美國史密斯蘭德水電站洪水影響監(jiān)測

[] C.H.

正在建設(shè)中的史密斯蘭德(Smithland)水電站位于美國肯塔基州俄亥俄河左岸、史密斯蘭德閘壩處，裝機(jī)72 MW，現(xiàn)有閘壩由美國陸軍工程師兵團(tuán)(USACE)擁有和管理，由混凝土閘壩段和蜂窩板樁堰段組成。水電站建成后，將由聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(FERC)管理，是一座徑流式水電站。需要修建順河向圍堰，開挖30 m深的基坑，基坑四周設(shè)置膨潤土水泥(SCB)防滲墻，并進(jìn)行大范圍排水。圍堰和基坑開挖已經(jīng)按設(shè)計(jì)建造合同展開。

為了確保施工期圍堰開挖的安全和穩(wěn)定性，安裝了整套的監(jiān)測系統(tǒng)，安排人員每天對圍堰進(jìn)行安全巡查。2011年春季，發(fā)生的特大洪水導(dǎo)致河水位上漲，圍堰面臨漫頂威脅。在基坑下游圍堰設(shè)計(jì)有應(yīng)急溢洪道，是在主洪峰到來幾周之前建成的，在USACE的指揮下，打開了圍堰上的應(yīng)急溢洪道，采取主動(dòng)淹沒基坑的方法，避免了洪水可能造成的災(zāi)害。

在突發(fā)洪水、基坑淹沒和后續(xù)的基坑排水過程中，需要大壩管理者、業(yè)主工程師和設(shè)計(jì)建造團(tuán)隊(duì)之間的密切配合，也需要加強(qiáng)大壩安全監(jiān)測。

場地地層由表層的粉質(zhì)黏土、中部砂層和下部砂礫石層構(gòu)成。在中部砂層和下部砂礫石層中，分布有厚度不等、不連續(xù)的黏土夾層。下伏基巖為喀斯特化灰?guī)r。

基坑開挖前，先修建SCB防滲墻。在基坑周圍修建圍堰，圍堰的頂部高程106 m，設(shè)計(jì)基坑底高程74 m。設(shè)計(jì)基坑邊坡坡比1∶2.5，有時(shí)因施工需要局部邊坡較陡。

1 排水與監(jiān)測系統(tǒng)

在SCB防滲墻圍定的區(qū)域內(nèi)，為了安全有效地開展基坑開挖工作，設(shè)計(jì)了排水系統(tǒng)，第1圈排水井在37 m×46 m范圍周邊布設(shè)，第2圈排水井在28 m×30 m范圍周邊布設(shè)，排水系統(tǒng)是在現(xiàn)場抽水試驗(yàn)和巖土鉆孔結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。在主動(dòng)淹沒基坑后的排水過程中，排水系統(tǒng)持續(xù)排水量為750～950 L/s，最大排水量約為1 260 L/s。

為使?jié)B壓計(jì)臨界值滿足基坑開挖的需要，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控邊坡穩(wěn)定條件，設(shè)計(jì)了一套監(jiān)測系統(tǒng)，包括：34個(gè)振弦式滲壓計(jì)，一般成對布置，上、下各一個(gè)；10個(gè)鉆孔原位傳感測斜儀，間距3 m；自動(dòng)測量系統(tǒng)，由一個(gè)基站和安裝在基坑周圍的34塊棱鏡組成，用于測量邊坡位移；相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄、無線傳輸硬件，可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳到在線數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，便于查看任何儀器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線。系統(tǒng)用電由電池提供，電池定期更換以維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

監(jiān)測人員根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和歷史情況及時(shí)檢查對比監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將堤岸和人工開挖邊坡作為一個(gè)整體來考慮穩(wěn)定性。

LB法和Yoder法處理下的植被混凝土團(tuán)聚體GMD和MWD平均值大小順序均呈現(xiàn)為草灌喬植被>草灌植被>草本植被。植被的正向演替，促進(jìn)了土壤的團(tuán)聚作用，增強(qiáng)了植被混凝土抗蝕性能。LB法中SW模擬了黏土在輕降雨作用下的膨脹作用，F(xiàn)W對應(yīng)暴雨或灌溉過程中土壤的崩解過程，WS則模擬了機(jī)械破碎過程。MWD和GMD值基本表現(xiàn)為SW>FW>WS，表明植被混凝土受到機(jī)械擾動(dòng)作用破壞最大，其次為暴雨和灌溉的作用，在輕降雨作用下團(tuán)聚體破碎程度最低。因此，對植被混凝土邊坡應(yīng)施用滴灌并重視雨季的有效防護(hù)，以提高植被混凝土邊坡的抗侵蝕性和穩(wěn)定性。

