深厚覆蓋層上高礫石土心墻堆石壩變形監(jiān)測(cè)分析

馮 蕊，何蘊(yùn)龍

（武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

1 引 言

土石壩因其在結(jié)構(gòu)、取材、適應(yīng)地基變形等方面的優(yōu)點(diǎn)成為我國(guó)水電事業(yè)蓬勃發(fā)展的西南地區(qū)優(yōu)先考慮和采用的壩型。隨著碾壓技術(shù)的提高和土力學(xué)理論的發(fā)展，心墻防滲料不再嚴(yán)格地限于黏土、壤土等細(xì)粒土，多采用風(fēng)化料或摻礫混合土料這類寬級(jí)配料。 我國(guó)西部地區(qū)河流中深厚覆蓋層普遍發(fā)育，壩體往往建于深厚覆蓋層上，目前在建和擬建壩高100～200 m 量級(jí)的土石壩已有10座以上[1]，甚至有些300 m以上的高壩也在規(guī)劃中，但在高礫石土心墻堆石壩迅猛發(fā)展的同時(shí)也出現(xiàn)了一些亟待解決的問(wèn)題諸如壩體變形預(yù)測(cè)與控制等。

土石料是一種典型的散粒體材料，其多樣性和復(fù)雜性決定了土石壩應(yīng)力變形所受的影響因素甚多而且復(fù)雜，尤其是在水庫(kù)蓄水之后。另外，除了施工期和蓄水期的加載變形外，壩體的蠕變和濕化作用引起的變形也是土石壩變形的重要部分[2]。工程經(jīng)驗(yàn)表明，過(guò)大的后期變形通常是導(dǎo)致土石壩裂縫等破壞現(xiàn)象的主要原因[3]。無(wú)論是從理論方面還是從試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方面都有不同學(xué)者采用不同的方法進(jìn)行了研究，研究結(jié)論有差異[3－10]，因此需要對(duì)這類土石壩的變形及應(yīng)力規(guī)律有一個(gè)清晰完整的認(rèn)識(shí)，壩體的監(jiān)測(cè)資料是正確認(rèn)識(shí)壩體的變形規(guī)律重要的依據(jù)。

關(guān)于深厚覆蓋層上的礫石土心墻堆石壩的監(jiān)測(cè)資料較少，本文分析了建在深厚覆蓋層上的百米級(jí)高礫石土心墻堆石壩磽磧大壩的監(jiān)測(cè)資料，并對(duì)在壩高、覆蓋層深度以及河谷寬度、監(jiān)測(cè)布置等方面都與磽磧大壩具有相似性的毛爾蓋大壩進(jìn)行對(duì)比。在施工期和運(yùn)行期對(duì)兩座大壩都進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，雖然監(jiān)測(cè)資料不十分全面，但基本上反映出不同時(shí)期的變形規(guī)律，通過(guò)對(duì)比分析兩座大壩的監(jiān)測(cè)信息，探討了壩體變形的規(guī)律性以及影響因素，分析結(jié)果對(duì)同類壩型具有參考意義。

2 工程概況及監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

磽磧工程位于雅安市寶興縣東河上游河段，為礫石土心墻堆石壩，最大壩高 125.50 m，壩頂長(zhǎng)439.80 m。壩體位于深厚覆蓋層上，壩基混凝土防滲墻嵌入基巖2.0 m，最大深度為70.5 m。大壩結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 磽磧大壩結(jié)構(gòu)(單位:m)Fig.1 Structural diagram of Yaoji dam(unit:m)

2.2 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

磽磧大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比較完整，涉及滲流、變形、位錯(cuò)、應(yīng)力、應(yīng)變等信息，用來(lái)監(jiān)測(cè)大壩主體、廊道和防滲墻的安全性態(tài)，表1為壩體填筑和蓄水特征。本文對(duì)典型剖面（縱0+215.00 m）主要就壩體和心墻的的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。心墻中央布置固定式測(cè)斜儀，共7個(gè)測(cè)點(diǎn)，自上向下編號(hào)為IN1～I(xiàn)N7，埋設(shè)高程分別為2124、2112、2100、2090、2078、2064、2049 m。下游堆石體布置水平位移計(jì)，編號(hào)為H9～H23。沉降儀與水平位移計(jì)組合布置、埋設(shè)位置、方法相同，編號(hào)為V9～V23，具體位置如圖2和表2所示，具體過(guò)程可見(jiàn)表1和圖3中的壩體填筑和蓄水過(guò)程線。

