某抽水蓄能電站特高面板堆石壩及庫底回填料內部沉降監(jiān)測設計及分析

韓榮榮，鄭曉紅

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122）

0 引言

堆石體沉降量是評判堆石壩施工質量的最重要參數(shù)之一，沉降速率是大壩面板能否澆筑的決定性因素[1]。因此，在面板堆石壩各監(jiān)測參數(shù)中，堆石體沉降監(jiān)測是最重要的監(jiān)測項目。目前常用的內部沉降監(jiān)測設備包括：傳統(tǒng)的水管式沉降儀、液壓式沉降儀和沉降磁環(huán)，以及近幾年新興的柔性測斜儀、管道機器人和微芯串等。我國面板堆石壩內部沉降監(jiān)測采用最多的是水管式沉降儀[2]，在眾多水電站工程中都取得了良好的使用效果，為掌握堆石壩的變形情況提供了基礎和依據(jù)。

1 工程概況

某抽水蓄能工程上水庫由主壩、副壩和庫周山嶺圍成。主、副壩壩型均為瀝青混凝土面板堆石壩，主壩壩頂高程272.40 m，最大壩高182.30 m，壩頂長度810.00 m，為世界最高的抽水蓄能電站大壩，也是國內最高的瀝青混凝土面板堆石壩。庫盆為半開挖半回填布置，回填最大高度120 m，是目前國內規(guī)模最大的庫盆填筑工程。庫岸開挖后采用瀝青混凝土面板防滲，庫底采用土工膜防滲，上水庫主壩及庫底回填料分布典型斷面見圖1。

圖1 上水庫主壩及庫底回填區(qū)橫斷面Fig.1 The cross section of main dam and backfill at the bottom of reservoir

主壩壩基以弱風化硅質白云巖、硅質條帶白云巖及閃長玢巖脈作為大壩建基面，壩基巖體以Ⅲ類為主。主壩上游采用上庫庫內開采的新鮮或弱、微風化白云巖作為堆石料填筑；下游采用上庫庫內開采的新鮮或弱、微風化白云巖摻一定比例的閃長玢巖作為堆石料填筑；庫底回填區(qū)利用上水庫的開挖料填筑，包括上水庫庫底及壩基底部剝離的除掉表面腐殖土的含碎石黏土和上水庫庫盆開挖的弱、微風化白云巖摻一定量蝕變閃長玢巖等，成分復雜。

2 堆石體內部沉降監(jiān)測設計

2.1 結構計算結果分析

本工程上水庫瀝青面板堆石壩壩高超過180 m，庫盆回填土厚度達到120 m，壩體與庫盆沉降變形控制是本工程的技術難題之一。特別是堆石壩采用瀝青混凝土面板、庫底采用土工膜聯(lián)合防滲，兩者的連接部位可能存在較難適應堆石體與庫盆回填土之間不均勻變形的問題，需特別注意庫底回填區(qū)土工膜范圍與瀝青面板連接區(qū)域的不均勻沉降對工程運行的影響。同時有效觀測大壩及庫盆堆填料的沉降變形是本工程內部沉降監(jiān)測的重點。

從工程可研階段主壩及庫底回填區(qū)沉降三維有限元模擬計算結果（見圖2）可知：對于主壩而言，下游堆石區(qū)的模量低于上游堆石區(qū)，沉降等值線在材料分區(qū)處有較明顯的轉折，沉降最大值發(fā)生在下游堆石區(qū)的中間位置，高程約1/2～1/3 壩高；庫底回填區(qū)的模量整體較低，產生了較大的沉降，最大值發(fā)生在回填區(qū)中部。

圖2 主壩及庫底回填區(qū)沉降三維有限元數(shù)值模擬計算結果（單位：cm）Fig.2 Three dimensional finite element calculation of the settlement of main dam and backfill at the bottom of reservoir

2.2 堆石體內部變形監(jiān)測設計方案

因堆石體內部變形測線需兼顧大壩及庫區(qū)回填料的最大變形區(qū)域，經充分分析論證及工程實際應用調研，決定采用國內使用最多的水管式沉降儀水平測線監(jiān)測模式，管路需穿過主壩最大沉降區(qū)向庫底填筑區(qū)延伸，直至穿過庫底回填料的最大變形區(qū)，以期通過實測資料盡可能找到庫底回填區(qū)的最大變形分布范圍，及時了解庫底回填區(qū)與壩體變形的協(xié)調性，以此判斷庫底土工膜與瀝青混凝土面板的結合情況，為掌握庫盆防滲情況提供依據(jù)。

