印度尼西亞Jatigede大壩工程壩體心墻孔隙水壓力分析

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

1 工程概況

Jatigede大壩工程位于印度尼西亞西爪哇省的Cimanuk河上，距離Cirebon城75km。工程所在地為赤道地區(qū)，屬熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫26℃，年平均降雨量2880mm。每年分為雨季和旱季，雨季時(shí)段為每年11月至次年4月，旱季時(shí)段為5月至10月。

Jatigede大壩工程控制流域面積1460km2，水庫(kù)總庫(kù)容1062.78×106m3。大壩壩型為粘土心墻堆石壩，最大壩高110m。電站裝機(jī)容量110MW，多年平均發(fā)電量約4.5億kW·h。樞紐主要建筑物包括：大壩、溢洪道、灌溉洞、發(fā)電進(jìn)水口、隧洞、調(diào)壓井、壓力管道和廠房等。粘土心墻堆石壩、溢洪道控制段地震設(shè)防烈度為Ⅸ度，其它建筑物的地震設(shè)防烈度為Ⅷ度。

2 壩體設(shè)計(jì)

Jatigede水庫(kù)大壩壩型為粘土心墻堆石壩。壩頂高程265.00m，最大壩高110m，壩軸線長(zhǎng)1668m。上游圍堰與大壩連為一體，為大壩的一部分。圍堰頂部高程204.00m，頂寬12.00m。上游壩坡在204.00m高程以上為1∶2，以下為1∶3。下游壩坡1∶1.9，設(shè)三級(jí)馬道，馬道寬均為6.0m，頂高程分別為235.00m、205.00m和175.00m。

壩體斷面分為6個(gè)區(qū)，從中部向上、下側(cè)均為(1)粘土防滲墻區(qū)、(2A)、(2B)反濾料區(qū)、(3A)過(guò)渡料區(qū)(最大粒徑40cm)、(3B)堆石區(qū)(最大粒徑80cm)和(4)干砌石護(hù)坡。

3 大壩心墻孔隙水壓力

本工程于2008年開(kāi)工。大壩于2012年5月開(kāi)始填筑，2014年8月2日壩體填筑結(jié)束。2015年8月31日大壩下閘蓄水。2016年5月31日大壩蓄水到252.27m(最近蓄水的高點(diǎn))。2016年5月31日至2017年4月，大壩水位保持在250m～252.0m之間。2017年4月以后，大壩水位保持在245m～252.0m之間。

選擇最大壩高剖面Sta1+100為大壩主要監(jiān)測(cè)斷面，大壩孔隙水壓力計(jì)共計(jì)16個(gè)點(diǎn)(PP1-PP16)，設(shè)在1#監(jiān)測(cè)斷面，各測(cè)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖1。

圖1 主要監(jiān)測(cè)斷面孔隙水壓力計(jì)剖面

3.1 Sta1+100監(jiān)測(cè)斷面171.50m高程處孔隙水壓力分析

最大壩高斷面(Sta1+100)，171.50m高程共設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為PP12、PP13、PP14、PP15、PP16，其中PP13、PP14、PP15三個(gè)點(diǎn)位于心墻內(nèi)，PP12和PP16位于心墻上、下游側(cè)的反濾層2A中。2013年12月7日，PP13損壞，以后無(wú)監(jiān)測(cè)值；2014年5月19日，PP12損壞，以后無(wú)監(jiān)測(cè)值；其余各點(diǎn)在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)有測(cè)值。

3.1.1 降水量、壩體填筑、庫(kù)水位及孔隙水壓力時(shí)間曲線

圖2 Sta1+100斷面171.50m高程處降水量、壩體填筑、庫(kù)水位及孔隙水壓力時(shí)間曲線

3.1.2 壩體填筑、庫(kù)水位及孔隙水壓力時(shí)間曲線

圖3 Sta1+100斷面171.50m高程處壩體填筑、庫(kù)水位及孔隙水壓力時(shí)間曲線

3.1.3 孔隙水壓力分析

(1)2012年6月7日，壩體填筑至171.77m，PP12-PP16開(kāi)始有測(cè)值，2014年7月2日壩體填筑結(jié)束。

在壩體填筑過(guò)程中，至PP13損壞(2013年12月7日)以前，隨著壩體的升高，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值逐漸增大；越靠近心墻中部，孔隙水壓力越大，越靠心墻外緣，監(jiān)測(cè)值越小。(注：在PP13損壞時(shí)，PP14測(cè)值從241.2m下降至234.2m，下降了7m，監(jiān)測(cè)值異常。PP13的測(cè)值隨著壩體的升高逐漸增大，但測(cè)值偏大，可能異常。)

