基于深厚覆蓋層的面板堆石壩沉降變形規(guī)律分析

熊成林，鄧 偉，姜 龍

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 工程安全監(jiān)測中心，北京 100048；2.北京中水科工程總公司，北京 100038；3.淮河水利委員會 水利水電工程技術(shù)研究中心，安徽 蚌埠 233001）

基于深厚覆蓋層的面板堆石壩沉降變形規(guī)律分析

熊成林1，2，鄧 偉3，姜 龍1，2

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 工程安全監(jiān)測中心，北京 100048；2.北京中水科工程總公司，北京 100038；3.淮河水利委員會 水利水電工程技術(shù)研究中心，安徽 蚌埠 233001）

本文依托河口村水庫工程安全監(jiān)測項(xiàng)目，通過壩基、壩體沉降變形監(jiān)測資料分析，系統(tǒng)地研究深厚覆蓋層面板堆石壩沉降變形變化規(guī)律。成果表明：（1）壩基和壩體沉降填筑期隨填筑高度增加而增大，靜置期隨時間增加而增大，整體呈先增加而后減小直至趨于零的趨勢；（2）壩基和壩體沉降趨穩(wěn)，主要受壩基地質(zhì)情況和壩體填筑高程影響；（3）堆石壩沉降整體與壩型呈不對稱分布，其最大沉降量約占壩高的0.72%，符合一般土石壩沉降變形規(guī)律。監(jiān)測成果為保證大壩填料、混凝土面板施工以及評價大壩安全性狀提供科學(xué)依據(jù)，亦可為類似工程提供借鑒和參考。

面板堆石壩；深厚覆蓋層；監(jiān)測；沉降變形

1 工程概況

河口村水庫位于黃河一級支流沁河最后一段峽谷出口處，工程規(guī)模為大（2）型，是以防洪、供水為主，兼顧灌溉、發(fā)電、改善河道基流等綜合利用的大型水利工程，也是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分。河口村水庫壩址區(qū)位于嚇魂潭與河口灘之間，平面上呈反“S”形展布，河谷為“U”型谷。壩址區(qū)谷坡覆蓋層較薄，谷底覆蓋層較厚，且分布4條間斷的黏性土層，出露地層有太古界登封群、中元古界汝陽群、古生界寒武系及第四系。壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造為饅頭組下部發(fā)育一褶皺層，以及逆斷層（F9、F10、F12）和正斷層（F1）等。壩址區(qū)存在單斜構(gòu)造雙層含水層區(qū)、龜頭山褶皺斷裂混合透水層區(qū)、斷層密集帶低水位區(qū)及河床砂卵石含水層及基巖淺層風(fēng)化區(qū)［1］。

鑒于河口村水庫面板堆石壩位于深厚覆蓋層之上，并結(jié)合壩基處理情況，進(jìn)行了壩基和壩體沉降變形監(jiān)測方案及施工。該監(jiān)測成果能及時、可靠地反饋面板堆石壩設(shè)計(jì)和施工，為施工期、運(yùn)行期水庫安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

2 工程設(shè)計(jì)及施工

2.1 工程設(shè)計(jì) 河口村水庫工程由混凝土面板堆石壩、1#泄洪洞、2#泄洪洞、引水發(fā)電洞、溢洪道及水電站等組成，其中混凝土面板堆石壩壩基為深厚覆蓋層黏性土，壩體采用上游為級配料、下游為非級配料填筑。壩基覆蓋層一般厚度30m，最大厚度為40 m，巖性為含漂石及泥的砂卵石層，夾4層連續(xù)性不強(qiáng)的黏性土及若干個砂層透鏡體。結(jié)合河口村水庫工程勘測成果和面板堆石壩工程特點(diǎn)，壩體填筑按上游區(qū)為主堆料和下游區(qū)為次堆料，壩基開挖和處理為上游核心區(qū)為高壓旋噴樁和下游覆蓋層局部或表層清除。