然而，受限于水管式沉降儀設備本身的特點，如果管路布設長度過長，且穿過部位變形量值較大，則存在水管被拉裂從而失效的風險。即使管路能夠承受較大拉力不被破壞，對于水管式沉降儀而言，若測線太長或實際沉降變形較大，可能導致管路埋設難度大、管路形成倒坡、水管堵塞等問題。因此，測線布置需充分結合現(xiàn)場情況，針對性進行監(jiān)測方案設計。

上水庫主壩共布置2個主監(jiān)測斷面和1個副監(jiān)測斷面，主監(jiān)測斷面布置在最大壩高處，分別布置5層水管式沉降儀，布置高程分別為155 m、178 m、209 m、232 m和247 m，每條管線都向庫底回填區(qū)延伸，延伸深度按可研階段三維有限元計算結果粗略確定（178 m、209 m 高程測線延伸入庫底回填料內部深度約93 m，231 m高程測線深度約75 m）。內部變形主監(jiān)測斷面見圖3。另外，對于近庫底232 m高程測線，在兩區(qū)接頭部位加密測點布置，分別在回填料與壩體分界線兩側、土工膜與面板接頭部位進行針對性測點布置，為工程重點關注部位提供監(jiān)測結果支撐。

圖3 主壩水管式沉降儀主監(jiān)測斷面測點布置Fig.3 Layout of tube settlement meters in the main monitoring section of main dam

根據(jù)該監(jiān)測方案，本工程水管式沉降儀的最大管線長度約440 m。國內典型工程的水管式沉降儀管路長度統(tǒng)計見表1。由表1可見，本工程的水管管路長度相比其他典型工程并不突出，但有別于其他常規(guī)電站管路敷設路徑，除滿足料源、碾壓質量等壩體堆石體監(jiān)測要求，本工程測線還需跨越不同變形模量區(qū)域，即最深部測線需同時穿過庫底回填料及壩體下游堆石體兩處大變形區(qū)域，因此為保證儀器施工埋設的方便、設備存活率及測值準確性，對設備埋設和方案設計均做了相應優(yōu)化和改進。

表1 國內長管路水管式沉降儀統(tǒng)計Table 1 Statistics of tube settlement meters with long pipeline in China

2.3 工程優(yōu)化方案

對水管式沉降儀的設備選型和施工工藝等各方面進行綜合考慮，從以下幾方面對本工程水管式沉降儀監(jiān)測方案進行了針對性設計和改進：

（1）采用四管式水管式沉降儀，即在常規(guī)的三管式沉降儀基礎上增加1 根進水管。進水管是水管式沉降儀獲取數(shù)據(jù)的主要組成部分，四管式測頭能夠很好地解決進水管路易堵塞、淤塞的問題[3-4]。本工程長度超過200 m 的測線均采用四管式沉降儀，有效地提高了設備的可靠性。

（2）為克服因水管管路進氣、管路隨壩體不均勻沉降而發(fā)生曲折，導致回水困難、觀測穩(wěn)定時間過長等問題，水管式沉降儀水管埋設坡度均按照結構情況分段進行區(qū)分，管路坡度根據(jù)結構計算預期變形情況進行針對性設計，并預留一定安全裕度。以231.70 m高程測線為例，預期沉降量較大的庫盆填筑區(qū)管路埋設坡度為1.70%，壩體上游堆石區(qū)管路埋設坡度為0.80%，下游堆石區(qū)管路埋設坡度為1.10%，開挖槽帶坡度分區(qū)如圖4所示。

圖4 水管式沉降儀分段開挖槽帶Fig.4 Segmented trenching of tube settlement meters

同時，為減小水管埋設槽的土料開挖量及對土建施工進度的干擾，水管埋設槽開挖也相應進行分段施工，按照壩體下游堆石區(qū)、上游堆石區(qū)及庫盆填筑區(qū)的土建施工順序，在每段起坡點填筑至高于測點埋設高程1 m時，分段進行水管基槽開挖與水管敷設施工。該方案極大地方便了現(xiàn)場施工，加快了施工進度。