圖2 磽磧大壩監(jiān)測(cè)儀器布置(單位:m)Fig.2 Layout of monitoring instruments of Yaoji dam(unit:m)

表1 磽磧大壩填筑蓄水情況Table 1 Filling water storage condition of Yaoji dam

表2 磽磧大壩監(jiān)測(cè)儀器位置Table 2 Position of monitoring instruments of Yaoji dam

3 心墻水平位移監(jiān)測(cè)成果分析

圖3為磽磧大壩心墻順河向?qū)崪y(cè)位移過(guò)程線，圖4為磽磧大壩各典型時(shí)刻位移沿心墻高程的分布情況。從圖中可以看出，（1）心墻水平位移受庫(kù)水位影響顯著，并且存在滯后現(xiàn)象。以壩軸線為基準(zhǔn)，隨著水位上升（下降），心墻向下游（上游）移動(dòng)。在水庫(kù)運(yùn)行的最初 2～3 a內(nèi)，心墻向上游的位移明顯大于向下游的位移,第 2次低水位時(shí)向上游的最大位移接近160 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第2次高水位時(shí)向下游約50 mm的位移，相對(duì)水位有滯后現(xiàn)象，運(yùn)行期前幾年滯后現(xiàn)象明顯，水庫(kù)到達(dá)高水位約60 d后位移達(dá)到最大值；（2）隨著時(shí)間的推移向下游的位移逐漸增大，向上游的位移逐漸減小，位移過(guò)程線整體向下游移動(dòng)。2012年（壩體蓄水運(yùn)行5年）以后心墻位移均指向下游；（3）2011年11月13日水位升至2129.4 m，是年最高水位，此時(shí)向下游的最大位移僅26.0 mm，2010年和2012年的最高水位都接近正常蓄水位（2140.0 m），向下游的位移卻可達(dá)到130 mm，可見(jiàn)10 m的庫(kù)水位對(duì)心墻的位移影響很大；（4）高水位時(shí)沿高程的增加向下游的位移從小到大均勻變，低水位時(shí)向上游的位移在中下部變化很大，中上部幾乎沒(méi)有變化。

圖3 心墻順河向?qū)崪y(cè)位移過(guò)程線Fig.3 Displacements process in up-downstream direction of core

圖4 典型時(shí)刻心墻位移分布Fig.4 Displacements distribution in core at typical time

現(xiàn)有的工程觀測(cè)資料顯示，粗粒料也會(huì)發(fā)生類似于黃土的濕化變形，不僅可以抵消土體骨架受浮力影響所產(chǎn)生的上抬膨脹，而且會(huì)導(dǎo)致不同程度的沉陷，尤其是初次蓄水時(shí)濕化作用更為明顯。2008－2011年水庫(kù)運(yùn)行的前幾年，當(dāng)水位降至低水位時(shí)水荷載減小且作用于心墻底部，上游壩殼和心墻上游側(cè)部分土體發(fā)生濕化變形導(dǎo)致壩體下沉，使心墻產(chǎn)生與水壓力作用方向相反的向上游的位移，尤其是上部向上游傾斜的趨勢(shì)更加明顯。這種情況下受彎心墻容易產(chǎn)生水平裂縫，并且心墻與壩體之間有產(chǎn)生相互脫離的縱向裂縫的可能，對(duì)壩體穩(wěn)定性也有重大的影響。

堆石料的濕化變形可解釋為在建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中水庫(kù)蓄水及水位波動(dòng)、雨水入侵等使堆石料含水率增加，由于水的潤(rùn)滑作用和礦物顆粒浸水軟化，顆粒接觸點(diǎn)（面）承載力下降，需要增大接觸面積進(jìn)行應(yīng)力重分布以維持原來(lái)的平衡，從而造成骨架中顆粒向孔隙滑移填充、破碎和位置重新排列。以2009年的位移變化為例來(lái)分析，6月份以后，隨著水位的不斷升高，水壓力逐漸增大，同時(shí)作用點(diǎn)上移，心墻產(chǎn)生向下游的彈性和塑性變形。由于低水位時(shí)向上游的位移相對(duì)較大，水荷載的作用首先用于抵消向上游的位移，所以運(yùn)行初期向下游的位移相對(duì)較小。隨著水庫(kù)的運(yùn)行需要抵消的向上游的位移逐漸減小，所以向下游的位移逐漸增大。

