“635”樞紐大壩主壩左壩肩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)及成果分析

趙彥萍 李 新

(新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局 烏魯木齊 830000)

“635”樞紐大壩為粘土心墻砂礫石殼壩，主壩最大壩高70.6m，主壩長(zhǎng)約320m；左副壩最大壩高約22.0m，壩頂長(zhǎng)840m；右副壩最大壩高39.0m，壩頂長(zhǎng)約740m。大壩壩頂高程650.0m，心墻頂高程648.0m，水庫(kù)正常蓄水位645.0m，設(shè)計(jì)洪水位645.4m，總庫(kù)容2.82億m3。大壩主副壩高差大，主壩左壩肩岸坡陡峭，坡比為1﹕0.75，高差40多m，是大壩安全監(jiān)測(cè)重點(diǎn)部位。心墻粘土料壓縮性大，且還存在較為明顯的遇水膨脹和失水干縮性；右副壩位置有斷層通過(guò)心墻；壩基巖石風(fēng)化嚴(yán)重，裂隙發(fā)育，壩基透水性大。

大壩于1998年6月開(kāi)始填筑施工，至1999年10月填筑到壩頂，1999年11月通過(guò)水庫(kù)蓄水安全鑒定，2000年5月20日開(kāi)始下閘蓄水，2001年7月5日，最高庫(kù)水位達(dá)到645.17m。自首次下閘蓄水至2009年，水庫(kù)已運(yùn)行10年，庫(kù)水位每年在7～8月均保持在644.0m以上。

1 左壩肩防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大壩防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是該土石壩工程設(shè)計(jì)方案的核心，防滲結(jié)構(gòu)遵循以控制壩體變形為主、加強(qiáng)抗裂和抗?jié)B穩(wěn)定措施的總體設(shè)計(jì)原則，采用裂縫自愈式大心墻防滲結(jié)構(gòu)。心墻上下游均設(shè)施工粒徑dmax<20mm、寬3.0m的砂反濾層。反濾料特性：等效粒徑D20=0.27，不均勻系數(shù)Cu=17.33，曲率系數(shù)Cc=0.47，滲透系數(shù)K=10-3～10-4cm/s，反濾層深入基巖以下0.5m。上下游均設(shè)施工粒徑dmax<80mm、寬3.8m的混合過(guò)渡層。心墻防滲體填筑采用分區(qū)選填土料，心墻底部以及心墻與混凝土建筑物接觸部位設(shè)置2m厚抗沖蝕能較強(qiáng)的非分散性的Ⅵ料場(chǎng)粘土；主體部位采用下硬上軟的選填原則，630.0m高程以下填低壓縮變形的Ⅰ料場(chǎng)粘土；630.0m以上填適應(yīng)變形能力較強(qiáng)的Ⅵ料場(chǎng)粘土；壩肩部位為濕土區(qū)，選用Ⅵ料場(chǎng)非分散性粘土。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

左壩肩沿岸坡布設(shè)了一系列剪切向和水平向TS位移計(jì)，在岸坡中部0+870斷面粘土心墻內(nèi)埋設(shè)測(cè)斜管（兼作沉降管），基巖和心墻內(nèi)分層埋設(shè)了鋼弦式孔隙水壓力計(jì)，布設(shè)位置見(jiàn)圖1、圖2。

2.1 變形監(jiān)測(cè)

a.壩肩變形監(jiān)測(cè)。沿岸坡布設(shè)7層TS位移計(jì)（電位器式位移計(jì)），監(jiān)測(cè)左岸邊坡處心墻和岸坡混凝土墊層間變形。

b.壩體變形監(jiān)測(cè)。測(cè)斜兼沉降管用于監(jiān)測(cè)壩肩心墻內(nèi)分層豎向位移和分層水平位移。

c.壩面變形監(jiān)測(cè)。為加強(qiáng)壩肩表面變形監(jiān)測(cè)，在該部位加密了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每隔5m布設(shè)1測(cè)點(diǎn)（0+860～0+905八個(gè)測(cè)點(diǎn)為既測(cè)壩面水平位移又測(cè)豎向位移的綜合測(cè)點(diǎn)，其余三個(gè)測(cè)點(diǎn)為僅測(cè)壩面豎向位移的測(cè)點(diǎn)）。

2.2 滲透壓力監(jiān)測(cè)

在混凝土基礎(chǔ)面下基巖內(nèi)、心墻內(nèi)分層布設(shè)孔壓計(jì)，2000年10月在下游壩殼內(nèi)補(bǔ)設(shè)1支測(cè)壓管CY03(見(jiàn)圖2)，監(jiān)測(cè)壩基和壩體滲壓及滲流狀況。