上游主堆料區(qū)壩基（D0+00—D0+50）為高壓旋噴樁處理，間距從上至下逐漸密疏，在1.6～2.4m之間，壩基（D0+50—D0+180）為挖除換填區(qū)，挖除覆蓋層表層及淺層透鏡體，置換級配碎石；下游次堆料區(qū)壩基（D0+180—D0+364）表層局部挖除，壩后壓坡區(qū)為原始地貌。具體處理情況見圖1。

圖1 面板堆石壩壩基處理情況

2.2 工程施工 壩基覆蓋層開挖處理情況，壩軸線上游至防滲墻之間基礎(chǔ)由原河床175.0m高程挖至165.0m高程，并對防滲墻、連接板、趾板及防滲墻下游50m范圍基礎(chǔ)采用高壓旋噴樁進(jìn)行了專門加固處理；壩軸線下游次堆區(qū)覆蓋層基礎(chǔ)開挖至170.0 m高程，但在壩下0+000—0+180靠近右岸岸坡部位發(fā)現(xiàn)有較厚的黏性土層及砂層透鏡體，且有向左岸延伸的趨勢，該層黏性土并未完全挖除。

2011年5月開始主堆料區(qū)壩基高壓旋噴樁施工，隨后進(jìn)行壩基開挖和換填，直至2011年12月結(jié)束基礎(chǔ)處理及下游壩基表層處理施工。

堆石壩填筑情況，首先在壩基上游填筑2m墊層料，其上回填主堆料，至215m高程時分別填筑主堆料和次堆料，形成堆石壩所謂的“金包銀”填料方式。

2012年3月開始填筑，至215 m高程前壩上下游填筑高程有所差異，至225.5m填筑高程基本一致，其后同步填筑直至2013年12月主體填筑至286m高程。其具體填筑情況見圖2。

圖2 河口村水庫堆石壩填筑高度

3 監(jiān)測設(shè)計(jì)及施工

3.1 監(jiān)測設(shè)計(jì) 結(jié)合谷底深厚覆蓋層和面板堆石壩結(jié)構(gòu)布置情況，工程采取覆蓋層挖除、高壓旋噴樁等治理措施。依據(jù)壩基處理情況和壩體填筑進(jìn)度，進(jìn)行監(jiān)測施工，確保與土建同設(shè)計(jì)、同施工、同運(yùn)行。水平固定測斜儀用于監(jiān)測壩基沉降，振弦式水管沉降儀用于監(jiān)測壩體沉降，單向測縫計(jì)及三向測縫計(jì)用于監(jiān)測防滲墻及連接板、連接板及趾板、趾板及面板和面板間變形，土壓力計(jì)及應(yīng)變計(jì)用于監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力及應(yīng)變情況。為檢驗(yàn)治理效果和監(jiān)測堆石壩受力變形特性，埋設(shè)了一套從上游到下游貫通的水平固定測斜儀，用于監(jiān)測350多米的壩基沉降；埋設(shè)了3層從上游到下游貫通的振弦式水管沉降儀，用于監(jiān)測壩體沉降。其典型監(jiān)測布置情況見圖3［2］。

3.2 監(jiān)測施工 壩基水平固定測斜儀在173m高程處安裝埋設(shè)，首先開挖溝槽并整平，再澆筑固定端，然后布設(shè)連接桿和保護(hù)管，再后調(diào)整水平固定測斜儀角度和系統(tǒng)調(diào)平，最后布設(shè)基準(zhǔn)管及配套保護(hù)裝置。整套監(jiān)測系統(tǒng)共布置63支儀器，全長364m，安裝埋設(shè)時間約10 d。

壩體振弦式水管沉降儀在221.5、241.5及260.0m處安裝埋設(shè)，首先開挖溝槽并整平，再澆筑固定端，然后布設(shè)連接管和保護(hù)管，再后調(diào)整振弦式水管沉降儀角度和系統(tǒng)調(diào)平，最后布設(shè)水管標(biāo)尺及配套保護(hù)裝置。3套監(jiān)測系統(tǒng)共布置34支儀器，全長460m，安裝埋設(shè)時間約20 d。

