礫石土心墻堆石壩變形研究

李萬海，李建軍，耿瑜平

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州，450003）

0 引言

土石壩是目前世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展最快的一種壩型[1]。其中土質(zhì)防滲體分區(qū)壩是高、中壩最常用的壩型。土石壩防滲料在上壩碾壓時(shí)飽和度一般達(dá)到90%以上，壩體填筑過程中，心墻孔隙水壓力的消散能力不足，壩體內(nèi)部高孔隙水壓力的存在導(dǎo)致心墻中有效應(yīng)力降低，影響壩體的穩(wěn)定和強(qiáng)度[2-5]。對(duì)于高土石壩，初蓄期控制庫水位抬升速率對(duì)壩體變形有非常重要的影響。

1 工程概況

某水電工程為大（2）型，攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，礫石土心墻頂寬4 m，坡比1∶0.25，上游側(cè)反濾層寬度4 m，坡比1∶0.25，下游側(cè)反濾層寬度6 m，坡比1∶0.25，上下游側(cè)過渡料坡比1∶0.4，上游側(cè)堆石區(qū)坡比1∶2.0，下游側(cè)堆石區(qū)坡比1∶1.8。大壩壩頂高程2 138.00 m，壩頂寬12.0 m，心墻底高程1 991.00 m，最大壩高147.00 m。大壩壩基防滲分兩部分：河床段采用混凝土防滲墻，墻體下部接帷幕灌漿；左右兩岸采用雙排帷幕灌漿。電站設(shè)計(jì)裝機(jī)容量420 MW。電站正常蓄水位2 133.00 m，總庫容5.87億m3，正常蓄水位以下相應(yīng)庫容5.35億m3，調(diào)節(jié)庫容4.44億m3。壩址控制流域面積5 317.00 km2，多年平均流量104.00 m3/s。

心墻料源主要由風(fēng)成黃色黏土和冰漬灰黃～灰色塊碎石土組成，粗粒成分以砂巖、砂質(zhì)千枚巖和絹云母千枚巖為主，角礫狀。心墻采用黃色黏土和塊碎石土混合料方案，混合比例為3∶7～7∶3。

2 監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

為監(jiān)測(cè)壩體變形，在大壩2 031.00 m、2 048.00 m、2 078.00 m、2 108.00 m高程等馬道及壩頂上共布置61 座變形觀測(cè)墩，分8 個(gè)縱剖面，其編號(hào)為TP（1～61）DB，見圖1～2。

圖1 監(jiān)測(cè)平面布置Fig.1 Monitoring plane layout

在大壩2 048.00 m、2 078.00 m和2 108.00 m 高程（0+123、0+244 和0+320）各布置3 套引張線式水平位移計(jì)和水管式沉降儀，測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在心墻下游側(cè)1 m處、過渡料區(qū)及堆石區(qū)。

在大壩2 048.00 m、2 078.00 m和2 108.00 m高程（0+123、0+244 和0+320）心墻上下游、過渡料區(qū)和反濾料區(qū)各布置一條滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)斷面。

3 壩體變形分析

大壩于2011年3月底填筑到2 115.00 m 高程，開始下閘蓄水，相應(yīng)庫水位2 032.80 m；2011年6月28日填筑到最大壩高2 136.00 m，相應(yīng)庫水位2 053.46 m；2011年11月16日達(dá)到最高水位2 104.49 m；2012年4月14日水位回落到2 068.68 m。2012年4月14日壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。

圖2 監(jiān)測(cè)剖面布置Fig.2 Monitoring profiles

表1 壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果（2012年4月14日）Table 1 Dam deformation monitoring results on April 14th,2012

