黑河金盆水庫大壩沉降觀測及分析

任錄全 朱瑞榮 劉 超

（1.西安市黑河庫區(qū)管理中心 陜西 西安 710401；2.西安黑河供水有限責(zé)任公司 陜西 西安 710401）

黑河金盆水庫大壩工程位于西安市周至縣境內(nèi)的黑河峪口以上1.5km處，北距周至縣約14km，東距西安市約86km。大壩上游流域面積1481km2，多年平均徑流量6.67億m3。大壩按Ⅰ級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，地震烈度8度。壩型為粘土心墻砂礫石壩。壩頂高程▽600.00m，最大壩高 128.90m，頂寬11m，壩頂長443.63m，上游壩面坡比1∶2.2，下游壩面坡比1∶1.8。壩體由壩基帷幕灌漿，心墻砼蓋板，上、下游壩殼料，粘土心墻，上游砼面板，下游干砌石護(hù)坡等組成。壩基帷幕灌漿28485.2m，固結(jié)灌漿10256.7m。心墻砼蓋板157塊，砼量5.96萬m3。

1 工程地質(zhì)條件

攔河壩壩基由河床砂卵石層和前震旦系寬坪群大鎮(zhèn)溝組中等深度變質(zhì)巖組成。河床兩岸上部有一、二級(jí)階地及坡積松散層。

地層巖性：上部為綠泥片巖（Sc），層位比較穩(wěn)定，厚20m～47m；中部為云母石英片巖(Se)，鈣質(zhì)石英巖（Qu）及綠泥石片巖互層產(chǎn)出；下部為鈣質(zhì)石灰?guī)r，層厚7m～40m，及綠泥石片巖，層厚10m～13m。綠泥石片巖呈灰綠色，片理較發(fā)育，致密堅(jiān)硬；云母石英片巖呈灰白色，片理發(fā)育，新鮮巖石堅(jiān)硬，石英含量低時(shí)易風(fēng)化、強(qiáng)度低；鈣質(zhì)石英巖呈乳白色，塊狀及條帶狀，堅(jiān)硬且脆碎，沿裂隙有溶蝕現(xiàn)象。

巖層走向近東西，傾向上游。走向85°～110°、傾向 SW(SE)，傾角 30°～45°。壩軸線以北接近背斜核部，傾角15°～25°。侵入巖脈有三種：①云煌斑巖脈 (x)；②石英巖脈(q)；③斜長斑巖脈（N）。它們均沿走向NW、NE，向裂隙侵入。

壩基河床砂卵石層厚5.1m～16.8m，主要由花崗巖、石英巖、片麻巖及片巖組成，力學(xué)強(qiáng)度較高，天然密度為2.28g/cm3，滲透系數(shù)K=90m/d左右，屬極強(qiáng)透水層。

2 黑河金盆水庫大壩沉降觀測及分析的意義

土石壩在施工期間，由于壩體本身重量使壩體產(chǎn)生壓縮沉降、橫向（沿河流流向）和縱向（沿壩軸線向）的水平位移；竣工后由于壩體自重和上游蓄水壓力等的作用，會(huì)使壩體繼續(xù)產(chǎn)生沉降和橫、縱兩個(gè)方向的水平位移。雖然壩體的變形即使在竣工30年后還會(huì)繼續(xù)下去，但有實(shí)際意義的變形量往往在數(shù)年內(nèi)就完成了。當(dāng)壩體變形大體穩(wěn)定以后，隨著水庫水位的漲落，防滲墻上游的部分壩體會(huì)發(fā)生回彈和沉降，壩頂會(huì)向下游或上游方向擺動(dòng)。如果在這期間出現(xiàn)異常的壩體變位，就預(yù)示著壩體結(jié)構(gòu)存在某些潛在的問題。而土石壩的裂縫是壩體變形發(fā)展的結(jié)果，要研究土石壩裂縫必須首先了解壩體應(yīng)力變形規(guī)律。正確地分析和計(jì)算土石壩沉降分布，對(duì)于預(yù)測土石壩裂縫的位置及預(yù)防土石壩開裂有重要作用。土石壩的變形監(jiān)測是對(duì)大壩的穩(wěn)定性和安全性做出評(píng)價(jià)的最重要手段。

3 沉降觀測資料分析

3.1 施工期實(shí)測資料分析

3.1.1 大壩的內(nèi)部垂直位移

（1）由此階段的觀測結(jié)果可以看出，在施工期填土速率越高，沉降速率越快，填筑完成后大壩垂直位移監(jiān)測管的累積沉降量沿壩高呈拋物線型分布，累計(jì)壓縮率沿壩高呈線性依次減小，最大壓縮率為6.0%。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)在填筑過程的各個(gè)時(shí)期，大壩最大沉降都是在填筑壩體中部。這是因?yàn)閴误w底部土層承受的荷重大，但其下壓的可壓縮土層??；壩體頂部土層雖然其下壓得土層厚，但所受荷重稍?。粔误w中部其荷重和可壓縮土層適中，這種組合使填筑壩體中部的沉降達(dá)到最大。