除了每天對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，提出日報(bào)外，監(jiān)測工程師每天(或更頻繁)還要對邊坡穩(wěn)定性、監(jiān)測儀器情況、施工活動(dòng)進(jìn)行巡查，取得的任何監(jiān)測數(shù)據(jù)都要與曾經(jīng)參加過邊坡設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員進(jìn)行討論交流。

2 2011年突發(fā)洪水

2011年春，俄亥俄和密西西比河流域發(fā)生特大洪水，在史密斯蘭德項(xiàng)目場地，洪水漫過了進(jìn)出場道路，城鎮(zhèn)和道路局部被淹，不得不采取主動(dòng)淹沒基坑的措施來保護(hù)基坑開挖的安全，直接影響了3月中旬到6月初的工作。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)有帶閘門的應(yīng)急防洪建筑物，并且已經(jīng)開始建設(shè)，但是當(dāng)洪水到達(dá)時(shí)，基坑還處于開挖初期，應(yīng)急防洪建筑物還沒有建成。

以工程臨時(shí)建筑物應(yīng)急預(yù)案和工程建議為指導(dǎo)，按照防洪建筑物設(shè)計(jì)方案，用拋石、礫石和土工布建成應(yīng)急泄洪槽。工程中與主動(dòng)淹沒基坑相關(guān)事件的大事記如下。

(1) 2011年3月11～25日。進(jìn)場道路和周邊地區(qū)被淹，進(jìn)出現(xiàn)場的唯一交通工具是船只。

(2) 2011年4月。在基坑下游側(cè)，用土工織物、土工格柵、防浪石、拋石建成應(yīng)急泄洪槽。

(3) 2011年4月26日。進(jìn)場道路被洪水淹沒，應(yīng)急泄洪槽建成，進(jìn)洪口(增加的邊坡防護(hù)工程等等)正在施工；現(xiàn)場交通僅依靠船只。

(4) 2011年4月28日。河水位持續(xù)上漲；下部滲壓計(jì)對河水位上漲開始出現(xiàn)反應(yīng)，上部滲壓計(jì)不變；兩個(gè)測斜儀開始記錄讀數(shù)；經(jīng)與供應(yīng)商協(xié)商確定，1號測斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)異常是由于電力供應(yīng)問題導(dǎo)致的，4號測斜儀是由于傳感器故障引起的。

(6) 2011年5月3日。切斷現(xiàn)場電源，排水系統(tǒng)閑置，監(jiān)測儀器靠電池運(yùn)行；滲壓計(jì)開始顯現(xiàn)基坑淹沒的影響，測斜儀無顯著變化。

(7) 2011年5月6日。上游洪峰達(dá)到105 m；滲壓計(jì)水位與河水位、基坑水位一致，測斜儀沒有顯著變化。

(8) 2011年5月12日。河水位降到104.5 m，基坑開始利用排水井和表面泵排水。初期排水速率為0.3 m/d，對基坑邊坡內(nèi)側(cè)進(jìn)行快速降水條件下穩(wěn)定性計(jì)算后得出，排水速率增加到1 m/d。根據(jù)泵的排水能力和其他因素確定基坑內(nèi)水位實(shí)際下降速率，與設(shè)定的下降速率不同。

(9) 2011年5月中旬到6月初?；舆M(jìn)行排水，邊坡的日常監(jiān)測和儀器監(jiān)控繼續(xù)進(jìn)行。邊坡破壞僅限于局部黏性土的淺層滑動(dòng)和表面砂層沖蝕。

(10) 2011年6月8日?；优潘蟛糠忠呀?jīng)完成，施工道路維修，包括局部缺陷超挖和復(fù)填等邊坡恢復(fù)工作正在進(jìn)行。排水過程中沒有發(fā)生較大的邊坡位移或破壞。

