紫金山三清亭拱形重力坝安全监测及变形规律分析

紫金山三清亭拱形重力坝安全监测及变形规律分析

刘国元

紫金矿业集团股份有限公司，福建  上杭  364200

摘 要：大型拱形重力坝由于混凝土受气温和水温的影响，会出现热胀冷缩的现象，坝体会出现变形。对坝体的变形规律进行研究，进而归纳出变形量与时间等参数的函数的关系，对坝体的安全管理有着重要的参考作用。

关键字：紫金山；拱形重力坝；变形规律；安全监测

0引言

    对于一些重要的水利大坝，为了实时了解大坝的安全运行状况，一般需要对其进行变形安全监测。在对大量的重力坝安全监测数据分析时发现拱形重力坝的变形累计值会随着季节呈一定的规律周期性变化，且拱形重力坝的规模越大，规律越明显。如何通过这些变形数据归纳出变形量与时间等参数的关系，对指导大坝施工和安全运营管理有着重要的指导作用。本文以紫金山金铜矿三清亭拱形重力坝变形监测为依据，归纳出坝体规模与变形量和时间的函数关系。对同等坝高、坝长、弧度的重力坝的变形量有着参考意义。

1三清亭拱形重力坝概况

三清亭拱形重力坝位于紫金山金铜矿西南部，坝体上游为金矿第二选矿厂堆碴场，下游 为汀江，库坝的主要功能为环保水处理及防洪应急调节。坝体为弧形的重力拱坝，坝长约130，坝高约42.6米，坝顶宽约2米，库区容量约181万m3。坝体两侧均为花岗岩，中间设置有溢洪道和闸门。坝顶两侧均设置有1.2米的围墙，坝体可通摩托车和行人，其全景图如下图1所示。

图1三清亭拱形重力坝全景图

2安全监测控制网布设

坝体安全监测控制网一般分为工作基准点、后视基准点和测点，工作基准点与后视基准点和测点之间必须通视，工作基准点一般布设在坝体的左岸的基岩上，后视基准点一般布设在坝体的右岸的基岩上，测点一般均匀布设在坝体的顶部。根据三清亭拱形重力坝的实际情况，共布设了4个测点，1个工作基准点，1个后视基准点，安全监测控制网布设如下图2所示，其中X1为工作基准点，X2为后视基准点，X1-1、X1-2、X1-3、X1-4为测点。

图2三清亭拱形重力坝安全监测控制网示意图

3 变形监测规律分析

    监测工作从2017年1月份开始，2019年12月份结束，共监测36次，共4个监测桩，监测数据总量为144个。监测数据具体分别有X、Y、Z值的本次测量值、本次偏离值、累计偏离值。其中，本次测量值为监测桩本次测量的坐标值，本次偏离值为本次测量的坐标值减上一次的坐标值，累计偏离值为本次偏离值加上一次的累计偏离值。

3.1水平方向变形规律

水平方向的变形规律一般分为X坐标变化值，Y坐标变化值。为了更加真实地反映坝体真实的形变，通过三角函数和X坐标变化值以及Y坐标变化值，计算出水平方向坝体上下游偏离值。利用这个偏离值与时间的关系，生成坝体的形变量与时间的关系曲线图。其中，横轴坐标表示时间，单位为月份，纵坐标表示水平位移量，单位为mm，正号表示向坝体上游方向，负号表示向坝体下游方向，如下图3所示。

图3各监测点平面累计位移时间变化量曲线图

从各监测点的时间累计位移变化曲线图可以看出，假设y为累计平面位移量，单位为mm；假设x为时间，单位为月份。X1-1和X1-4监测点中，y与x之间符合函数y=-5cos（πx /6），（x≥0）变化规律，且坝体的平面累计变化值y随着时间呈年周期性变化。另外，X1-1和X1-4号点由于靠近坝体两岸，累计变化值的范围较小，在-5mm到5mm之间变化。而X1-2和X1-3号点由于靠近拱坝的中间，变化值较大，在-10mm到10mm之间变化，符合函数y=-10cos（πx /6），（x≥0）变化规律。