3 監(jiān)測(cè)成果分析

左壩肩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自1998年8月10日開(kāi)始實(shí)施，監(jiān)測(cè)儀器分批分層埋設(shè)，至1999年9月安裝完成，2000年6月3日水庫(kù)繼放空后第二次蓄水，資料整理時(shí)間系列從各種儀器埋設(shè)之日起至2009年6月止，期間經(jīng)歷了施工期、初蓄期和運(yùn)行期三個(gè)階段。

3.1 壩肩變形狀況

3.1.1 壩肩豎向位移

a.壩體內(nèi)部分層豎向位移。從圖3可以看出，壩體內(nèi)部最大沉降量發(fā)生在1/2壩高處，施工期結(jié)束后，隨著運(yùn)行期延長(zhǎng)，壩體最大沉降位置逐漸上升，沿高程分布圖開(kāi)口張大。2000年5月18日蓄水前最大沉降量發(fā)生在618.0m高程處，2003年9月7日最大沉降量位置上升至630.0m處。蓄水初期受水庫(kù)首次蓄水作用沉降速率較快，第一年蓄水5個(gè)多月內(nèi)沉降了138mm，占?jí)胃叩?.33%，2001～2009年僅沉降了176mm，沉降速率減緩；累計(jì)最大沉降量314mm，占?jí)胃叩?.79%，在同類壩中屬中等，壩體的內(nèi)部沉降基本趨向穩(wěn)定。

b.壩體表面豎向位移。壩面表面豎向位移自2000年6月底正式開(kāi)始觀測(cè)，從圖4、圖5可看出初蓄期沉降速率較快，隨后逐漸減緩，最大發(fā)生在0+885斷面處，沉降量208mm，占?jí)胃叩?.52%。用傾度法分析，根據(jù)該工程土料工程特性，得出左壩肩極限傾度在0.6%～1.4%，計(jì)算左壩肩測(cè)點(diǎn)間最大傾度為0.62%，超過(guò)極限傾度下限。

圖1 左壩肩監(jiān)測(cè)儀器縱斷面圖

圖2 0+870斷面監(jiān)測(cè)儀器布置圖

傾度計(jì)算公式為

式中：ΔS為兩點(diǎn)間沉降差值；ΔL為兩點(diǎn)間水平距離。表面沉降點(diǎn)B52和B54兩點(diǎn)間沉降差最大為31mm，水平距離5m。

3.1.2 左壩肩岸坡心墻與混凝土墊層接觸面變形

蓄水期和運(yùn)行期剪切向和水平向位移過(guò)程見(jiàn)圖6～圖11。

從圖6～圖11可以看出，628m高程以下，剪切向和水平向位移，初蓄期位移量增加很快，在庫(kù)水位上升時(shí)增幅加大，水位下降時(shí)增幅減小，隨運(yùn)行過(guò)程增幅逐漸減小，至2001年8月位移增幅已很小。608.0m和613.0m高程處位移量在施工期就已超過(guò)心墻粘土料的極限抗拉抗剪應(yīng)變 （εc=0.37%～0.42%）,蓄水后不久628m高程以下測(cè)點(diǎn)測(cè)值都已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)此極限抗拉抗剪應(yīng)變，至2009年6月實(shí)際最大剪切和水平向應(yīng)變分別為15.1%和10.6%，超過(guò)理論計(jì)算極限抗拉抗剪應(yīng)變達(dá)20～30倍?？膳袛酁樽蟀镀陆佑|粘土層與混凝土墊層間局部存在接觸不良。

圖3 0+870斷面累計(jì)沉降量沿高程分布圖

圖4 0+870斷面左壩肩下游壩頂壩面測(cè)點(diǎn)豎向位移過(guò)程線

圖5 左壩肩部位下游壩頂壩面測(cè)點(diǎn)沿縱斷面豎向位移分布圖(壩軸距為4.525m)

