三峽工程安全監(jiān)測資料的分析與評價(jià)

三峽工程安全監(jiān)測資料的分析與評價(jià)

1工程安全監(jiān)測三峽規(guī)模巨大，從設(shè)計(jì)、施工到管理，施工安全一直受到施工部門的重視。大樓安全監(jiān)控設(shè)計(jì)被列入工程節(jié)水技術(shù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目之一。自1994年開始，先后埋設(shè)各類監(jiān)測儀器1萬余支。工程安全監(jiān)測系統(tǒng)對各建筑物變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等進(jìn)行了全面的監(jiān)測，積累了大量數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)施工、驗(yàn)證設(shè)計(jì)和工程安全運(yùn)行評價(jià)等提供了科學(xué)依據(jù)。三峽工程歷經(jīng)2003—2006年的圍堰擋水發(fā)電期（庫水位為135～139m）、2006—2008年的初期蓄水期（庫水位為145～156m）和2008年開始的試驗(yàn)蓄水期（庫水位為145～175m）。截至2010年年底的監(jiān)測成果表明，各項(xiàng)測值均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，建筑物運(yùn)行是安全的。2水庫監(jiān)測2.1．壩段基礎(chǔ)位移截至2010年12月，壩基（壩體基礎(chǔ)廊道處）向下游最大位移均在4mm以內(nèi)，蓄水后壩基水平位移趨于穩(wěn)定。壩頂向下游水平位移受庫水位和溫度變化的影響呈年變化，符合重力壩的變形規(guī)律。各壩段壩頂向下游水平位移測值為-9～26mm（泄2號壩段最大，見圖1、圖2）。河床部位的壩段較大，岸坡壩段較小。溫度對壩頂?shù)挠绊懛仍?2mm左右。近幾年，隨著蓄水位的不斷提高，水平位移不斷增大，但累計(jì)位移量在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，大壩是安全的。大壩基礎(chǔ)垂直位移受分期蓄水及時(shí)效變形的影響，最大沉降量達(dá)到17mm。首次156m蓄水期間，上游水位上升約20m，上游基礎(chǔ)平均沉降量約為2．2mm；第二次156m蓄水期間，上游水位上升約10m，上游基礎(chǔ)平均沉降量約為1．3mm；172m蓄水期間，上游水位上升26m，上游基礎(chǔ)平均沉降量約為2．8mm。從分布來看，中間河床深槽段的垂直位移大于兩側(cè)岸坡壩段的垂直位移，越往兩側(cè)，垂直位移量越小，上游基礎(chǔ)的垂直位移大于下游基礎(chǔ)的垂直位移，不存在明顯的不均勻沉降。2.2壩基滲流量現(xiàn)狀實(shí)測壩基主排水幕處測壓管水位在水庫蓄水后變化較小。蓄水175m水位后，各壩段上游主排水幕處的揚(yáng)壓系數(shù)均小于0．2，下游主排水幕處揚(yáng)壓系數(shù)均小于0．3。左廠1號～5號壩段、升船機(jī)上閘首及右廠24號～26號壩段主排水幕下游的基礎(chǔ)處于疏干狀態(tài)。壩基滲壓均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。左岸（縱向圍堰壩段及其以左各壩段）壩基滲漏量主要集中在泄洪壩段。壩基滲流量從2003年7月蓄水后的約1100L/min減少至2010年12月的約243L/min。右岸壩基滲漏量在2008年12月時(shí)最大，約400L/min，之后有所減少，至2010年12月減少為307L/min。滲漏量減少主要是壩前淤積堵塞滲漏通道所致，對壩基防滲是有利的。2.3壩嘴唇鉛直向壓應(yīng)力2003年135m庫水位蓄水前，實(shí)測泄2號壩段及左廠14號壩段壩踵鉛直向壓應(yīng)力分別為6．01MPa和3．78MPa。泄2號壩段各年蓄水前后壩踵鉛直向壓應(yīng)力減小值在0．96MPa以內(nèi)，壩趾鉛直向壓應(yīng)力增加值在1．03MPa之內(nèi)。左廠14號壩段各年蓄水前后壩踵鉛直向壓應(yīng)力減小值在0．83MPa以內(nèi)，壩趾鉛直向壓應(yīng)力增加值在0．30MPa以內(nèi)。2010年10月26日庫水位為175m時(shí)，泄2號壩段壩踵、壩趾鉛直向壓應(yīng)力分別為5．