長河壩特高土石壩首次蓄水期安全監(jiān)測資料分析

伍文鋒， 稅思梅

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院長江空間信息技術(shù)工程有限公司， 湖北 武漢 430072；2.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

我國已建的水庫大壩中，土石壩占90%以上；目前有1/4左右的大中型水庫大壩、2/5左右的小型水庫大壩存在著不同程度的安全問題，其中以土石壩居多[1]。何敏[2]、姜景山[3]等對土石壩安全監(jiān)測資料分析和穩(wěn)定性評價進行了研究，認為土石壩監(jiān)測資料分析和穩(wěn)定性評價非常重要，也是難點之一。因此，如何對土石壩，特別是高土石壩進行監(jiān)測資料分析和穩(wěn)定性評價，對工程的安全運行意義重大。

長河壩水電站系大渡河干流水電規(guī)劃“3庫22級”的第10級電站，是以單一發(fā)電為主的大型水庫電站，無航運、漂木、防洪、灌溉等綜合利用要求。工程區(qū)位于四川省康定縣境內(nèi)，壩址位于大渡河上游金湯河口以下約7 km河段。樞紐主要建筑物由礫石土心墻堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、3條泄洪洞和1條放空洞等建筑物組成。長河壩水電站水庫總庫容為10.75億m3，裝機容量2 600 MW。壩體建基面最低高程1 457.00 m，最大壩高242.50 m，壩頂長度502.85 m，壩頂寬度16 m，上、下游壩坡均為1 ∶2.0；礫石土直心墻頂高程1 698.90 m，頂寬6 m，上、下游坡均為1 ∶0.25，心墻底高程1 457.00 m，最大底寬134.51 m。

壩址處大渡河由南東轉(zhuǎn)為南西流向形成一個90°的河灣。壩軸線附近河谷相對開闊，呈較寬的“V”型，兩岸自然邊坡陡峻，臨江坡高700 m左右。壩基河床覆蓋層厚60～70 m，局部達79.3 m，由下至上從老至新分為三層。第一層漂(塊)卵(碎)礫石層(fglQ3)：分布河床底部，厚3.32～28.50 m；第二層含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ41)，厚5.84～54.49 m，分布在河床覆蓋層中部及一級階地上；第三層漂(塊)卵礫石(alQ42)：分布河床淺表，厚4.0～25.8 m。

長河壩壩基河床有較厚的覆蓋層，存在地基承載力與不均勻變形問題、覆蓋層壩基滲漏及滲透變形穩(wěn)定問題、覆蓋層地基抗滑穩(wěn)定問題、砂層液化等問題。土石壩壩體高，采用散粒材料筑壩，本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，施工期和運行期，特別是首次蓄水期間的安全穩(wěn)定問題突出。長河壩首次蓄水期間，如何對監(jiān)測資料進行整理分析，找出建筑物的變化規(guī)律，并通過分析成果評價工程的安全狀態(tài)，是監(jiān)測工作的重點和難點。

1 安全監(jiān)測資料分析

針對長河壩壩基和壩體的特點，結(jié)合地質(zhì)上存在的問題，把壩體和壩基的變形、滲流場、應(yīng)力等監(jiān)測成果作為重點分析對象。張斌[4]、阮彥晟[5]等對土石壩滲流場，徐楊洋[6]、孫全[7]等對土石壩應(yīng)力，王竹青[8]、徐楊洋[6]等對土石壩沉降進行了系統(tǒng)分析和評價，為長河壩安全監(jiān)測資料分析提供了很好的借鑒。

長河壩水電站蓄水過程分四個階段：第一階段，2016年10月下旬兩條初期導(dǎo)流洞下閘，至水庫蓄水到1 580 m；第二階段，水庫水位由1 580 m逐步蓄水至1 650 m；第三階段，水庫逐漸蓄水至 1 680 m；第四階段，2017年汛后水庫由1 680 m逐步蓄水至正常蓄水位1 690 m?，F(xiàn)針對長河壩工程特點和已有的分析方法，對首次蓄水期(前三個階段)間的監(jiān)測成果進行系統(tǒng)全面分析。

1.1 沉降變形

1.1.1 量級分析

受壩體填筑自重影響，長河壩工程大壩堆石體沉降達到2 716.10 mm，大壩心墻沉降達到2 261.50 mm。壩基覆蓋層沉降最大值為682.19 mm，其他部位沉降量相對較小，詳見表1。

表1 各部位最大沉降成果

1.1.2 時間分布

施工期，受大壩填筑影響，隨時間呈遞增趨勢，與填筑高程正相關(guān)；首次蓄水后，沉降量繼續(xù)增加，但增長速率明顯減緩；變化規(guī)律合理。沉降主要發(fā)生在大壩填筑期間，約占93%。典型沉降變化過程見圖1。