壩體顆粒在不斷破碎和孔隙填充中密實(shí)度也逐漸增加，濕化作用逐漸減弱，同時(shí)向下游的塑性變形也不斷積累。所以隨著時(shí)間的推移，低水位時(shí)向上游的變形減小，直至變?yōu)橄蛳掠蔚淖冃危瑝误w趨于穩(wěn)定。2011年高水位時(shí)10 m的水位差引起約100 mm的位移變化，說(shuō)明當(dāng)?shù)退灰鸬奈灰谱罱K僅發(fā)展到壩軸線附近時(shí)，即壩體的密實(shí)度達(dá)到一定程度時(shí)向下游的位移對(duì)水庫(kù)水位變化十分敏感。

4 壩體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)成果分析

4.1 水平位移分析

圖5為磽磧壩壩體水平位移過(guò)程線。結(jié)合壩體填筑曲線和水庫(kù)蓄水過(guò)程，以第1次和第2次高水位為界，整個(gè)變形過(guò)程大體可分為3個(gè)階段:第一階段，位移約占總位移的70%～80%，主要是水荷載作用下的彈性變形，期間位移增加速度較快，與水荷載存在極好的相關(guān)性。第二階段，水平位移幾乎不變，階段末短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)位移驟增現(xiàn)象，在2110、2085、2061 m高程處位移驟增了約150、75、50 mm。第三階段，第2次高水位以后的整個(gè)運(yùn)行期，位移基本保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，增長(zhǎng)速率很小。

圖5 磽磧大壩壩體水平位移過(guò)程線Fig.5 Displacements process of Yaoji dam

整個(gè)變形階段2110 m高程處的變形滯后于水位的降落，第1、2次高水位過(guò)后都是經(jīng)過(guò)4～5個(gè)月位移才達(dá)到最大。

壩體的水平位移之所以呈現(xiàn)出這樣的規(guī)律，可以將其與心墻的水平位移結(jié)合起來(lái)分析，一方面水庫(kù)運(yùn)行的前幾年濕化作用比較明顯，上游壩殼和心墻部分土體發(fā)生沉降和向上游的位移。另一方面水位下降，水荷載減小，心墻向上游變形。兩方面共同作用下心墻與下游壩體有脫開(kāi)的趨勢(shì)，此時(shí)水荷載對(duì)下游壩體的影響很小，所以水位從第1次高水位降至低水位再升至第2次高水位的這段時(shí)間內(nèi)，位移幾乎不變。第 2次高水位以后心墻向下游移動(dòng)，一旦心墻與下游壩體接觸，在水荷載作用下位移急劇增加，可以初步確定下游壩體的水平位移與上游壩體和心墻的濕化變形有很大關(guān)系。

4.2 沉降分析

圖6為磽磧大壩壩體沉降過(guò)程線。結(jié)合壩體填筑和蓄水過(guò)程分析,壩體沉降也可以大致分為3個(gè)階段:第一階段，大壩主體完工之前。期間壩體沉降與堆石體填筑密切相關(guān)，在壓實(shí)作用和不斷增加的上部壩體的自重作用下迅速產(chǎn)生沉降，并且速率很大。同時(shí)，水荷載的增加，使顆粒破碎越來(lái)越厲害，相互填充速率增加。磽磧沉降主要發(fā)生在壩體填筑期，符合一般規(guī)律。填筑完成前沉降值占了總沉降值（截止到2014年初）的70%～86%。第二階段，大壩主體完工至第2次高水位。期間蠕變較快，主要發(fā)生的是堆石體蠕變性質(zhì)的沉降，顆粒破碎和重新排列持續(xù)進(jìn)行，體積收縮，產(chǎn)生沉降。此階段沉降值約為總沉降值（截止到2014年初）的10%～15%。第三階段，第2次高水位之后的整個(gè)壩體運(yùn)行期。堆石體的蠕變隨時(shí)間的延續(xù)而減緩，第2次高水位以后堆石料趨于穩(wěn)定，蠕變效應(yīng)仍然存在，但是發(fā)展較慢，2009年初到2014年初5年時(shí)間內(nèi)沉降以較小的速率繼續(xù)發(fā)展增加了80 mm。

圖7為磽磧大壩正常蓄水位（第2次高水位）時(shí)的壩體沉降分布。從圖中可以看出，由于覆蓋層的影響壩體最大沉降值位于2061.0 m高程即1/3壩高，最大為1301 mm，中部最大，向心墻和壩坡處逐漸減小，可能與壩體的碾壓質(zhì)量有關(guān)。

