蜀山大閘原型觀測(cè)資料分析及建議

方浙東

（蜀山大閘管理處 余姚 315400）

1 概述

蜀山大閘位于浙江省余姚市鳳山街道姜家塔村，距余姚城區(qū)約10km。水閘建設(shè)規(guī)模為中型，Ⅲ級(jí)建筑物，水閘共有鋼板閘門8孔，每孔凈寬12m，總寬96m。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，相應(yīng)洪水位2.81m，設(shè)計(jì)洪水流量393m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)洪水位3.07m，校核洪水流量556m3/s。蜀山大閘位于姚江干流中段的姚江平原低洼地段，不但是姚江流域的水利樞紐，而且是杭甬運(yùn)河的骨干工程。蜀山大閘是當(dāng)時(shí)浙江省水利航運(yùn)綜合工程中規(guī)模最大、標(biāo)準(zhǔn)最高、自動(dòng)化設(shè)施最齊全的工程設(shè)施，被列為浙江省和寧波市的重點(diǎn)工程。

大閘的建造過(guò)程中，成功解決了南方深淤泥地質(zhì)條件下的基礎(chǔ)處理難題，解決了大跨度水閘閘底板、閘墩內(nèi)力過(guò)大問(wèn)題等，對(duì)建設(shè)軟土地基大凈寬連續(xù)多孔閘技術(shù)進(jìn)行了成功探索。大閘建成投入運(yùn)行后，管理單位將工程的觀測(cè)作為主要工作內(nèi)容之一，同時(shí)對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行了分析研究，不但對(duì)確保大閘運(yùn)行安全，而且對(duì)南方同類水閘的管理以及設(shè)計(jì)，均具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和借鑒作用。

2 觀測(cè)項(xiàng)目及資料情況

2.1 觀測(cè)項(xiàng)目

針對(duì)大閘特點(diǎn)，觀測(cè)工作主要包括滲流觀測(cè)和變形觀測(cè)兩個(gè)方面。

a.滲流觀測(cè)項(xiàng)目包括上游護(hù)坦?jié)B流、上游鋪蓋滲流、閘基滲流、消力池滲流、下游海漫及水閘右岸的繞滲等。

b.變形觀測(cè)項(xiàng)目包括閘墩的分縫變形觀測(cè)及水閘上游平臺(tái)表面沉降和水平位移觀測(cè)。

2.2 資料和儀器布設(shè)情況

本文主要對(duì)余姚市城區(qū)蜀山大閘2008年12月21日～2010年12月29日的觀測(cè)資料進(jìn)行分析。觀測(cè)儀器的具體數(shù)量見(jiàn)表1。

3 觀測(cè)資料的整理

3.1 孔隙水壓力計(jì)

孔隙水壓力按下式計(jì)算：

式中f0——初始頻率，Hz；

K——傳感器系數(shù)，10-4kPa/Hz2；

fi——實(shí)測(cè)頻率，Hz。

3.2 測(cè)縫計(jì)

位移按下式計(jì)算：

式中V0——初始讀數(shù)，mV；

Vi——實(shí)測(cè)讀數(shù)，mV；

K0——傳感器系數(shù)，0.05mm/mV。

4 資料分析

根據(jù)蜀山大閘提供的觀測(cè)資料，針對(duì)大閘工程安全，對(duì)滲流安全、分縫變形、位移變化進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析。

4.1 滲流分析

4.1.1 上游護(hù)坦

a.孔隙水壓力總體運(yùn)行平穩(wěn)，隨上游水位波動(dòng)而有所波動(dòng)，但兩者之間并不完全一致。最高水位日的孔壓水位并非最大值，最低水位日的孔壓水位并非最小值。這是由于地基土的滲透系數(shù)較小，測(cè)得的孔隙水壓力有滯后所致。

表1 大閘監(jiān)測(cè)儀器布置情況

b.孔壓變化值與水位變化值之間并非存在線性關(guān)系，例如最高水位與最低水位相差1.27m，而同期孔壓變化在0.46～0.81m之間，均值為0.57m。

c.最大孔隙水壓力發(fā)生在GK15測(cè)點(diǎn)，2009年1月31日為92.3kPa，對(duì)應(yīng)孔隙水壓力水位為5.03m，比同期上游水位高3.70m。造成測(cè)點(diǎn)孔壓水位與通水水位不一致的原因在于超靜孔隙水壓力，由于測(cè)點(diǎn)周圍為淤泥質(zhì)粘土，滲透系數(shù)相當(dāng)?shù)停虼顺o孔隙水壓力消散速度很慢。最小孔隙水壓力發(fā)生在GK22測(cè)點(diǎn)，2009年10月7日為52.3kPa，對(duì)應(yīng)孔隙水壓力水位為1.03m，比同期上游水位低0.10m，孔壓水位與通水水位基本一致。

d.本分析時(shí)段截止日水位與上時(shí)段末水位相比下降了0.12m，而測(cè)點(diǎn)孔壓變化表現(xiàn)為有正有負(fù)，大小分別為-0.69m、0.24m、0.07m 和-0.25m，變化值都不大，表明地基處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)異常情況。