(2)2014年8月2日壩體填筑結(jié)束，2015年8月31日大壩下閘蓄水。

壩體填筑結(jié)束時(shí)，心墻中部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)PP14達(dá)到蓄水前的最大值238.09m；以后隨著時(shí)間的增加，孔隙水壓力逐漸消散，PP14的監(jiān)測(cè)值緩慢降低。

(3)2015年8月31日大壩下閘蓄水，2016年5月4日大壩蓄水至251.92m。

在此期間，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)PP14、PP15、PP16的孔隙水壓力隨著上游庫(kù)水位的上升而迅速增加；靠近上游的點(diǎn)升高值較大，靠近下游的點(diǎn)升高值較小。

(4)2016年5月4日-2017年5月31日，庫(kù)水位保持在250.0m～252.50m之間，大壩外荷載基本上保持不變，PP14、PP15孔隙水壓力緩慢降低，表明：大壩心墻進(jìn)一步固結(jié)，超孔隙水壓力進(jìn)一步消散。(2016年5月4日，PP14的監(jiān)測(cè)值達(dá)到最大值247.9m，PP15的監(jiān)測(cè)值達(dá)到最大值234.6m。)

2017年5月31日之后，基本形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)，PP14、PP15孔隙水壓力與上游水位變化直接相關(guān)，監(jiān)測(cè)數(shù)值隨水位變化而緩慢變化，且整體呈下降趨勢(shì)。

根據(jù)圖2、圖3，水庫(kù)蓄水至2018年5月4日時(shí)，心墻內(nèi)PP14、PP15各點(diǎn)的孔隙水壓力可能還沒(méi)有完全消散。

(5)監(jiān)測(cè)點(diǎn)PP12，位于心墻外上游的反濾料2A中，能自由排水。在壩體填筑過(guò)程中，PP12孔隙水壓力基本不受壩體填筑上升的影響，但與上游圍堰的水位相關(guān)：圍堰水位高，PP12孔隙水壓力較大；圍堰水位低，PP12孔隙水壓力較小。

(6)監(jiān)測(cè)點(diǎn)PP16，位于心墻外下游的反濾料2A中，能自由排水。在壩體填筑期、蓄水過(guò)程中，以及蓄水后期，PP16孔隙水壓力基本不受壩體填筑影響，監(jiān)測(cè)值為171.8m～173.9m，變化極小。

(7)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)值，與降水相關(guān)性不大。

3.2 STA1+100監(jiān)測(cè)斷面201.50m高程處孔隙水壓力分析

最大壩高斷面(Sta1+100)，201.50m高程共設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為PP7、PP8、PP9、PP10、PP11，其中PP8、PP9、PP10三個(gè)點(diǎn)位于心墻內(nèi)，PP7和PP11分別位于上、下游反濾層2A中。2015年2月4日，PP7損壞，無(wú)監(jiān)測(cè)值；其余各點(diǎn)在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)有效。

3.2.1 降水量、壩體填筑、庫(kù)水位及孔隙水壓力時(shí)間曲線

圖4 Sta1+100斷面201.50m高程處降水量、壩體填筑、庫(kù)水位及孔隙水壓力時(shí)間曲線

3.2.2 庫(kù)水位及孔隙水壓力時(shí)間曲線

圖5 Sta1+100斷面201.50m高程處庫(kù)水位及孔隙水壓力時(shí)間曲線

3.2.3 不同時(shí)間的孔隙水壓力曲線

壩體填筑至壩頂后，在201.50m高程處不同時(shí)間的孔隙水壓力曲線見(jiàn)圖6。

圖6 Sta1+100斷面201.50m高程不同時(shí)間的孔隙水壓力曲線

3.2.4 孔隙水壓力分析

(1)2012年9月5日，壩體填筑至202.883m，PP7-PP11開(kāi)始有測(cè)值，2014年8月2日壩體填筑結(jié)束。

在壩體填筑過(guò)程中，隨著壩體的升高，壩體荷載增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值逐漸增大；越靠近心墻中部，孔隙水壓力越大，越靠心墻外緣，監(jiān)測(cè)值越小。(注：PP10的測(cè)值偏大，可能是該點(diǎn)下游及下部心墻滲透系數(shù)極小造成的。)

(2)2014年8月2日壩體填筑結(jié)束，2015年8月31日大壩下閘蓄水。

填筑結(jié)束時(shí)，心墻中部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)PP9達(dá)到蓄水前的最大值218.92m；以后隨著時(shí)間的增加，孔隙水壓力逐漸消散，PP9的監(jiān)測(cè)值緩慢降低。