5 填筑蓄水過(guò)程對(duì)壩體變形的影響

圖6 磽磧大壩壩體沉降過(guò)程線Fig.6 Settlement processes of Yaoji dam

為了對(duì)此類壩體的變形規(guī)律有一個(gè)更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)，選擇了與磽磧大壩在壩高、河谷寬度、覆蓋層深度以及監(jiān)測(cè)儀器的布置等方面都具有相似性的毛爾蓋大壩的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行對(duì)比分析，在對(duì)壩體變形的普遍規(guī)律進(jìn)行總結(jié)的同時(shí)主要對(duì)流變作用對(duì)壩體變形的影響進(jìn)行了探討。毛爾蓋大壩位于四川省黑水河中游河段，壩體為礫石土心墻堆石壩，最大壩高見(jiàn)圖8、9和表3。限于篇幅，毛爾蓋大壩僅列出壩高147.0 m，壩頂長(zhǎng)458.5 m。壩體位于深厚覆蓋層上，壩基混凝土防滲墻嵌入基巖 1.5 m，最大深度為52.0 m，圖8為壩體結(jié)構(gòu)圖。毛爾蓋大壩的沉降儀和水平位移計(jì)組合布置在典型剖面（縱0+244.0 m），如壩體中間2個(gè)高程（2048、2078 m）處的位移過(guò)程線。對(duì)水平位移進(jìn)行分析，兩個(gè)壩體的水平位移過(guò)程線變形基本相似，如圖5和圖10(1)所示。以第1、2次高水位兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)為界把整個(gè)變形過(guò)程分為3個(gè)階段；兩個(gè)壩體的變形存在一定差異，變形的第一階段，磽磧大壩產(chǎn)生的位移約占總位移的80%，毛爾蓋大壩只占20%～50%，同時(shí)，毛爾蓋大壩起測(cè)時(shí)間較晚，如果把初始測(cè)值時(shí)刻以前由壩體填筑引起的水平位移計(jì)算進(jìn)去，所占比例會(huì)進(jìn)一步減小。第二階段末，短時(shí)間內(nèi)毛爾蓋大壩的位移驟增在，2108、2078、2048、2031 m高程處分別為600、400、200、100 mm，而磽磧大壩在2110、2085、2061 m高程處分別約為150、75、50 mm，2組數(shù)值在大小上相差很大，與磽磧大壩相比，毛爾蓋大壩第1次蓄至高水位引起的變形較小，第2次高水位引起的短時(shí)間內(nèi)變形驟增較大。初步分析發(fā)現(xiàn)，主要與壩體濕化變形和流變變形有關(guān)。流變變形主要是指顆粒棱角、顆粒之間的局部軟弱界面被壓碎造成顆粒錯(cuò)動(dòng)或顆粒本身破壞以及細(xì)化顆粒填充滑移孔隙引起的變形。同時(shí)堆石體的是一種典型的非線性材料，顆粒的破碎和重新排列都具有時(shí)間效應(yīng)，其應(yīng)力和應(yīng)變是時(shí)間的函數(shù)。所以大壩的變形與施工過(guò)程即壩體的填筑和蓄水過(guò)程也是密切相關(guān)的。兩壩體從開(kāi)始填筑到庫(kù)水第1次到達(dá)高水位均用了主體工程完工時(shí)庫(kù)水位接近正常蓄水位。毛爾蓋大壩填筑較快，在壩體施工完成后一段時(shí)間內(nèi)才到達(dá)第1次高水位，壩體填筑130.5 m時(shí)才開(kāi)始蓄水，大壩主體完工時(shí)水位距離正常蓄水位還有 85.5 m。兩壩填筑和蓄水特征見(jiàn)表1、4。

圖7 磽磧大壩壩體沉降分布(單位:mm)Fig.7 Settlement distribution of Yaoji dam(unit:mm)

圖8 毛爾蓋大壩結(jié)構(gòu)(單位:m)Fig.8 Structural of Maoergai dam(unit:m)

圖9 毛爾蓋大壩監(jiān)測(cè)儀器布置(單位:m)Fig.9 Layout of monitoring instruments of Maoergai dam(unit:m)

表3 毛爾蓋大壩監(jiān)測(cè)儀器布置Table 3 Position of monitoring instruments of Maoergai dam