圖1 VE-2各層沉降成果過程線

1.1.3 空間分布

沉降沿橫河向呈中間大，兩側(cè)??；順河向呈中間大，上下游側(cè)小；豎向從低高程往高高程遞減。這說明沉降主要受壩體填筑影響，差異沉降相對較小，分布規(guī)律較好。典型沉降分布見圖2。

1.2 滲 壓

1.2.1 量級分析

滲壓監(jiān)測主要分析壩體心墻區(qū)、基礎(chǔ)及覆蓋層、兩岸灌漿平洞及繞滲等。壩體心墻區(qū)最大滲壓水頭為180.33 m；大壩基礎(chǔ)及覆蓋層最大滲壓水頭為198.42 m；兩岸灌漿平洞最大滲壓水頭為76.99 m；繞滲孔大部分測值較小，少量測值較大，最大滲壓水頭為43.99 m。蓄水以來，壩基水頭基本保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，說明壩基滲流得到較好控制。各部位最大滲壓見表2。

圖2 沿心墻中心線縱斷面沉降分布示意

部位高程/m實測最大滲壓水頭/m(2017-2-14)蓄水后最大變化量/m(2016-10-18～2017-2-14)壩體心墻區(qū)1 458～1 472180.33 153.061 513～1 529128.92 135.301 55096.6136.221 585 67.4165.761 615 36.1529.191 645 7.225.54大壩壩基及覆蓋層198.42 138.30左岸灌漿平洞48.02 67.20右岸灌漿平洞76.99 51.00繞滲孔43.99 58.95

1.2.2 時間分布

大壩心墻。軸線處滲壓水位受填筑高程影響較大，與填筑高程走勢基本一致，可以判定此處滲壓水位變化主要由填筑荷載引起的超靜孔隙水壓力。施工期心墻上下游靠近反濾層處滲壓水位與上游水位走勢相似。蓄水后壩軸線上游側(cè)測點受庫水位上升影響增加明顯，靠近壩軸線測點測值小量增加。

大壩基礎(chǔ)及覆蓋層。副防滲墻下游側(cè)滲壓計所測水位與上游庫水位變化基本一致，下閘蓄水后短時間內(nèi)出現(xiàn)了水頭驟升現(xiàn)象，受上游庫水位影響較大；主防滲墻下游側(cè)滲壓計所測水位受上游庫水位影響較小。典型滲壓水頭變化過程線見圖3。

圖3 主防滲墻下游沿壩軸線滲壓過程線

左右岸灌漿平洞和繞滲孔主要受上游水位影響，與庫水位相關(guān)性好。

1.2.3 空間分布

大壩心墻滲壓由低高程往高高程遞減；壩基滲壓水位順河向從上游往下游呈現(xiàn)遞減規(guī)律。水頭折減主要是在心墻以下高程，由防滲墻產(chǎn)生。水頭由副防滲墻折減30.68～34.64 m后，又經(jīng)主防滲墻再次折減140.60～144.37 m，總折減水頭175.05～175.23 m；經(jīng)過兩道防滲墻，累積折減約82%，折減效果明顯。滲壓分布規(guī)律合理，滲控系統(tǒng)阻水效果較好。典型布置見圖4。

圖4 主防滲墻下游壩基實測水位分布示意

1.3 滲 流

1.3.1 量級分析

截至2017年2月14日，大壩左岸滲流量為7.5 L/s，右岸滲流量為17.22 L/s，基礎(chǔ)廊道滲流量為0.6 L/s，壩后無滲水?？倽B流量為25.32 L/s，量級相對較小。詳見圖5。

圖5 壩體和基礎(chǔ)滲漏量過程線

1.3.2 時間分布

從圖5可以看出，施工期各部位滲流量變化平緩；蓄水后，滲流量隨上游庫水位抬升而逐步增大；滲流量主要發(fā)生在蓄水后，占總量的87%。庫水位抬升，改變兩側(cè)山體滲流場，導(dǎo)致滲流量增大。

1.3.3 空間分布

從表3可以看出，兩岸繞滲在高程方向，由低往高，滲流量逐步減??；橫河向，右岸滲流量大于左岸；壩基和壩體基本無滲流量。大壩滲流量分布規(guī)律合理。

1.4 應(yīng) 力

1.4.1 量級分析

各部位壓應(yīng)力量級相對不大。心墻孔隙水壓力最大值為1.87 MPa；心墻土壓力最大值為5.42 MPa；基礎(chǔ)廊道土壓力最大值為3.48 MPa；壩基覆蓋層土壓力最大值為2.94 MPa。詳見表3。