4.1.2 上游鋪蓋

a.孔隙水壓力總體上看變化不大，隨水位變化而變化，但兩者之間的變化值并不完全一致。體現(xiàn)為最高水位日的孔壓水位并非最大值，最低水位日的壓水位并非最小值。

b.孔壓變化值與水位變化值之間不存在線性關(guān)系，例如最低水位與截止日水位相差-0.07m，而同期孔壓變化在0.62～-0.68m之間，顯然兩者之間相差較大。造成該現(xiàn)象的原因主要為地基土的滲透系數(shù)較小，孔壓消散不統(tǒng)一。

c.最大孔隙水壓力發(fā)生在GK30測(cè)點(diǎn)，2009年6月15日為87.5kPa，對(duì)應(yīng)孔隙水壓力水位為4.38m，比同期上游水位1.58m高出2.80m。造成測(cè)點(diǎn)孔壓水位與通水水位不一致的原因與護(hù)坦孔隙水壓力不一致的原因相同。最小孔隙水壓力發(fā)生在GK16測(cè)點(diǎn)，2009年8月26日為50.0kPa，對(duì)應(yīng)孔隙水壓力水位為1.63m，比同期上游水位1.29m高出0.34m，孔壓水位與通水水位相差不大。

d.本分析時(shí)段截止日水位與上時(shí)段末水位相比下降了0.12m，而測(cè)點(diǎn)孔壓變化表現(xiàn)為有正有負(fù)，大小分別為-0.41m、-0.67m和0.44m，變化值都不大，表明地基狀態(tài)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)異常情況。

e.分析時(shí)段末的孔隙水壓力比實(shí)際水位高出很多，這說(shuō)明超靜孔隙水壓力的消散相當(dāng)緩慢，實(shí)際上它與地質(zhì)情況有關(guān)，因?yàn)榭紫端畨毫x所處位置為淤泥質(zhì)粘土，滲透性很小，孔壓消散需要相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間。

4.1.3 閘基底板

a.閘基底板下孔隙水壓力的變化比較平穩(wěn)，規(guī)律性較好，孔隙水壓力隨水位變化而稍有變化，當(dāng)然兩者之間的變化并非一致，表現(xiàn)為：?最高水位日的孔壓水位并非最大值，最低水位日的孔壓水位并非最小值；?孔壓變化值與水位變化值之間也沒(méi)有必然聯(lián)系，例如最高水位與最低水位相差1.27m，而同期孔壓變化在-1.20～0.62m之間，變化值不大。

b.本分析時(shí)段截止日水位與上時(shí)段末水位相比下降了0.12m，各自對(duì)應(yīng)的上下游水位差僅為0.04m，而測(cè)點(diǎn)孔壓變化呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：在淺層，孔壓變化很小，最大僅為0.24m，在中間層和深層除GK8有所增加外，其余均有明顯下降，下降幅度在-0.87～-2.09m之間。表明在大閘運(yùn)行過(guò)程中，地基孔隙水壓力仍處于不斷消散狀態(tài)，這一方面體現(xiàn)出閘基的穩(wěn)定，另一方面體現(xiàn)出閘基的防滲性能良好的特性。GK8有所增加與埋設(shè)時(shí)孔隙水壓力儀穿透粉砂層、與地下水貫通有關(guān)。

4.1.4 閘基底板下主觀測(cè)斷面Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力

斷面Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ的變化規(guī)律與主觀測(cè)斷面I-I基本一致。在本分析時(shí)段截止日水位與上時(shí)段末水位相比下降了0.12m、各自對(duì)應(yīng)的上下游水位差僅0.04m的情況下，中間層和深層的孔隙水壓力全部表現(xiàn)為下降，并且下降值明顯，下降幅度在-1.00～-2.83m之間。這一方面表明閘基防滲情況良好，另一方面也說(shuō)明隨著大閘的穩(wěn)定運(yùn)行，地基孔隙水壓力仍然在不斷消散，閘基處于良好的穩(wěn)定狀態(tài)。