（3）為避免壩體與庫底回填料接口部位水管由于堆石體不均勻沉降發(fā)生剪切破壞，針對庫底土石料與壩體過渡部位的水管特別增加了過渡結構。在庫盆與主壩分界線前后1 m范圍內，將水管外保護PPR管斷開，改為直徑規(guī)格大于PPR管的金屬波紋管進行保護，并用土工布纏繞固定；在分界線前后2 m范圍內外包厚度5 cm的橡膠墊層，強化對管線的保護。

3 實測資料分析

截至目前，庫盆填筑高程為234 m（到頂高程237 m，最大高度120 m），主壩填筑高程為255 m（到頂高程271.8 m，總壩高182 m）。所有高程測線水管式沉降儀均已埋設完成，設備完好率100%。

庫底和主壩壩體內的典型測線測點沉降量與澆筑高程關系過程線見圖5～6。由圖可見，沉降隨時間變化過程線符合一般規(guī)律，說明目前水管式沉降儀運行狀況良好。隨著填筑高程增加，堆石料內部沉降逐漸增大，變形量緩慢增加，符合施工期堆石體沉降變化的一般規(guī)律。從累計位移量來看，庫盆內最大累計沉降為953 mm，壩體內最大累計沉降為458 mm，均發(fā)生在最大壩高監(jiān)測斷面的中下部和下部高程，庫底料沉降總體為壩體沉降的近2 倍，經分析主要與堆石料的性能和碾壓要求相關。近半年兩處最大變形部位的變形速率分別約0.56 mm/d 和0.40 mm/d。目前壩體最大沉降約為壩高的0.39%，庫盆最大沉降約為庫盆高的0.57%。

圖5 庫盆典型測線測點沉降量與庫底料填筑高程相關過程線Fig.5 Correlation between settlement of reservoir basin on typical monitoring line and filling elevation at reservoir bottom

水管式沉降儀主監(jiān)測斷面的內部沉降分布見圖7。由圖可見，以庫盆發(fā)生最大變形的178.6 m高程測線為例，庫盆測線埋設坡度為1.7%，預期相對于庫盆和壩體分界點，水管能承受的倒坡變形量約1.5 m，目前測得的庫盆最深測點相對于庫壩分界線的沉降變形約為0.75 m，尚有較大的安全裕度。對于同一高程的庫盆和壩體沉降測線，庫盆沉降總體大于壩體沉降，這是由于壩體填料及壓實要求均高于庫盆。目前最大沉降變形均位于最深部測點，分析測線可能尚未覆蓋最大變形區(qū)域，即庫盆最大變形區(qū)域的深度可能超過93 m（即測線伸入庫盆深度）。對于壩體而言，壩軸線上游為主堆石區(qū)，下游為次堆石區(qū)，壩軸線下游最終沉降大于上游。針對不同高程測線，庫盆與壩體最大變形均發(fā)生在178.6 m 高程測線，位于監(jiān)測斷面的中下部高程。以目前現(xiàn)場監(jiān)測結果來看，測值分布規(guī)律與前期可研階段有限元計算結果基本一致。

圖6 主壩典型測線測點沉降量與壩體料填筑高程相關過程線Fig.6 Correlation between settlement of main dam on typical monitoring line and filling elevation of dam body

圖7 主壩典型內部沉降監(jiān)測斷面監(jiān)測結果分布（單位：mm）Fig.7 Monitoring results of internal settlement of main dam on typical monitoring section

4 結語

該抽蓄電站的庫底回填及堆石壩工程規(guī)模較大，需對傳統(tǒng)水管式沉降儀的監(jiān)測方案進行設計優(yōu)化。由于測線需跨越庫底及主壩上、下游三大不同變形模量區(qū)，根據(jù)前期結構計算結果，對管路埋設坡度進行分段設計，并在庫底和壩體接頭部位針對性加密測點布置。為強化設備的保護及耐久性，采用四管式水管沉降儀，并對庫底回填料與壩體過渡部位的進水管增加了過渡保護結構。同時為減少現(xiàn)場施工開挖量，采用分段（區(qū)域）基槽開挖與水管敷設施工。通過以上方案設計和改進，在堆石體施工過程中實時進行監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，使整個碾壓施工處理過程處于有效監(jiān)控狀態(tài)，為施工程序和設計方案的優(yōu)化調整提供依據(jù)。水管式沉降儀的監(jiān)測資料表明，主壩及庫底回填料的內部沉降測值規(guī)律與設計預期基本一致。■