3.2竖直方向变形规律

坝体除了在水平方向发生变形以外，往往在竖直方向也存在变形。在成果数据中一般用Z坐标值表示，负号表示垂直往下，正号表示垂直往上。与平面坐标表示方法一样，Z值的累计变化值与时间的关系与可以用曲线图来表示，横轴坐标表示时间，单位为月份，纵坐标表示水平位移量，单位为mm，如图4所示。

图4各监测点竖直累计位移时间变化量曲线图

与水平位移变化规律一样，可以假设y为累计竖直位移量，单位为mm；假设x为时间，单位为月份。y与x之间符合函数y=-5cos（πx /6），（x≥0）变化规律，竖直累计变化值y随着时间呈年周期性变化。与平面位移一样，X1-1和X1-4累计变化值的范围较小，在-5mm到5mm之间变化，X1-2和X1-3号变化值较大，在-15mm到15mm之间变化，符合函数y=-15cos（πx /6），（x≥0）变化规律。

4结论

从坝体的水平位移和竖直位移变化规律分析可以看出，累计变化值随着时间呈年周期性变化，也就是12个月循环变化。而变化量的阈值每个点都不一样，越往坝体的中部，水平和竖直方向上的变化量越大，越往坝体的两岸，水平和竖直方向上的变化量越小。坝体的时间变化曲线图符合函数y=-kcos（πx /6），（x≥0）变化规律，其中k值为综合系数，影响因子有坝体本身属性，如坝高、坝宽、坝型（拱形或直线型）、筑坝技术方法、混凝土质量、伸缩缝布设情况等。K值的影响因子还包括外在的环境因素，如气温、日照时间、太阳光强度、库区水温、雨雪天气、库区水位高低、库区水酸碱性情况等。

由于k值受坝体本身和外在的环境等诸多因素影响，因此每座坝体的k值都不可能一样，进而每个坝体的变形时阈值区间也不一样。在测绘学上表现为正常综合误差范围内呈反余弦函数年周期性变化，而这个正常综合误差范围在安全管理上可以理解为预警值范围，位移量（y值）超过这个预警范围可以理解为坝体发生了不正常的形变，需要找出原因并采取有效的技术措施进行处理，如灌浆、培厚等工程治理措施。

5结尾语

    库坝是影响人们生命和财产安全的重要基础设施，其安全运行情况对企业和社会的安定有着基础性的支撑作用。库坝安全是企业和社会安全管理的一个重要方面，如何提高库坝的安全管理水平是库坝安全管理人员的一个重要课题。因此，在坝体的日常安全监测的基础上，对监测数据进行分析，归纳出其变形的规律，对指导库坝的安全管理有着重要的意义。

    本文以紫金山金铜矿三清亭拱形重力坝为例，介绍了对大型拱形重力坝的安全监测及监测数据分析，归纳出大坝水平方向和竖直方向的变形规律及位移时间变化曲线和曲线函数，对同类型的大型拱形重力坝的安全管理有着重要的指导和借鉴意义。

6参考文献

[1]贾建军.水库大坝安全监测中存在的问题及对策[J].中国水运,2019(09):117-118.

[2]吴波.大坝安全监测中存在的问题及对策[J].珠江水运,2019(09):86-87.

[3]李洪宇. 大坝安全监控的高斯过程回归模型[D].大连理工大学,2018.

[4]庞依利.全站仪在白荻沟水库大坝变形观测中的应用及推广[J].陕西水利,2012(03):81-82.

[5]蔡志伟,王士军,吴维汉,鲍亮,葛从兵.南一水库混凝土坝安全监控技术研究与应用[J].水利科技,2011(04):15-19.

作者简介：

刘国元（1984-），男，福建省上杭人，测绘工程师。主要从事测绘与地理信息、大坝边坡安全监测、GIS软件应用等研究工作。