軟硬巖混合料填筑的董箐面板堆石壩運行狀況分析

湛正剛，史鵬飛，夏遵全

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州省貴陽市 550081）

軟硬巖混合料填筑的董箐面板堆石壩運行狀況分析

湛正剛，史鵬飛，夏遵全

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州省貴陽市 550081）

董箐面板堆石壩壩高150m，壩體2/3的填筑料采用的是溢洪道開挖的砂泥巖混合的軟硬巖料，大壩于2009年完工，迄今已運行了5年多的時間。通過運行期大壩變形、大壩滲流滲壓、面板接縫及撓度變形等監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，大壩的運行狀態(tài)穩(wěn)定、正常，揭示了軟巖填筑的大壩變形性狀及安全運行狀況。實踐證明，董箐面板堆石壩充分發(fā)揮了堆石壩就地取材的優(yōu)勢，根據(jù)壩體填筑材料的特性采取恰當(dāng)?shù)淖冃慰刂拼胧┖?，軟巖用于高面板堆石壩壩體填筑是安全可行的，可供同類工程借鑒與參考。

軟硬巖料；運行狀況；面板堆石壩；監(jiān)測；變形性能

0 引言

面板堆石壩筑壩技術(shù)自1985年西北口面板堆石壩工程正式年引入我國，因其經(jīng)濟性和適應(yīng)性的優(yōu)勢，在我國得到了進一步的發(fā)展，目前我國面板堆石壩數(shù)量、最大壩高、工程規(guī)模和技術(shù)難度均處于世界前列[1]。我國已建的面板堆石壩中大多采用灰?guī)r、砂巖、板巖、花崗巖、玄武巖、大理巖和熔凝灰?guī)r等進行筑壩，為發(fā)揮面板堆石壩就地取材、因材設(shè)計的優(yōu)勢，也有工程選用軟巖筑壩，但壩高基本不超過100m，壩高超過150m時，軟巖只用于壩體變形和應(yīng)力較小的部位。

董箐面板堆石壩壩體內(nèi)不分主、次堆石區(qū)，壩體內(nèi)2/3的堆石料全部采用泥巖（軟巖）和砂巖（硬巖）混合料進行填筑，該種筑壩材料和壩體結(jié)構(gòu)型式，用于高面板堆石壩國內(nèi)外尚屬首次。大壩于2007年開始填筑，2008年底填筑基本完成，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對大壩及面板的變形、滲流滲壓和應(yīng)力應(yīng)變等內(nèi)容進行分析，大壩目前運行正常。

1 工程概況

董箐水電站位于貴州省貞豐縣境內(nèi)，水庫正常蓄水位490m，死水位483m。該工程擋水大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高150m。壩體填筑量約900萬 m3，其中600萬m3為溢洪道開挖的砂泥巖互層石料，占壩體填筑量的三分之二，見圖1。砂泥巖開挖料中，砂巖屬中硬巖，飽和抗壓強度在46～60MPa之間，而泥巖屬軟巖，其飽和抗壓強度為10～20MPa，經(jīng)開挖混合后，形成了一種軟硬巖混合石料，其中砂巖占65%～85%，泥巖占15%～35%。

該工程大壩填筑施工于2007年1月開始，至2008年12月填筑高程達(dá)到491.2m，大壩填筑施工基本完成。2009年8月，水庫開始蓄水，2009年12月，電站1、2號機組先后投產(chǎn)發(fā)電，2010年6月，電站3、4號機組同步投入運行。至2010年12月，工程完建。

自水庫蓄水運行以來，電站均在正常蓄水位附近運行，至今已經(jīng)歷了五個汛期的檢驗，大壩監(jiān)測儀器運行正常。從大壩變形、大壩滲流、面板接縫變形等監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，大壩的運行狀態(tài)穩(wěn)定、正常。