圖10 毛爾蓋大壩壩體位移過(guò)程線Fig.10 Displacement processes of Maoergai dam

表4 毛爾蓋大壩填筑蓄水情況Table 4 Process of construction of Maoergai dam

第1次蓄水引起的位移主要是在振動(dòng)碾壓以及水荷載等外力作用下發(fā)生的壓縮變形，同時(shí)伴有顆粒的破碎、相互填充和結(jié)構(gòu)調(diào)整。由于磽磧大壩蓄水較早，在施工過(guò)程中水荷載就通過(guò)心墻傳遞給下游壩體，外力作用較大，流變作用發(fā)展比較充分，所以磽磧大壩這種施工與蓄水幾乎同步完成的施工方式使得壩體在第一階段位移所占的比例較大，約為80%。

第1次蓄水引起的位移對(duì)第二階段的位移有很大的影響，由于磽磧大壩在第一階段流變變形發(fā)展比較充分，堆石體密度增大，孔隙率減小，壩體加載模量增加。所以第2次蓄水后位移驟增值相對(duì)較少，而壩體加荷模量較小，第2次蓄水時(shí)在水荷載作用下位移增長(zhǎng)較多。

對(duì)沉降進(jìn)行分析，壩體主體完工和第2次高水位兩個(gè)時(shí)刻也可以把沉降分為3個(gè)階段。毛爾蓋大壩監(jiān)測(cè)資料并不完整，起測(cè)時(shí)壩體還有30 m即可填筑到壩頂，但填筑完成后的資料可清楚地看到，在大壩主體完成后到水庫(kù)第1次到達(dá)高水位，位移值增加很多，在2031、2048、2078 m高程處(本時(shí)間段2108 m高程監(jiān)測(cè)資料不全)沉降值均約增加了200 mm。在第2次蓄水時(shí)，2031、2048、2078、2108 m 高程處沉降分別增加約 200、350、500、600 mm。這些數(shù)據(jù)表明，毛爾蓋大壩第2次蓄水產(chǎn)生的位移比磽磧大壩大得多，可用與水平位移相同的原因進(jìn)行解釋，流變效應(yīng)不僅使水平位移的增加，而且使沉降值也有了大幅的提升。

6 結(jié) 論

（1）心墻水平位移以壩軸線為基準(zhǔn)，隨水位上升（下降）產(chǎn)生向下游（上游）的位移，在開(kāi)始運(yùn)行的前幾年會(huì)出現(xiàn)位移的滯后現(xiàn)象，滯后時(shí)間約為60 d，隨著時(shí)間的推移整個(gè)過(guò)程線向下游移動(dòng)，直至運(yùn)行5 a后不再產(chǎn)生向上游的位移。

（2）心墻位移初步分析是由于上游壩體和心墻部分土體的濕化作用引起的，低水位時(shí)水荷載的作用點(diǎn)較低，使心墻有向上游傾斜的趨勢(shì),同時(shí)心墻受彎以及心墻與壩體之間相互脫離的趨勢(shì)都會(huì)使心墻有產(chǎn)生裂縫的可能。

（3）壩體下游水平位移過(guò)程以第1、2次高水位兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)為界，可分為3個(gè)階段:第一階段位移隨水位的上升而增加。第二階段位移變化很小僅在階段末短時(shí)間內(nèi)有一個(gè)位移驟增現(xiàn)象，第2次高水位以后位移處于緩慢增長(zhǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于第二階段心墻向上游移動(dòng)，與下游壩體有脫開(kāi)的趨勢(shì)，位移受水荷載影響較小，一旦心墻與下游壩體接觸，在水荷載作用下短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生位移驟增。

（4）壩體沉降和水平位移一樣，以大壩主體完工和第2次高水位兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)為界，可分為3個(gè)階段。由于覆蓋層影響，磽磧沉降最大位于1/3壩高處，最大值為1301 mm。在第三階段，即壩體沉降穩(wěn)定發(fā)展階段，2009年初到2014年初的5 a內(nèi)，由于堆石體蠕變，沉降持續(xù)增加了80 mm。

（5）壩體不同的填筑和蓄水過(guò)程，對(duì)壩體的位移影響顯著。初次蓄水和第2次蓄水引起的位移差均可達(dá)到60%～70%。適當(dāng)提前壩體的蓄水時(shí)間，填筑和蓄水同時(shí)進(jìn)行可使流變作用發(fā)展較充分，壩體較快達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，后期變形減小。

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