2012年4月15日庫水位開始再次逐漸抬升。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，初蓄期庫水位抬升速率不大于0.5 m/d，但蓄水過程中受客觀條件限制，2012年5月1日—2012年5月15日有13 d庫水位抬升速率大于1.0 m/d，其中有6d速率大于1.5m/d，最大為5月13日（1.88m/d）。5月24日—5月26日連續(xù)3 d抬升速率大于2.0 m/d，其中5月26日為3.91 m/d，庫水位抬升至2 102.22 m。6月30日—7月5日連續(xù)6 d 抬升速率大于2.0 m/d，其中7月1日為4.39 m/d，庫水位抬升至2 121.17 m。7月8日—10月18日，庫水位緩慢抬升到最高水位2 133.21 m，平均抬升速率0.08 m/d。壩體心墻2 108.00 m 高程變形曲線見圖3，2012年6月30日、7月30日和10月18日壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2～4。

表2 壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果（2012年6月30日）Table 2 Dam deformation monitoring results on June 30th,2012

表3 壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果（2012年7月30日）Table 3 Dam deformation monitoring results on July 30th,2012

圖3 壩體心墻2 108.00 m高程變形曲線Fig.3 Deformation curves of dam core at elevation 2 108.00 m

壩體監(jiān)測(cè)結(jié)果反映，初蓄過程中，受庫水位快速抬升影響，7月3日開始，壩體變形測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，壩體呈現(xiàn)整體沉降和水平變形。

隨著庫水位的抬升，尤其是6月30日—7月5日連續(xù)6 d抬升速率大于2.0 m/d，大壩監(jiān)測(cè)顯示壩體從7月1日開始出現(xiàn)變形速率明顯增加趨勢(shì)。2 108.00 m 高程心墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)H19（0+244 引張線測(cè)點(diǎn)）和V19（0+244 沉降儀測(cè)點(diǎn)）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示6月30日—7月30日心墻平均水平位移速率為11.26 mm/d，最大為7月12日19.5 mm/d，平均沉降速率為6.52 mm/d，最大為7月15日22.67 mm/d。2 108.00 m 高程馬道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示6月30日—7月30日TP42（0+244 測(cè)點(diǎn)）平均水平位移速率12.34 mm/d，最大為7月13日18.16 mm/d，平均沉降速率14.10 mm/d，最大為7月14日28.56 mm/d。7月11日下午，2 108.00 m 高程部分觀測(cè)房內(nèi)（0+244、0+320）水管沉降儀和引張線保護(hù)管開始出現(xiàn)滲流水（清水，無夾泥、夾砂），10月8日滲流量達(dá)到最大值0.431 L/s；7月14日上午2 078.00 m 高程部分觀測(cè)房內(nèi)（0+244）水管沉降儀保護(hù)管開始出現(xiàn)滲流水（清水，無夾泥、夾砂），10月8日滲流量達(dá)到最大值0.062 L/s。兩處保護(hù)管滲流水在12月9～10日斷流。壩體2 108 m高程馬道水平位移和沉降變形監(jiān)測(cè)曲線見圖4～5，觀測(cè)房保護(hù)管滲流量曲線見圖6。

圖4 壩體2 108.00 m高程馬道水平位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.4 Horizontal displacement curves of the berm at elevation 2 108.00 m

圖5 壩體2 108.00 m高程馬道沉降變形監(jiān)測(cè)曲線Fig.5 Settlement deformation curves of the berm at elevation 2 108.00 m

圖6 觀測(cè)房保護(hù)管滲流量曲線Fig.6 Seepage flow curves of protective pipes in observation room

從圖4可知，壩體中部變形量大于兩側(cè)，壩體左側(cè)變形量大于右側(cè)。右岸岸坡上下游幾乎呈凹型對(duì)稱分布，壩體右側(cè)上游迎水面積遠(yuǎn)小于左側(cè)上游迎水面積，右側(cè)下游岸坡山體對(duì)壩體的支撐作用明顯，壩體變形曲線特征與大壩結(jié)構(gòu)特征比較吻合。壩體心墻下游滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)曲線見圖7，壩體浸潤線監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖8。

圖7 壩體心墻下游滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)曲線Fig.7 Monitoring curves by osmometers downstream of dam core

圖8 壩體浸潤線監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.8 Monitoring results of dam phreatic line