05MPa和2．73MPa，左廠14號壩段壩踵、壩趾鉛直向壓應(yīng)力分別為2．51MPa和1．26MPa。2.4壩體緩傾角結(jié)構(gòu)面的深層抗滑穩(wěn)定監(jiān)測左廠1號～5號壩段大壩建基面高程為85～90m，廠房最低建基面高程為22．2m，壩后形成坡度約為54°，施工期臨時(shí)坡高為67．8m，運(yùn)行期永久坡高為39．0m的高陡邊坡。且該部位緩傾角裂縫相對發(fā)育，使得大壩沿壩基緩傾角結(jié)構(gòu)面的深層抗滑穩(wěn)定成為工程的重要技術(shù)問題，也是監(jiān)測的關(guān)鍵部位。垂線觀測的左廠1號、5號壩段基礎(chǔ)2號排水洞高程50m處向下游位移為-0．69～0．92mm，基礎(chǔ)1號排水洞高程74m處向下游位移為-1．26～1．73mm，壩體上游基礎(chǔ)廊道高程95m處向下游位移為-1．27～2．98mm，壩頂向下游位移為-3．07～10．32mm?？偟目磥?，左廠1號～5號壩段基礎(chǔ)部位變形是穩(wěn)定的。3結(jié)構(gòu)體系及高度三峽雙線五級船閘是在天然山體中深切開挖興建，閘室墻采用錨固于邊坡上的薄襯砌式結(jié)構(gòu)。船閘開挖后形成南、北兩側(cè)巖質(zhì)高邊坡，最大坡高達(dá)170m，閘室邊墻部位為直立坡，其高度達(dá)50～70m，兩線船閘間保留高50～70m、寬55～57m的巖體中隔墩。船閘邊坡的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的變形是監(jiān)測的重點(diǎn)。3.1邊坡變形特征分析對實(shí)測位移資料分析表明：邊坡表面變形以向閘室方向位移為主，變形主要發(fā)生在開挖過程中，變形受開挖卸荷影響，隨開挖深度的增加而增大。開挖結(jié)束之后變形速率下降，并逐步收斂，邊坡整體是穩(wěn)定的，水庫蓄水及船閘通航對邊坡變形無明顯影響。從邊坡開挖至2010年12月，南、北坡向閘室累計(jì)位移為17．79～71．57mm，中隔墩向臨近閘室方向的累計(jì)位移北側(cè)為-16．63～31．3mm，南側(cè)為-3.5～22.01mm。直立坡塊體部位的卸荷松弛帶內(nèi)的多點(diǎn)位移計(jì)、伸縮儀及滑動(dòng)變形計(jì)實(shí)測的相對變形測值均在1999年邊坡開挖及支護(hù)結(jié)束之后穩(wěn)定（見圖3）。直立坡塊體上的各部位錨索測力計(jì)的錨固力是穩(wěn)定的，表明直立坡塊體也均是穩(wěn)定的。3.2邊坡地下水位下降至設(shè)計(jì)水位實(shí)測資料表明，邊坡排水洞以上的巖體處于疏干狀態(tài)，邊坡排水洞內(nèi)絕大部分測壓管的水位在邊坡排水洞底板高程以下，邊坡地下水位已降至設(shè)計(jì)水位（在各層排水洞洞頂附近）以下，且有一定的富裕度，這對邊坡穩(wěn)定是有利的。閘墻及支持體背面滲壓計(jì)測值，基本在儀器觀測誤差范圍內(nèi)，測點(diǎn)部位無明顯滲壓水，說明墻背和支持體背面排水管有很好的排水降壓效果。3.3閘室變形分析閘首底部垂直于閘室軸線的位移為-1．5～1．5mm，各閘首頂部垂直于閘室軸線的位移為-0．29～5．22mm，平行于船閘軸線的位移為-3．19～4．43mm。閘室的變形略大于閘首的變形。船閘運(yùn)行期，南北邊坡閘墻變形明顯大于船閘中隔墩閘墻變形，且有向閘室臨空方向緩慢增加的趨勢，年增加量平均在0．5mm以下。閘墻具有隨氣溫呈現(xiàn)出年周期性變化特性，周期變化的幅度最大約為2mm。閘室充水及泄水影響閘墻變位的幅度在1mm以內(nèi)。閘墻的變形幅度不影響船閘人字門的正常開啟。3.4門的開口和門的結(jié)構(gòu)實(shí)測48支高強(qiáng)結(jié)構(gòu)錨桿的應(yīng)力均在137MPa以內(nèi)，遠(yuǎn)小于錨桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度，僅有兩支錨桿的應(yīng)力略大于100MPa。4施工施工階段茅坪溪防護(hù)壩為瀝青混凝土心墻土石壩，壩頂長1840m，最大壩高104m。茅坪溪防護(hù)壩從1997年年底開始施工，至2003年12月完工。綜合茅坪溪防護(hù)壩的各項(xiàng)觀測成果可以看出，壩體變形和心墻應(yīng)變等主要隨壩體填筑高度的增加而增大，心墻兩側(cè)的鉛直向應(yīng)變及變形較為對稱。