圖6 0+877斷面603.0高程剪切位移與庫(kù)水位時(shí)間過(guò)程線

圖7 0+871斷面607.5高程水平位移與庫(kù)水位時(shí)間過(guò)程線

圖8 0+870.7斷面608.0高程剪切位移與庫(kù)水位時(shí)間過(guò)程線

圖9 0+866.9斷面613.0高程剪切位移與庫(kù)水位時(shí)間過(guò)程線

圖10 0+856斷面628.0高程剪切位移與庫(kù)水位時(shí)間過(guò)程線

圖11 0+856斷面628高程水平位移與庫(kù)水位時(shí)間過(guò)程線

應(yīng)變計(jì)算公式為

式中：S為產(chǎn)生的變形量，WY7和WY6分別測(cè)得最大剪切向變形和最大水平向變形分別為182mm和128mm；L為變形有效范圍，L=1.2m。

壩肩變形的特點(diǎn)是，同一高程的變形，上游大于下游；最大剪切向變形和最大水平向變形分別發(fā)生在608.0m和607.5m高程處。

3.2 滲流監(jiān)測(cè)

從圖12可以看出，基巖內(nèi)滲壓水頭與庫(kù)水位有很好的相關(guān)性，測(cè)壓管CY03在2001年10月前持續(xù)緩慢下降，根據(jù)帷幕下游基巖內(nèi)滲壓力位勢(shì)分析，位勢(shì)為36%～93%，位勢(shì)比主壩其他部位高（0+961斷面基巖內(nèi)各點(diǎn)滲壓力位勢(shì)為11%～43%），說(shuō)明左壩肩部位灌漿帷幕防滲效果較河谷處弱。

從圖13可以看出，2001年2月S28滲壓水位迅速上升，并超過(guò)S22水位，目前該斷面位于心墻與混凝土基礎(chǔ)接觸面（610.0m高程）的S22（上游側(cè)）和S28（軸線）滲壓水位接近，當(dāng)庫(kù)水位上升時(shí)，滲壓水位S22略高于S28，庫(kù)水位下降時(shí)S22滲壓水位S28比高1m左右，下游側(cè)S33滲壓水位仍然很低，低于S28達(dá)21m，該測(cè)點(diǎn)的位勢(shì)隨庫(kù)水位升高略有下降，說(shuō)明接觸面粘土心墻阻滲效果明顯，接觸面滲流狀態(tài)穩(wěn)定；心墻內(nèi)上游側(cè)測(cè)點(diǎn)滲壓水位與庫(kù)水位有明顯相關(guān)性。0+870斷面位于壩軸線上游1m處測(cè)斜管CX01的滲壓水位從2004年7月開(kāi)始高于S22、S28，分析原因該處的滲壓水頭影響S28，S22和S28之間沒(méi)有貫通；620.0m高程軸線處測(cè)點(diǎn)S27滲壓水位開(kāi)始逐漸增大，至2009年6月，滲壓水位為628.68m，說(shuō)明滲流已影響到該處；位于620.0m高程下游側(cè)測(cè)點(diǎn)仍未觀測(cè)到孔隙水壓力，說(shuō)明心墻起到明顯地阻滲作用。

圖12 0+870斷面基巖內(nèi)測(cè)點(diǎn)孔隙水頭過(guò)程線

圖13 0+870斷面墊層與心墻接觸面測(cè)點(diǎn)孔隙水頭過(guò)程線

4 結(jié) 論

a.從壩體和壩面沉降均可知道，沉降量不大，沉降差異小，左岸坡處心墻與混凝土墊層間變形量很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)極限拉應(yīng)變，但通過(guò)傾度分析，差異沉降量較小，變形差異不大，壩肩變形狀況都說(shuō)明岸坡接觸心墻因沉降差異產(chǎn)生裂縫的可能性不大，但沿左岸坡處心墻與混凝土墊層間相對(duì)位移較大。

b.接觸面測(cè)點(diǎn)S28滲壓水位在2001年2月快速上升，水位和S22趨于相同，不論S22與S28是否貫通，實(shí)際心墻有一半已失去了防滲作用，S33滲壓水位較低說(shuō)明軸線下游一半心墻起著較強(qiáng)的阻滲作用，經(jīng)過(guò)對(duì)此部位運(yùn)行情況分析，主壩左壩肩的工況趨于穩(wěn)定。

c.考慮到心墻上下游都設(shè)置了完善的過(guò)渡和反濾層，一旦產(chǎn)生裂縫，心墻有很強(qiáng)的自愈能力，能阻止裂縫的發(fā)展，從CY03在2001年10月前，水位持續(xù)下降，10月后滲壓水位開(kāi)始上升，說(shuō)明了反濾層對(duì)心墻起到了自愈作用，使心墻阻滲能力在產(chǎn)生裂縫后，能逐漸恢復(fù)。

d.應(yīng)密切注視下游側(cè)S33的滲水壓力變化，當(dāng)S33滲壓突然增大或突然減小甚至失去時(shí)，心墻將可能喪失阻滲能力，對(duì)大壩安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。