從圖7可知，隨著庫水位從2012年6月30日的2 105.45 m高程快速抬升，7月3日（庫水位2 115.54 m）2 108.00 m 高程0+320 斷面P94 滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)水壓開始出現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)，7月12日達(dá)到最大值113.6 kPa，之后逐漸減小，2013年1月30日監(jiān)測(cè)值為0.2 kPa（P94 安裝高程2 110.10 m，庫水位2 108.27 m）。7月9日（庫水位2 124.89 m）2 108.00 m 高程0+244斷面P73滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)水壓開始出現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)，7月15日達(dá)到115.3 kPa（庫水位2 124.58 m），10月13日達(dá)到最大值122.3 kPa（庫水位2 132.38 m），2013年1月30日監(jiān)測(cè)值7.0 kPa（P73 安裝高程2 109.6 m，庫水位2 108.27 m）。從P73和P94兩支滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)曲線可知，監(jiān)測(cè)結(jié)果與庫水位變化相關(guān)。

7月3日（庫水位2 115.54 m）2 108.00 m 高程0+123 斷面P47 滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)水壓開始增大，7月14日監(jiān)測(cè)值減小到1 kPa以下，最大值為29.5 kPa。

心墻2 078.00 m高程埋設(shè)的3支滲壓計(jì)中，P69（0+244）和P90（0+320）監(jiān)測(cè)值較小，P43（0+123）監(jiān)測(cè)最大值為25.7 kPa，監(jiān)測(cè)曲線形態(tài)與庫水位變化沒有關(guān)聯(lián)性。

心墻2 048.00 m高程埋設(shè)的3支滲壓計(jì)在大壩填筑過程中監(jiān)測(cè)的孔隙水壓力隨大壩填筑高程增加而增大，大壩填筑完成后水壓力逐漸消散減小。2012年6月30日庫水位快速抬升過程中，3支滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)值均明顯增大，后期逐漸消散減小。前期孔隙水壓力逐漸消散減小速率與后期消散減小速率較一致，且壩體中部2 048.00 m 高程心墻在庫水位快速抬升期間變形明顯增大，綜合分析可知孔隙水壓力明顯增大的原因?yàn)閴误w變形，與庫水位快速抬升關(guān)聯(lián)性不大。

綜上可知，壩體2 108.00 m 高程以上心墻在庫水位快速抬升過程中由于變形過大出現(xiàn)了滲漏。

為了查明壩體心墻滲漏情況，在壩頂心墻部位沿壩軸線布置了10個(gè)鉆孔（見圖9），孔深46 m，并進(jìn)行了物探工作，結(jié)果顯示壩體心墻2 114.00 m 高程以上普遍存在滲漏。

圖9 壩體心墻探測(cè)剖面Fig.9 Probe holes profile in dam core

根據(jù)心墻水平變形監(jiān)測(cè)結(jié)果（見表4、圖10～11），隨著2012年6月底庫水位開始快速抬升，壩體心墻出現(xiàn)加速水平變形，7月10～12日水平變形速率達(dá)到最大，壩體2 108.00 m 高程測(cè)點(diǎn)H33（0+123）最大值為10.6 mm/d，H19（0+244）最大值為19.5 mm/d，H41（0+320）最大值為16.6 mm/d，之后隨著庫水位抬升速率變緩，壩體變形速率逐漸減小。

表4 壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果（2012年10月18日）Table 4 Dam deformation monitoring results on October 18th,2012

表4 心墻2 108.00 m高程水平變形監(jiān)測(cè)結(jié)果（2012年）Table 4 Horizontal deformation monitoring results of dam core at elevation 2 108.00 m in 2012

圖10 心墻2 108.00 m高程水平變形曲線Fig.10 Horizontal deformation curves of dam core at elevation 2 108.00 m

圖11 中部心墻水平變形曲線Fig.11 Horizontal deformation curves of central section of dam core