(11) 2011年6月13日。重啟主要建設(shè)工作。

3 基坑淹沒和排水監(jiān)測

基坑開始主動(dòng)淹沒與淹沒后，圍堰和基坑邊坡的監(jiān)測主要是地下土體特性的監(jiān)測，土體特性決定著邊坡穩(wěn)定分析的臨界破壞模式。根據(jù)USACE和聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，以及過去類似項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，對以下失穩(wěn)模式進(jìn)行了分析：通過圍堰和邊坡的滲透所造成的內(nèi)部潛蝕，淹沒基坑的水導(dǎo)致的過度表面沖刷，細(xì)粒土蓋層在排水過程中產(chǎn)生的超孔隙水壓力導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)，下部黏土透鏡體在不排水和超孔隙水壓力條件下產(chǎn)生的塊體失穩(wěn)。

4 內(nèi)部潛蝕

當(dāng)河水位上漲到接近堰頂，而基坑尚未淹沒時(shí)，通過圍堰斷面的水頭差較高，內(nèi)部潛蝕的風(fēng)險(xiǎn)最高。通過修建良好的嵌巖SCB防滲墻能夠很好地緩解內(nèi)部潛蝕風(fēng)險(xiǎn)。從27，28，29號滲壓計(jì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以清楚地看出防滲墻的防滲效果，29號滲壓計(jì)位于場地上游防滲墻的外側(cè)，相鄰的一對滲壓計(jì)，27號和28號位于防滲墻內(nèi)側(cè)。29號滲壓計(jì)直接反應(yīng)了上游河水位，而防滲墻內(nèi)側(cè)的一對滲壓計(jì)監(jiān)測到的水位相對穩(wěn)定，顯示水流穿過SCB防滲墻時(shí)水位顯著降低。分析基坑淹沒前后這些滲壓計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢得出，在基坑即將淹沒和淹沒后，SCB防滲墻在降低孔隙水壓力方面效果顯著。最近，SCB防滲墻前后的水位差較大，反映了排水的持續(xù)影響。

鄰近區(qū)域埋設(shè)在相同海拔高度、同一土層中的滲壓計(jì)的測壓水位可以監(jiān)測潛在的滲透破壞。從淹沒開始至今，埋設(shè)在相同高程的上部滲壓計(jì)和下部滲壓計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)具有明顯的一致性，說明基坑周圍的SCB防滲墻防滲效果很好。在邊坡的日常巡視中，只發(fā)現(xiàn)細(xì)粒土局部有滲水現(xiàn)象，基坑中從未發(fā)現(xiàn)顯著的滲漏現(xiàn)象。

5 表面沖刷與邊坡失穩(wěn)

在植被覆蓋之前，基坑邊坡的砂性土層在暴雨期間表面沖刷嚴(yán)重。通常，強(qiáng)降雨過后，必須對無草區(qū)的斜坡進(jìn)行適當(dāng)修整。表面沖刷主要發(fā)生在應(yīng)急泄洪槽附近，嚴(yán)格按照臨時(shí)建筑物應(yīng)急預(yù)案的要求和預(yù)先設(shè)計(jì)的應(yīng)急防洪建筑物斷面尺寸進(jìn)行施工，可以減輕表面沖刷。在基坑淹沒和排水過程中，對應(yīng)急泄洪槽進(jìn)行了認(rèn)真檢查，沒有發(fā)現(xiàn)過水對泄洪槽產(chǎn)生明顯的破壞。

場地蓋層粉質(zhì)黏土是人工填土，厚度變化大。下伏砂層，可以自由排水?；友蜎]后，進(jìn)行的邊坡穩(wěn)定性分析表明，如果上部黏性土在基坑水位下降時(shí)不能及時(shí)排出所含的水，就極有可能失穩(wěn)。因?yàn)樵诜圪|(zhì)黏土層中未安裝滲壓計(jì)，因此只能采用巖土勘察所獲得的資料進(jìn)行瞬變滲流分析，確定排水時(shí)土體中的孔隙水壓力。分析表明，基坑排水時(shí)，由于下部砂層的存在，起到了有效的排水作用，在粉質(zhì)黏土層中超孔隙水壓力并未像預(yù)計(jì)的那樣發(fā)展?；优潘畷r(shí)，在粉質(zhì)黏土層分布范圍內(nèi)，每天都對測斜儀測定的位移曲線進(jìn)行仔細(xì)分析，開展多次現(xiàn)場巡查，沒有發(fā)現(xiàn)邊坡有明顯的滑動(dòng)跡象，但在粉質(zhì)黏土層和下伏砂層的接觸面附近發(fā)現(xiàn)有幾處淺層潛蝕。

6 下部黏土夾層的塊體失穩(wěn)