(3)2015年10月31日庫(kù)水位上升至201.50m，2016年5月4日大壩蓄水至251.92m。2015年2月4日，PP7損壞，無(wú)監(jiān)測(cè)值。

在此期間，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)PP7、PP8、PP9、PP10、PP11的孔隙水壓力隨著上游庫(kù)水位的上升而迅速增加；靠近上游的點(diǎn)升高值較大，靠近下游的點(diǎn)升高值較小。

(4)2016年5月4日至2018年5月4日，庫(kù)水位保持在245.0m～253.0m之間，心墻內(nèi)PP8、PP9、PP10仍逐漸緩慢上升，越靠近上游的點(diǎn)上升越大，說(shuō)明各點(diǎn)的孔隙水壓力還沒(méi)有完全消散。

(5)監(jiān)測(cè)點(diǎn)PP7，位于心墻外上游的反濾料2A中，能自由排水。在壩體填筑過(guò)程中，PP7孔隙水壓力基本不受壩體填筑上升的影響，監(jiān)測(cè)值為200.8m～202.04m，基本不變。

(6)監(jiān)測(cè)點(diǎn)PP11，位于心墻外下游的反濾料2A中，能自由排水。在壩體填筑期、蓄水過(guò)程中，以及蓄水后期，PP11孔隙水壓力基本不受壩體填筑影響，監(jiān)測(cè)值為202.76m～205.98m，變體極小。

(7)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)值，與降水相關(guān)性不大。

4 大壩心墻孔隙水壓力監(jiān)測(cè)分析及結(jié)論

4.1 與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比

孔隙水壓力計(jì)PP8、PP9、PP10，PP13、PP14、PP15的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：2012年9月1日-2015年8月31日(大壩蓄水前)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，201.50m高程的測(cè)點(diǎn)PP10最大壓力值179kPa(2014年7月13日)，171.50m高程的測(cè)點(diǎn)PP13測(cè)值一直較大(883kPa，2013年11月7日)，后因儀器故障測(cè)值中斷；相鄰位置的測(cè)點(diǎn)PP15具有最大壓力值736kPa(2014年7月3日)。

有限元計(jì)算結(jié)果表明：竣工時(shí)201.50m高程的測(cè)點(diǎn)PP10附近的大主應(yīng)力約為800kPa，小主應(yīng)力約為350kPa，體應(yīng)力約為575kPa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力為179kPa(2014年7月13日)，相應(yīng)有效應(yīng)力為396kPa；171.50m高程的測(cè)點(diǎn)PP15附近大主應(yīng)力約為1400kPa，小主應(yīng)力約為650kPa，體應(yīng)力約為1025kPa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力為736kPa(2014年7月3日)，相應(yīng)有效應(yīng)力約為289kPa。監(jiān)測(cè)到的孔隙水壓力遠(yuǎn)小于相應(yīng)位置粘土心墻體應(yīng)力，因此，粘土心墻不會(huì)發(fā)生破壞，是安全的。

4.2 結(jié)論

(1)在壩體填筑過(guò)程中，隨著壩體的升高，壩體荷載增加，心墻內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值逐漸增大；越靠近心墻中部，孔隙水壓力越大，越靠心墻外緣，監(jiān)測(cè)值越??；

(2)大壩填筑至壩頂與蓄水之間的時(shí)段內(nèi)，隨著時(shí)間推移，孔隙水壓力逐漸消散，同時(shí)有效應(yīng)力逐漸增大。孔隙水壓力的消散速度與滲透路徑有關(guān)，滲透路徑越大孔隙水壓力消散速度越慢、時(shí)間越長(zhǎng)；

(3)2015年8月31日-2016年5月4日(導(dǎo)流洞下閘封堵至大壩蓄水至251.92m)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，隨著上游庫(kù)水位的上升，心墻內(nèi)的孔隙水壓力逐漸增大；靠近心墻上游的點(diǎn)升高值較大，靠近心墻下游的點(diǎn)升高值較??；

(4)大壩蓄水到正常水位，大壩正常運(yùn)行時(shí)，即使孔隙水壓力沒(méi)有完全消散，也會(huì)在形成穩(wěn)定滲流后與滲透水壓力平衡，形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)；

(5)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)值，與降水相關(guān)性不大；

(6)監(jiān)測(cè)到的孔隙水壓力遠(yuǎn)小于相應(yīng)位置粘土心墻體應(yīng)力，因此，粘土心墻不會(huì)發(fā)生破壞，是安全的。結(jié)合壩體沉降、水平位移、滲流等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，表明壩體設(shè)計(jì)是安全的，且壩體填筑質(zhì)量好。