表3 各部位壓應(yīng)力統(tǒng)計成果

1.4.2 時間分布

心墻在填筑過程中孔隙水壓力初期隨壩體填筑高程增加而增大，當(dāng)達到最大值后逐漸消落，不再與壩體填筑高度相關(guān)；低高程心墻滲透系數(shù)較小(小于1×10-5cm/s)；低高程局部孔隙水壓力消散緩慢，高高程孔隙水壓力消散快。蓄水后，壓力變化較小，基本不受上游水位影響。

壩體填筑至1 620 m高程以前，壩體土壓力與壩體填筑高度具有較高的相關(guān)性，土壓力隨填筑高程增加而增大；壩體填筑至1 620 m高程以后，土壓力值趨于平穩(wěn)，基本不與壩體填筑高程相關(guān)。心墻區(qū)整體土壓力值及增長速率大于過渡層及堆石區(qū)。壩基土壓力蓄水后與上游庫水位變化基本一致，受上游庫水位影響較大。

1.4.3 空間分布

孔隙水壓力總體分布為河床中部向四周擴散，河床河槽高于兩岸岸坡，心墻中部高于上下游兩側(cè)，低高程高于高高程，測值分布符合一般規(guī)律。心墻土壓力沿高程由低往高遞減，土壓力變化與其分布位置有直接關(guān)系，且關(guān)系明顯。當(dāng)壩體填筑到 1 620 m高程后，低高程分布儀器測值無明顯變化?；A(chǔ)廊道周圍土壓力計整體呈現(xiàn)出基礎(chǔ)廊道上游側(cè)土壓力大、下游側(cè)土壓力小的分布特征；壩基覆蓋層部位土壓力分布較為均勻，規(guī)律正常。

從整體來看，土壓力在基礎(chǔ)廊道及高塑性黏性土附近重新分配，形成應(yīng)力集中。大壩中部及左岸應(yīng)力在各水平層中相對較低。典型應(yīng)力分布見圖6。

圖6 (縱)0+193.00 m壩體土壓力分布(單位:MPa)

2 與計算成果對比分析

建筑物的穩(wěn)定性評價主要是通過對比分析主要監(jiān)測指標量級和設(shè)計計算值，同時對變化規(guī)律的合理性等方面進行分析，最終評價工程的安全穩(wěn)定。

2.1 計算成果

通過壩體及壩基的三維有限元計算，得到的壩體、防滲墻等部位的變形、滲壓水位、滲流等特征值。

竣工期和蓄水后壩體最大沉降分別為3 902 mm和3 836 mm，占最大壩高(不包括覆蓋層)約1.63%。詳見表4。

設(shè)計預(yù)期副防滲墻約承擔(dān)總水頭值的36%，主防滲墻承擔(dān)總水頭值的約45%，詳見表5。

表4 大壩主要部位沉降計算成果

表5 典型斷面各部位的水位值計算成果 m

當(dāng)防滲系統(tǒng)工作正常時，通過大壩及壩基的滲流總量很小，為161.46 L/s；主要的滲漏發(fā)生在河槽部位，滲流量為133.77 L/s，占總滲漏量的82.85%，繞壩滲漏量相對較小。詳見表6。

表6 壩體壩基各部位滲流量計算成果 L·s-1

2.2 初步安全評價

長河壩工程大壩堆石體沉降2 716.10 mm，大壩心墻由心墻實測沉降和壩基覆蓋層沉降疊加，為2 943.69 mm，小于計算值3 836 mm；實測滲壓水位小于計算值，實測滲壓經(jīng)過兩道防滲墻，累積折減約82%，與計算預(yù)期的81%基本相符，說明防滲墻阻水效果明顯；實測總滲流量為25.32 L/s，滲流量相對較小。各監(jiān)測量變化過程和空間分布規(guī)律合理，無異常情況。監(jiān)測指標反映大壩在蓄水初期工作性態(tài)正常，大壩及基礎(chǔ)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié) 論

通過對大壩壩體和壩基的沉降、滲壓、滲流、應(yīng)力等關(guān)鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，并從量級、時間分布、空間分布進行分析，能有效地評價長河壩大壩及基礎(chǔ)的運行形態(tài)。

長河壩首次蓄水期間，各監(jiān)測效應(yīng)量變化過程和分布規(guī)律合理，實測值小于計算預(yù)期值；滲壓成果反應(yīng)帷幕阻水效果良好；長河壩工程在首次蓄水期間壩體及基礎(chǔ)工作性態(tài)正常。