壩基及壩體沉降監(jiān)測系統(tǒng)安裝埋設(shè)后，讀取初始讀數(shù)作為基準(zhǔn)值，并隨填筑高度和時間，測讀儀器原始測值，計(jì)算相應(yīng)沉降量［3］，以便反饋設(shè)計(jì)及填筑施工。

圖3 大壩典型監(jiān)測斷面布置

4 安全監(jiān)測成果分析

4.1 壩基沉降變形特性 為了解大壩壩基沉降變化規(guī)律，在壩基（▽173m）埋設(shè)了一套水平固定測斜儀。其沉降隨時間變化曲線如圖4，壩基典型剖面沉降曲線如圖5。

圖4 壩基沉降隨時間變化曲線

圖5 壩基剖面沉降曲線

從圖4和圖5可見，壩基沉降隨填筑高度增加而增大，壩上游受高壓旋噴樁加固影響而較小，壩下游受覆蓋層厚度影響而較大，整體與壩型呈不對稱分布。沉降速率與填筑高程較為吻合，呈現(xiàn)先增加而后減小直至趨于零的趨勢，最大沉降位置和速率分別在壩下51m處以及填筑至230～250m高程之間，這與壩上游經(jīng)高壓旋噴樁和壩基表層處理有顯著關(guān)聯(lián)性，并受大壩整體應(yīng)力重分布動態(tài)調(diào)整直接影響［4-5］。填筑至225m高程時，最大沉降變形為461mm（D0-182）；填筑至240m高程時，最大沉降變形為651mm（D0-51）；填筑至286m高程時，最大沉降變形為789mm（D0-51）；填筑至286m高程靜置近半年后，沉降變形在一定范圍內(nèi)波動，測值基本穩(wěn)定。壩基沉降在填筑期主要受壩基地質(zhì)情況和填筑高程影響，在靜置期主要受壩基地質(zhì)條件和水平固定測斜儀系統(tǒng)誤差影響。壩基沉降較好地反饋設(shè)計(jì)和施工，為控制大壩填筑時間和高程提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 壩體沉降變形特性 為了解大壩壩體沉降變化規(guī)律，在壩體（▽223.5m、▽244.5m和▽260.0m）布置了振弦式水管沉降儀。其沉降隨時間變化曲線如圖6，壩體典型剖面沉降分布曲線如圖7。

圖6 壩體沉降隨時間變化曲線

從圖6和圖7可見，壩體沉降隨填筑高度增加而增大，填筑期增幅較大，靜置期增幅較小。壩體沉降在填筑前期受壩基地質(zhì)情況影響較大，填筑一定厚度后受填料性狀影響較大，填筑結(jié)束后沉降變形仍持續(xù)增加，靜置近一年后增幅明顯減小。壩體沉降填筑期與填筑范圍及高程相關(guān)性較好，靜置期與壩體填料應(yīng)力重分布調(diào)整有關(guān)，呈現(xiàn)先增加而后減小直至趨于零的趨勢［6］。壩體沉降較好地反饋設(shè)計(jì)和施工，為混凝土面板施工提供科學(xué)依據(jù)。

圖7 壩體典型剖面沉降分布曲線（2015/07/22）

4.3 堆石壩沉降變形特性 依據(jù)前文的壩基和壩體沉降變形變化規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場施工工況，將大壩D0+140斷面布置的水平固定測斜儀、振弦式沉降儀所監(jiān)測的沉降變形綜合分析，堆石壩沉降分布曲線見圖8。