2003年蓄水以后心墻應(yīng)變、心墻基底鉛直向應(yīng)力、心墻與過渡層間的相對變形等實(shí)測值沒有明顯變化，各年試驗(yàn)蓄水前后的測值變化不明顯。4.1壩高內(nèi)沉降量截至2010年10月，壩頂最大向下游水平位移為84．84mm，最大沉降為201．39mm，最大位移在壩體中部。蓄水后的2003年7月，各沉降管實(shí)測的最大累計(jì)沉降量為245～582mm，壩高最大的0+700斷面的累計(jì)沉降量最大，最大累計(jì)沉降出現(xiàn)在約1/2的壩高處，最大沉降約占壩高的0．64%。各種計(jì)算模型計(jì)算的施工期壩殼中心部位的最大沉降量為657～1170mm，約占壩高的0．73%～1．13%，說明實(shí)測沉降量在計(jì)算范圍內(nèi)，與通常100m級土石壩的沉降范圍也是一致的。沉降管觀測的同高程心墻上下游過渡層沉降量的差值不大，平均差值約為37mm。2003年之后的各年水庫蓄水對壩體內(nèi)部沉降沒有明顯影響，沉降量基本穩(wěn)定。4.2心墻的拉伸變形2003年7月，水庫蓄水后的位錯(cuò)計(jì)觀測的心墻與過渡層間的相對變形為3．8～48．5mm，平均相對變形為17．4mm，高程105m處的相對變形最大。心墻的沉降量比兩側(cè)過渡層略大，心墻并未因其兩側(cè)過渡層的擠壓而產(chǎn)生拉伸變形。2003年之后相對變形沒有明顯變化。4.3壩體滲壓水位水庫蓄水后，滲壓計(jì)、測壓管實(shí)測的心墻上游建基面處滲壓水位基本與庫水位一致，心墻下游建基面及壩體處的滲壓水位與下游壩腳處的水塘（下游圍堰與防護(hù)壩之間）水位是一致的，表明壩基及壩體內(nèi)滲壓均是正常的。4.4．壩體排水茅坪溪防護(hù)壩和下游圍堰間為一個(gè)集水塘，其來水不僅有庫水造成的大壩及壩基滲水，還有降雨導(dǎo)致的心墻下游壩體集水。剔除降雨的影響，實(shí)際壩基及壩體的水庫滲漏水量約在1850L/min以內(nèi)，水庫試驗(yàn)蓄水后滲漏量略有增大。5機(jī)組蝸殼應(yīng)力分析三峽700MW水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼規(guī)模大，水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口鋼管直徑為12．4m，進(jìn)口斷面設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力達(dá)1．395MPa（含水錘壓力），HD(D為水電站壓力管道的內(nèi)直徑，m;H為其承受的水頭，m。乘積HD值是標(biāo)志壓力管道規(guī)模及技術(shù)難度的重要參數(shù)值）值達(dá)1730m2，是目前世界上已安裝的混流式水輪機(jī)最大的蝸殼。三峽左右岸電站機(jī)組蝸殼其中21臺(tái)采用保壓方式埋設(shè)，在右岸電站選擇了4臺(tái)機(jī)組蝸殼采用墊層方式埋設(shè)，1臺(tái)機(jī)組蝸殼采用直埋方式。直埋方式仍有局部墊層，墊層范圍從進(jìn)口至-45°處。3種埋設(shè)方式的蝸殼監(jiān)測資料分析表明，各項(xiàng)測值均是正常的，保壓和墊層方式的蝸殼應(yīng)力水平?jīng)]有明顯區(qū)別，直埋方式的蝸殼應(yīng)力略小。墊層和直埋方式同樣能滿足設(shè)計(jì)要求。5.1機(jī)組運(yùn)行前后應(yīng)力變化保壓蝸殼在充水保壓過程中，蝸殼一般產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力增量，但環(huán)向應(yīng)力增量比水流向大，各機(jī)組保壓后蝸殼最大應(yīng)力約為80～103MPa。各機(jī)組調(diào)試運(yùn)行前后，蝸殼一般產(chǎn)生拉應(yīng)力增量，環(huán)向應(yīng)力變化比水流向變化明顯，蝸殼部位比過渡板變化明顯，應(yīng)力變化最大的部位一般在蝸殼腰部及以上部位。機(jī)組調(diào)試運(yùn)行前后的最大應(yīng)力增量約為132MPa，運(yùn)行時(shí)的最大應(yīng)力約為157MPa。保壓方式和墊層方式蝸殼的應(yīng)力變化、分布和應(yīng)力水平?jīng)]有明顯的區(qū)別。