4.1.5 水閘右岸繞滲觀測(cè)點(diǎn)

a.孔隙水壓力隨水位變化而變化，但兩者之間并不完全一致。最高水位日的孔壓水位并非最大值，最低水位日的孔壓水位并非最小值。

b.孔壓變化值與水位變化值之間并非存在線性關(guān)系，例如最高水位與最低水位相差1.27m，而同期孔壓變化在-0.29～1.12m之間，變化均值為0.45m。

c.本分析時(shí)段截止日水位與上時(shí)段末水位相比下降了0.12m，各自對(duì)應(yīng)的上下游水位差僅為0.04m，而測(cè)點(diǎn)孔壓變化表現(xiàn)為有正有負(fù)，大小分別為-0.94m、0.02m、-0.04m、0.71m和 0.52m，變化值都不大，表明地基處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)異常情況。

d.孔隙水壓力水位與上下游水位差之間沒(méi)有相關(guān)性，即使是在水位差達(dá)到最大時(shí)，孔隙水壓力水位仍呈現(xiàn)出良好的平穩(wěn)特性，這表明水閘右岸沒(méi)有繞滲現(xiàn)象。

4.1.6 消力池底觀測(cè)點(diǎn)

a.孔隙水壓力隨著水位的增減而同步增減。

b.最大孔隙水壓力發(fā)生在2009年4月24日，GK12測(cè)點(diǎn)處，孔隙水壓力為93.3kPa，對(duì)應(yīng)孔隙水壓力水位3.43m，比同期下游水位1.17m高2.26m；最小孔隙水壓力發(fā)生在2009年8月3日，GK40測(cè)點(diǎn)處，孔隙水壓力為55.9kPa，對(duì)應(yīng)孔隙水壓力水位-0.71m，比同期下游水位-0.41m低0.30m。

c.在最低水位日的孔壓水位就是最小值，孔隙水壓力的變化規(guī)律較好，反映出孔隙水壓力增加與水位增加值之間基本一致。

4.1.7 下游海漫觀測(cè)點(diǎn)

可以看出，孔隙水壓力隨著下游水位的高低而發(fā)生變化，并且孔隙水壓力增加值與閘水位增加值基本同步。同時(shí)，也可以看出，下游海漫段地基透水良好。最大孔隙水壓力發(fā)生在GK14測(cè)點(diǎn)，2009年2月13日對(duì)應(yīng)孔隙水壓力水位為3.42m，比同期下游水位1.13m高2.29m。最低孔壓水位值全部發(fā)生在最低水位日，反映出孔隙水壓力增加與水位增加值之間基本一致。

4.2 分縫變形分析

為了解水閘通水后邊墩及縫墩的變形情況，在大閘的2個(gè)邊墩和3個(gè)縫墩的上下游兩端分別布置了TS型單向測(cè)縫計(jì)，數(shù)量共計(jì)10支。

大閘通水以后，分縫變形經(jīng)過(guò)了3個(gè)階段。

第一階段為大閘通水初期，時(shí)間為2007年1月1日～2008年3月11日。該階段水位比較平穩(wěn)，沒(méi)有明顯水位差，各點(diǎn)變形量起伏較大，最大張開(kāi)量為6.40mm。該階段可以認(rèn)為是閘體應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整期。

第二階段為平穩(wěn)期，時(shí)間為2008年3月11日～2009年7月7日。該階段分縫變形均不大，即使是出現(xiàn)過(guò)通水以來(lái)最高水位（2007.5.19），其階段變形仍然不大，最大值僅為3.35mm，最小值為-0.60mm。變形有張開(kāi)也有閉合，開(kāi)合量與通水之前的開(kāi)合量非常接近。

第三階段為變形開(kāi)展期，時(shí)間為2009年7月7日～2010年12月29日（分析時(shí)段末）。該階段變形主要特征為所有測(cè)點(diǎn)變形量明顯增大。通過(guò)比較可以看出：該階段上游水位比較平穩(wěn)，即使是存在明顯水位差，但水位差變化與變形的變化之間也沒(méi)有相關(guān)關(guān)系。經(jīng)對(duì)水閘管理日記分析后發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入7月份以后，各個(gè)閘門頻繁啟閉。據(jù)此認(rèn)為由于閘門的頻繁啟閉造成閘墩應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致變形明顯增大。同時(shí)，閘門的頻繁啟閉，也會(huì)產(chǎn)生一定振動(dòng)，從而對(duì)變形產(chǎn)生影響。當(dāng)然是否有其他原因還有待今后在獲取大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，作進(jìn)一步的分析、探討。