（2）表1給出了大壩填筑完成后及竣工后六個(gè)月各沉降管的最大沉降量及其增量?？梢钥闯?，粘土心墻的累積沉降量明顯大于壩殼砂礫料的沉降量。大壩填筑完成后（2000年12月28日），心墻的壓縮量最大值發(fā)生在0+225斷面的S2管，最大沉降值為1559mm，竣工后六個(gè)月內(nèi)最大沉降量達(dá)到了1625mm，增加了64mm；靠近左岸的0+88斷面S1管，填筑完成后累積沉降量為1083mm，竣工后六個(gè)月達(dá)到了1147mm，增加了64mm；靠近右岸的0+316斷面填筑完成后1165.5mm，竣工后六個(gè)月達(dá)到了1226.5mm，增加了61.3mm，心墻有一定的后期固結(jié)變形特性，但從變形增量上可以看出心墻沉降較均勻。壩殼料也有一定的后期蠕變特性，其中竣工六個(gè)月內(nèi)S3管最大沉降變形增量達(dá)到了40mm，但最大沉降量增量也呈明顯減小趨勢(shì)，在接下來的1年內(nèi)最大變形增量在5mm內(nèi)。

3.1.2 心墻與反濾料、反濾料與壩殼料接縫監(jiān)測

（1）在 527.00m、550.00m、580.00m 高程處的六根TS位移計(jì)中，埋設(shè)在心墻與反濾料、反濾料與壩殼料之間的受拉最大位移量為32.5mm，反濾料與壩殼料之間的受壓最大位移量為14.3mm。

（2）在心墻軸線處，左、右岸坡570.00m高程的 14支 TS位移計(jì)中的 TS2-1、TS2-4、TS2-3、TS2-4 受到兩岸剪切力影響而發(fā)生剪切位移，其余儀器受到填筑碾壓后壓實(shí)過程的影響產(chǎn)生水平位移，最大位移量為18.2mm。

（3）從TS位移計(jì)可以看出，壩體心墻和反濾層之間產(chǎn)生拉變形，越靠近心墻底部，產(chǎn)生的拉變形越大，最大拉變形為32.54mm。產(chǎn)生拉變形的原因是由于心墻粘土和反濾層的模量差距較大，兩種材料之間有不均勻沉降。

表1 施工期最大沉降表 （單位：mm）

3.2 運(yùn)行期監(jiān)測資料分析

3.2.1 大壩內(nèi)部垂直位移

（1）從表中數(shù)據(jù)可以看出，截至2005年10月31日，三個(gè)監(jiān)測斷面大壩最大沉降 量 依 次 為 1237.5mm、1750.0mm、1329mm，相對(duì)于施工后期分別增加了64.5mm，95mm，52.5mm。0+225斷面最大沉降量要大于左右岸兩個(gè)監(jiān)測斷面，可能是由于蓄水后水作用面積0+225斷面要大于其余兩個(gè)斷面。

（2）蓄水過程中，即從2003年6月25日至2003年12月，心墻三個(gè)監(jiān)測斷面沉降量依次增大了36mm、51mm、24mm、變形增加趨勢(shì)明顯要大于施工后期相同時(shí)間的沉降增量。這表明大壩在蓄水過程中受滲透壓力及壩料濕化的影響，變形明顯增大，如表2所示。

表2 大壩運(yùn)行期沉降變形監(jiān)測成果總表

3.2.2 心墻與反濾料、反濾料與壩殼料、壩肩接縫監(jiān)測

（1）截止2005年，心墻與壩殼料間的相對(duì)位移最大壓變形35.2mm，最大拉變形為21.9mm，位移月變化量微小，心墻與壩殼料之間不均勻沉降也趨于穩(wěn)定。

（2）心墻與壩肩混凝土蓋板間切向位移最大值為45.9mm，最大水平位移為22.9mm，相對(duì)于施工后期增加不到10mm。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，黑河水庫電子監(jiān)測儀器（萊卡1800）自動(dòng)化程度比較高，所得監(jiān)測數(shù)據(jù)基本為自動(dòng)化處理成果，與內(nèi)部觀測管觀測數(shù)據(jù)吻合，較為真實(shí)可靠。

（2）觀察結(jié)果表明，填筑完成后大壩累積沉降量沿壩高呈拋物線型分布，累計(jì)壓縮率沿壩高呈線性依次減??；心墻最大沉降量達(dá)到了156cm，最大壓縮率為6%；S4管壩殼料變形為482cm，心墻最大變形明顯大于壩殼料變形。

（3）從大壩變形發(fā)展規(guī)律看，大壩變形監(jiān)測數(shù)據(jù)符合一般大壩變形規(guī)律。竣工后一年半內(nèi)，心墻料后期沉降變形主要為后期的固結(jié)沉降，并隨著時(shí)間推移，該時(shí)段沉降量逐步減小。蓄水前的變形比竣工后的最大變形增量增大了10cm，最大達(dá)到了166cm，竣工后壩殼料變形不超過2cm。

（4）蓄水運(yùn)行初期，沉降量增大趨勢(shì)明顯，心墻最大沉降量增大了6cm，最大沉降量達(dá)到了171cm；蓄水運(yùn)行兩年后心墻沉降變形增加到176cm。

（5）從年沉降量與統(tǒng)計(jì)規(guī)律看，大壩沉降符合土壩固結(jié)變形規(guī)律。蓄水運(yùn)行兩年后的年變形量小于2cm，大壩變形開始趨于穩(wěn)定。

（6）從心墻墊層的界面土壓力計(jì)可以看出，大部分土壓計(jì)從蓄水運(yùn)行后至今基本穩(wěn)定不變。從土壓計(jì)測值看，土壓計(jì)測值要比土柱壓力低20%～60%，這可能與心墻內(nèi)部的拱效應(yīng)，儀器的結(jié)構(gòu)效應(yīng)、埋設(shè)效應(yīng)及目前國內(nèi)土壓計(jì)觀測技術(shù)尚不成熟等因有關(guān)。

綜上分析可以看出，黑河金盆水庫大壩沉降內(nèi)外觀測數(shù)據(jù)基本一致，分析結(jié)果可靠。陜西水利