圖8 堆石壩沉降分布曲線（2015/07/22）

從圖8可見，壩基最大沉降773mm（D0-51），壩體最大沉降447mm（D0+82），大壩整體最大沉降1095mm（D0-11）。河口村水庫工程堆石壩最大壩高112 m，壩基最大覆蓋層厚度40m。綜合考慮大壩高度，現(xiàn)階段大壩整體最大沉降量約占壩高的0.72%，整體沉降變形量符合一般土石壩沉降變形規(guī)律［7］。監(jiān)測成果為保證大壩填料時間間隔、混凝土面板施工時間以及評價大壩安全性狀提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）壩基和壩體沉降填筑期隨填筑高度增加而增大，靜置期隨時間增加而增大，整體呈先增加而后減小直至趨于零的趨勢；（2）壩基沉降靜置近半年后增幅顯著減小，壩體沉降靜置近一年后增幅顯著減小。這主要受壩基地質(zhì)情況和壩體填筑高程影響；（3）壩基最大沉降773mm（D0-51），壩體最大沉降447mm（D0+82），大壩整體最大沉降1 095mm（D0-11）。沉降整體與壩型呈不對稱分布，其最大沉降量約占壩高的0.72%，符合一般土石壩沉降變形規(guī)律。監(jiān)測成果為保證大壩填料、混凝土面板施工以及評價大壩安全性狀提供科學(xué)依據(jù)。

［1］ 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司.河南省河口村水庫工程下閘蓄水安全鑒定設(shè)計(jì)自檢報(bào)告［R］.2014.

［2］ 中國水利水電科學(xué)研究院.河南省河口村水庫工程下閘蓄水安全鑒定安全監(jiān)測自檢報(bào)告［R］.2014.

［3］ 土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：SL 551-20012［S］.

［4］ 艾斌.混凝土面板堆石壩變形及監(jiān)測問題［J］.大壩與安全，1996（3）：28-33.

［5］ 潘家軍，饒錫保，周欣華，等.深厚覆蓋層上面板堆石壩新型結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形性狀影響因素研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2015，46（S1）：163-167.

［6］ 溫續(xù)余，徐澤平，邵宇，等.深覆蓋層上面板堆石壩的防滲結(jié)構(gòu)形式及其應(yīng)力變形特征［J］.水利學(xué)報(bào)，2007，38（2）：211-216.

［7］ 王玉才 .河谷形壯對深覆蓋層上面板堆石壩變形的影響［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9（6）：1439-1442.

Analysis on the settlement deformation law of face rock fill dam based on deep overburden

XIONG Chenglin1，2，DENG Wei3，JIANG Long1，2
（1.Engineering Safety Monitoring Center，IWHR，Beijing 100048，China；2.Beijing IWHR Corporation，Beijing 100038，China；3.The Research Centre of Water Resources and Hydropower Engineering Technology of HuaiheWater Resources Comm ission，Bengbu 233001，China）

With the rapid development of national economy and construction，the construction of hydraulic engineering has reached a peak.At the same time，the engineering geological problems encountered become more and more complex.Based on the project of safety monitoring in HeKou Reservoir，this paper systemically studied the settlement deformation law of concrete faced rock fill dam(CFRD)with deep overburden layer by analysis of the settlement deformation data of foundation and dam.Results showed that:① settlement of dam and foundation increased with the filling height during the filling stage and increased with time during the static stage.The settlement increased rapidly at first and then became slow ly and slowly until zero.② Settlement stabilization of dam and foundation were mainly influenced by the geological condition of foundation and filling height.③ the overall settlement distribution of Rockfill dam was asymmetric with dam type，the maximum settlement is about 0.72% of the dam height.It agree with the general law of earth rock dam settlement deformation.The monitoring results provide a scientific basis for dam filling，concrete face slab construction and safety evaluation of dam.It can also provide reference for similar projects.

face rock fill dam；deep overburden；monitor；settlement deformation

TV641.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.02.011

1672-3031（2016）02-0150-05

（責(zé)任編輯：王冰偉）

2015-11-05

能成林（1974-），江西臨川人，高級工程師，主要從事工程安全監(jiān)測技術(shù)研究。E-mail：xiong-chengling@126.com