從本分析時(shí)段測(cè)縫計(jì)觀測(cè)結(jié)果可以看出：?分析時(shí)段內(nèi)上游水位比較平穩(wěn)，即使是存在明顯水位差，但水位差變化與變形的變化之間也沒(méi)有相關(guān)關(guān)系；?本分析時(shí)段截止日所有測(cè)點(diǎn)的變形均表現(xiàn)為張開(kāi)，張開(kāi)量在1.50～5.70mm之間，變形量不大；?同上分析時(shí)段末變形相比較，在本分析時(shí)段內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的變形都得到了較好的收縮，最大收縮值達(dá)到了6.60mm，表明水閘的運(yùn)行進(jìn)入了平穩(wěn)狀態(tài)；?本分析時(shí)段內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的變形幅度均不大，最大值出現(xiàn)在縫墩位置TS6測(cè)點(diǎn)，其值為8.20mm，同上分析時(shí)段變形幅度各值相比呈現(xiàn)出明顯的收窄趨勢(shì)，表明水閘應(yīng)力狀態(tài)更趨穩(wěn)定；?最大相對(duì)變形量在2.8/1000～9.3/1000之間，變形很小。

總之，無(wú)論是從大閘分縫變形的絕對(duì)值量來(lái)講，還是從相對(duì)變形量而言，閘墩變形很小，大閘處于安全狀態(tài)。

表2 表面位移觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果

4.3 位移分析

為了解水閘通水后上游平臺(tái)表面沉降和水平位移的變形情況，在對(duì)應(yīng)大閘的2個(gè)邊墩和3個(gè)縫墩的上游平臺(tái)位置分別布置了觀測(cè)點(diǎn)，數(shù)量為8個(gè)，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出：在兩年多的時(shí)間內(nèi)，所有測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)垂直位移，即沉降，最大沉降量發(fā)生在縫墩4號(hào)、5號(hào)測(cè)點(diǎn)，均為16.00mm，最小沉降發(fā)生在邊墩1號(hào)測(cè)點(diǎn)，無(wú)沉降。

水平位移觀測(cè)結(jié)果表明：所有測(cè)點(diǎn)的水平位移變化量均不大，最大位移變化量發(fā)生在7號(hào)點(diǎn)，為3.50mm，向西方向（上游）；反方向即向東方向（下游）最大位移變化量發(fā)生在1號(hào)點(diǎn)，為2.00mm。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要為：2008年初值設(shè)置時(shí)上下游水位差較大，為1.24m，在水平力作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，從而使上游平臺(tái)整體隆起；2009年測(cè)量時(shí)上下游水位差減小，為0.48m，水平力的作用減小，結(jié)構(gòu)變形恢復(fù)，上游平臺(tái)變形表現(xiàn)為整體沉降，并稍往上游移動(dòng)。

同時(shí)，從沉降及水平位移觀測(cè)數(shù)值絕對(duì)值來(lái)看，其值也不大，表明水閘的變形已基本穩(wěn)定，水閘處于安全狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2008年12月21日～2010年12月29日期間大閘滲流及變形觀測(cè)資料的分析可以得到下面結(jié)論：

a.余姚市蜀山大閘原型觀測(cè)資料較符合實(shí)際情況，并且規(guī)律性較好。

b.孔隙水壓力觀測(cè)資料分析表明：水閘地基均處于穩(wěn)定狀態(tài)，閘基及右岸防滲性能良好，水閘是安全的。

c.分縫變形觀測(cè)資料反映出水閘變形量很小，大閘工作狀態(tài)良好。

d.水閘上游平臺(tái)表面沉降和水平位移的變形情況表明：水閘的變形不大，并且已經(jīng)基本穩(wěn)定。

綜合以上分析，蜀山大閘地基防滲性能良好并處于穩(wěn)定狀態(tài)，水閘是安全的。但是，大閘建成時(shí)間還比較短，還未碰到過(guò)極限水位，建議在以后的觀測(cè)中，增加測(cè)次，并進(jìn)一步做好資料整理分析。

[1]張朝溫，王偉東等.水閘樞紐管理.鄭州：黃河水利出版社，2002.

[2]李澤崇，面板堆石壩原型觀測(cè)儀器的選型和埋設(shè)技術(shù)研究.南京水科院土工所，1996.12.