测压管管水位与库水位相关关系

4.2 坝基扬压力系数分析

扬压力系数的计算公式为：

                               
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（1）

式中：αi——第i个测压孔的渗压系数；H1——上游水位，m；H2——下游水位，m，当测孔对应的基岩高程高于下游水位时，H2用基岩高程代替；Hi——第i个测压孔的实测水位，m。

应用式(1)，根据扬压力孔水位资料计算在各坝段坝基扬压力测孔的最大扬压力系数，并进行最大值统计(见表2)。

                               
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从表2可以看出，两岸3号、25号坝段基础扬压力系数比较大，最大扬压力系数分别为0.86和0.75，其原因主要是两岸坡的扬压力系数受两岸地下水的影响较，对大坝的稳定不利。河床溢流坝段基础的扬压力系数相对较小，这表明河床坝段现有的防渗帷幕和排水设施运行情况尚可。

2012年3月，通过在3号、25号坝段横向廊道向两岸山体中打水孔，两坝段扬压力显著减小，扬压力系数分别由0.86和0.75降至0.43和0.38，圆满解决了岸坡坝段稳定问题。

结语

参窝水库大坝大部分坝顶水平位移有向上游位移的变化趋势，尤其是两岸挡水坝段，这与常规地区混凝土重力坝受水荷载作用向下游位移变化一般性规律相反。大多数测点垂直位移测值变化均有缓慢的减小趋势，即坝体有逐年抬升的趋势。

究其成因是由于冻融作用造成的。参窝水库修建于文革时期，由于当时人们对北方高寒地区混凝土大坝温度应力分布规律掌握有限，对大坝混凝土温控与防裂认识不足，没有采取有效的温度控制措施，致使大坝产生较多裂缝，并引起严重渗漏。上下游水平裂缝多位于两岸挡水坝段及电站坝段，引起下游面渗水严重，尤其是在高程78.00~89.00m部位水平缝渗水最为严重。裂缝内冰胀冰消冻融作用明显，温度变形属于弹性变化，而冰冻冻融变形使得每年都有不可恢复的残余变形，其积累效应即表现出时效变形，造成坝顶逐年抬高。

坝体下游面混凝土的负温区大大超过上游面，因此，坝体下游逐年累计的残余变形逐年比上游大，造成坝顶逐年向上游位移的特殊现象。

岸坡坝段基础扬压力系数比较大，3号、25号坝段最大扬压力系数分别为0.86和0.75，其原因主要是两岸坡的扬压力系数受两岸地下水的影响

较大，对大坝的稳定不利。2012年3月，通过在3号、25号坝段，横向廊道向两岸山体中打排水孔，两坝段扬压力显著减小，扬压力系数分别由0.86和0.75降至0.43和0.38，圆满解决了岸坡坝段稳定问题。

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