設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算顯示，在不排水條件下，邊坡失穩(wěn)模式是下部黏土夾層的塊體失穩(wěn)。因此在該項(xiàng)目早期，對已有鉆孔和試驗(yàn)資料進(jìn)行了認(rèn)真研究，補(bǔ)充了部分鉆孔以查明黏土夾層的厚度和分布范圍。然而補(bǔ)充勘察并未查明下伏黏土夾層的層數(shù)及其分布的連續(xù)性，因此對基坑開挖邊坡進(jìn)行了設(shè)計(jì)，假定鉆孔中會(huì)連續(xù)遭遇不排水的黏土夾層，厚度1.5～3.0 m。在黏土夾層不同的分布范圍和深度埋設(shè)了滲壓計(jì)?；友蜎]和排水期間場地埋設(shè)的滲壓計(jì)觀測數(shù)據(jù)表明，上部砂層、下部砂礫石層對黏土夾層起到了有效的排水作用，黏土層、砂礫石層中的滲壓計(jì)監(jiān)測到的滲壓值非常接近，并且具有同步變化特征。在基坑淹沒時(shí)，儀器讀數(shù)滯后約1 d，然后快速增長到基坑實(shí)際水位。在排水過程中，抽水開始及增加有效抽水量時(shí)，SCB防滲墻內(nèi)的所有滲壓計(jì)都有明顯反應(yīng)。

在基坑邊坡土體中埋設(shè)了滲壓計(jì)和原位傾斜儀，監(jiān)測邊坡土體不同深度的位移情況。在圍堰建成后、基坑開挖前，埋設(shè)測斜儀。由圍堰的附加荷載及排水導(dǎo)致的固結(jié)是持續(xù)的。

因此，測斜儀測量的初始位移要比在一般預(yù)固結(jié)場地的大，或者說深部測斜儀的位移量變化較小。4號測斜儀埋設(shè)在場地西南角，這里位于歷史上的排水渠道，套管安裝數(shù)周后，再在套管內(nèi)安裝原位測斜儀時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于初始位移量過大，套管已發(fā)生破壞。位移增量曲線的左右轉(zhuǎn)折是由于圍堰施工和進(jìn)入基坑的坡道影響造成的，在施工初期，需要在測斜儀埋設(shè)處回填土，對斜坡進(jìn)行切削和回填。

在淹沒和排水期，測斜儀沒有監(jiān)測到明顯的位移。但在基坑淹沒前幾天，隨著河水位的上漲，現(xiàn)場工程師記錄到了兩個(gè)測斜儀(1號和4號)的位移數(shù)值。在對現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)的檢查并對記錄到位移的兩個(gè)測斜儀進(jìn)行核查后，沒有發(fā)現(xiàn)有其他測斜儀監(jiān)測到位移，經(jīng)與測斜儀供應(yīng)商聯(lián)系，并對這兩個(gè)測斜儀進(jìn)行檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4號傾斜儀傳感器發(fā)生了故障，1號測斜儀供電電壓過低導(dǎo)致儀器不能正常工作。這種情況的發(fā)生告誡我們，當(dāng)看到監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治?，挑選出正確的讀數(shù)：①對數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行核查或重讀一次讀數(shù)；②每個(gè)儀器的讀數(shù)要和其他可用儀器、施工活動(dòng)、歷史監(jiān)測情況，以及一般感覺等相互應(yīng)證；③若還不能確定讀數(shù)的真實(shí)性，則應(yīng)對儀器和場地條件進(jìn)行嚴(yán)格檢查，直到找出導(dǎo)致讀數(shù)異常的原因。在對監(jiān)測成果進(jìn)行分析前，應(yīng)仔細(xì)認(rèn)真地提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，避免項(xiàng)目工作人員無謂的付出，并承受不必要的壓力。

7 結(jié) 語

2011年初，俄亥俄河發(fā)生大洪水后，史密斯蘭德水電項(xiàng)目采取了主動(dòng)淹沒基坑的措施，對圍堰和基坑區(qū)域使用了實(shí)時(shí)電子儀器進(jìn)行監(jiān)測，并對現(xiàn)場進(jìn)行了詳細(xì)而頻繁的巡查，成功保證了工程建設(shè)的安全，并達(dá)到了及時(shí)有效的復(fù)工目的?，F(xiàn)在，基坑開挖已經(jīng)完成，水力發(fā)電廠的建設(shè)正在進(jìn)行之中。