2013年1～6月，隨著庫水位的回落，壩體心墻水平變形出現(xiàn)一定量的回彈變形，H19測(cè)點(diǎn)6月18日累計(jì)變形回彈到542.4 mm，水平變形回彈量約占本輪水平變形量的14.9%。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示心墻上部水平變形回彈明顯，心墻中下部2 078.00 m高程測(cè)點(diǎn)有較小量的水平變形回彈，2 048.00 m 高程測(cè)點(diǎn)未監(jiān)測(cè)到水平變形回彈，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表5。

表5 壩體心墻水平變形回彈監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 5 Horizontal deformation rebound results of dam core

根據(jù)大壩心墻沉降變形監(jiān)測(cè)結(jié)果（見表6、圖12），隨著2012年6月底庫水位開始快速抬升，壩體心墻出現(xiàn)加速沉降變形，7月10～15日沉降變形速率達(dá)到最大，壩體2 108.00 m高程測(cè)點(diǎn)V33（0+123）最大值為3.7 mm/d，V19（0+244）最大值為22.7 mm/d，V41（0+320）最大值為10.7 mm/d，之后在庫水位高位運(yùn)行期間，心墻沉降速率逐漸減小。2013年1～4月中旬庫水位下降期間，心墻沉降速率有所加大，4月中旬—9月底庫水位在2 108.30 m以下運(yùn)行過程中，V19（0+244）測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示心墻有一定量抬升，累計(jì)抬升量42 mm，其他測(cè)點(diǎn)均未監(jiān)測(cè)到心墻抬升。

表6 心墻2 108.00 m高程沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表（2012年）Table 6 Settlement results of dam core at elevation 2 108.00 m in 2012

4 結(jié)語

（1）礫石土心墻堆石壩初蓄過程中，庫水位快速抬升造成壩體產(chǎn)生過大沉降變形和推移式水平變形。2 108.00 m高程心墻最大沉降速率22.67 mm/d，6月30日—7月30日平均沉降速率為6.52 mm/d，7月30日累計(jì)沉降量214.0 mm；心墻最大水平位移速率19.50 mm/d，6月30日—7月30日平均水平位移速率為11.26 mm/d，7月30日累計(jì)水平位移量347.6 mm。

圖12 壩體中部心墻沉降變形監(jiān)測(cè)曲線Fig.12 Settlement deformation curves of central section of dam core

（2）庫水位快速抬升過程中，2 108.00 m高程心墻下游側(cè)P73和P94兩支滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)曲線特征與庫水位變化相關(guān)聯(lián)，心墻鉆孔勘探結(jié)果顯示壩體心墻2 114.00 m 高程以上普遍存在滲漏，2 114.00 m 高程以上心墻防滲體系在庫水位快速抬升過程中變形過大出現(xiàn)了破壞。

（3）礫石土心墻監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在初蓄期結(jié)束庫水位回落過程中，壩體心墻水平變形出現(xiàn)一定量的回彈變形，總體特征為心墻上部回彈變形明顯，最大回彈量為本期水平變形量的16.1%，中下部回彈變形不明顯。4月中旬—9月底，庫水位在2 108.3 m高程以下運(yùn)行過程中，2 108.00 m 高程心墻中部V19（0+244）測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，心墻有一定量抬升，累計(jì)抬升量42 mm，其他測(cè)點(diǎn)均未監(jiān)測(cè)到心墻抬升。

（4）本工程在初蓄期未能按設(shè)計(jì)0.5 m/d 水位抬升速率要求控制水位抬升，實(shí)際最大水位抬升速率達(dá)4.39 m/d，過快的庫水位抬升使壩體產(chǎn)生較大變形，心墻最大沉降速率達(dá)22.67 mm/d，最大水平位移速率達(dá)19.5 mm/d，導(dǎo)致2 108.00 m 高程以上心墻防滲體系發(fā)生了滲流破壞。本工程教訓(xùn)反映了心墻堆石壩在初蓄期嚴(yán)格控制水位抬升速率的重要性，初蓄期必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求控制庫水位抬升速率，加強(qiáng)壩體變形和滲透水壓力監(jiān)測(cè)，這對(duì)確保大壩運(yùn)行安全具有重要意義?！?/p>