實(shí)測應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于有限元計(jì)算的蝸殼最大應(yīng)力（約200MPa）。直埋方式的15號機(jī)蝸殼應(yīng)力相對較小，最大應(yīng)力約為60MPa。5.2機(jī)組開度試驗(yàn)結(jié)果1）墊層方式：蝸殼與混凝土間開度在運(yùn)行后均產(chǎn)生一個(gè)壓縮量，26號機(jī)墊層最大壓縮量達(dá)7．70mm，25號、18號和17號機(jī)墊層的最大壓縮量分別為3．43、2．37mm和2．93mm。各機(jī)組開度的變化規(guī)律基本一致，一般腰部開度變化最大，頂部次之。2）保壓方式：調(diào)試運(yùn)行前蝸殼與混凝土間開度最大，運(yùn)行后開度減小。24號、16號、19號和10號機(jī)調(diào)試運(yùn)行前后開度的最大變化量分別為6．27、2．11、6．08mm和3．03mm。各機(jī)組開度的變化規(guī)律基本一致，一般腰部開度變化最大，頂部次之。另外，運(yùn)行期135m以上庫水位條件下實(shí)測開度均在0．2mm的觀測誤差范圍內(nèi)，蝸殼與混凝土間基本無間隙，表明蝸殼與混凝土是貼緊的，與計(jì)算結(jié)果也是一致的。3）直埋方式：充水前各測點(diǎn)開度為-0．15～0．24mm，開度均較??；2008年11月11日庫水位172．7m運(yùn)行時(shí)，墊層部位開度為-1．75～-1．05mm，墊層均有所壓縮，其他直埋部位測點(diǎn)開度為-0．11～0．10mm，均無明顯間隙。6圍巖變形監(jiān)測分析三峽右岸地下電站主廠房開挖尺寸為311．3m×32．6m×87．3m（長×寬×高），具有跨度大、覆蓋薄、塊體多的特點(diǎn)，其上覆巖體一般厚度為50～75m，左端最薄處僅為34m，施工過程中共揭露了105個(gè)塊體。地下電站主廠房共布設(shè)了7個(gè)觀測斷面，并且針對開挖過程中揭露的頂拱及邊墻的較大塊體進(jìn)行了專門的監(jiān)測。主要觀測斷面上觀測圍巖變形的多點(diǎn)位移計(jì)在主廠房開挖之前利用排水洞先行埋設(shè)就位并取得基準(zhǔn)值。實(shí)測廠房頂拱最大變形約為2mm，頂部拱座處最大變形約為6mm，邊墻最大變形約為26mm。實(shí)測圍巖變形與數(shù)值計(jì)算值（一般為20～30mm）的結(jié)果比較吻合，實(shí)測變形在2008年6月主廠房及附近尾水洞、母線洞豎井開挖及支護(hù)結(jié)束后即收斂。針對塊體布設(shè)的多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測變形約在2mm以內(nèi)，變形均是穩(wěn)定的。另外，從包括塊體的各部位實(shí)測錨桿應(yīng)力及錨索錨固力看，錨桿應(yīng)力基本在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，實(shí)測錨索預(yù)應(yīng)力總損失為-2．0%～27．6%，平均為12．6%，錨桿應(yīng)力及錨索錨固力在開挖支護(hù)結(jié)束后就基本穩(wěn)定。總的看來，三峽地下電站采用合理的開挖支護(hù)程序、超前錨固、加強(qiáng)錨固并在尾水管間保留27m高大巖墩的措施，有效減小了廠房全斷面開挖高度，限制了圍巖變形，使得整個(gè)廠房的變形較小，保證了圍巖及塊體的穩(wěn)定。7壩體變形為壩體,壩體已擴(kuò)充至壩底，邊坡表面為閘室三峽工程建設(shè)與運(yùn)行期的監(jiān)測成果表明，各建筑物的監(jiān)測數(shù)據(jù)是正常的，各項(xiàng)測值在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，建筑物的運(yùn)行是安全的。1）大壩壩基（壩體基礎(chǔ)廊道處）向下游位移均在4mm以內(nèi)，包括升船機(jī)上閘首、左廠1號～5號、右廠24號～26號各壩段的基礎(chǔ)均是穩(wěn)定的。各壩段壩頂向下游水平位移測值為-9～26mm，符合重力壩的變形規(guī)律。壩基滲壓均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，左廠1號～5號壩段主排水幕下游的基礎(chǔ)處于疏干狀態(tài)，滲壓水位低于壩基控制性緩傾角結(jié)構(gòu)面，對壩基抗滑穩(wěn)定有利。