2 大壩變形

2.1 儀器布置

堆石體內(nèi)部變形選取大壩R0-157.50m、R0-022.50m和L0+097.50m三個斷面作為典型觀測斷面，分別在378m、403.5m、425m、455m高程共設(shè)置8條測線，布置28個水平位移計測點和46個水管式沉降儀測點。在縱上0+022.00m斷面、455m高程左右岸壩肩各布置1組水平位移計組，監(jiān)測堆石體的縱向水平位移，儀器布置見圖2～圖3。

2.2 壩體沉降

壩體各監(jiān)測斷面在施工期、初蓄期以及運行期的沉降值見表1。表明壩體沉降位移在蓄水前的變形率在80%以上，初期蓄水后，使沉降變形率增加了5%左右，運行期的沉降變形值占總沉降變形的比率最大為15%，該值比采用非軟巖填壩的洪家渡面板堆石壩（該壩運行期的沉降變形值占總沉降變形的比率最大為10%）略大，但在同一量值范圍內(nèi)。同時，也說明了軟巖筑壩時，壩體運行期的流變變形會稍大一些。

圖1 董箐面板堆石壩壩體填筑材料分區(qū)圖Fig.1 Partition map of CFRD dam filling materials

圖2 大壩內(nèi)部變形監(jiān)測儀器布置圖Fig.2 Layout of monitoring instrument for dam inner deformation

圖3 大壩R0-022.50m斷面內(nèi)部變形監(jiān)測儀器布置示意圖Fig.3 Monitoring instrument for dam inner deformation on section Dam R0-022.50 m

表1 壩體內(nèi)部沉降變形各監(jiān)測斷面最大測值統(tǒng)計表Tab.1 Maximum measurements of dam inner settlement deformation on monitoring sections

圖4給出了壩體最大斷面（R0-022.5m樁號）425m高程各監(jiān)測點的沉降變形過程、大壩填筑過程以及蓄水運行過程。圖5示出了不同時間點大壩的沉降變形情況。進一步表明壩體沉降變形的主要部分是在施工期完成的，蓄水期會加快沉降變形過程，到運行期后，沉降變形平緩，至2013年5月，年平均增加33mm，月平均增加2.7mm。2013年5月至2015年3月，年變化量僅為9mm，壩體內(nèi)部沉降變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

2.3 橫向水平位移分析

橫向水平位移的變形規(guī)律為：施工期上游測點向上游位移，下游測點向下游位移，中間測點測值較?。恍钏?，測點整體向下游移動；低高程測值變化規(guī)律明顯，高高程測值變化規(guī)律性較差。各高程橫向水平位移變形特征值見表2。由特征值表可以看出，堆石體橫向變形主要發(fā)生在施工期，向上游變形大于向下游變形，蓄水對壩體中部的變形影響較大。

施工期橫向水平位移最大值為387.10mm，與采用非軟巖材料筑壩的洪家渡面板堆石壩的橫向變形值（橫向變形最大值為301.97mm）相比，董箐水電站的橫向變形測值較大，考慮筑壩材料的特性，該測值在合理范圍內(nèi)。2012年5月至2013年5月，橫向位移變化最大值為20.37mm，當(dāng)月變化量最大值為1.21mm，2013年5月至2015年3月，年變化量僅為5mm。由橫向位移特征值表及圖6所示，壩體橫向變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

2.4 縱向水平位移分析

壩體內(nèi)部縱向水平位移計安裝在455m高程，縱上0+022.0m部位，壩體的變形規(guī)律為：左右岸均向河床中部移動，縱向變形大部分發(fā)生在施工期，面板施工前壩體縱向變形已經(jīng)完成70%以上。各施工階段壩體內(nèi)部縱向水平位移特征值見表3，由表3可以看出施工期變形占總變形的76%以上，二期面板施工前壩體變形占總變形的71%以上，頂部面板施工前壩體變形占總變形的78%以上，初蓄期后壩體變形占總變形的86%以上，初蓄期對壩體左岸影響較大，影響率在8%～10%之間，對右岸影響不明顯，與壩址處左右岸地形條件相符。堆石體內(nèi)部縱向水平位移計位移分布見圖7，各測點測值目前變形很小，已經(jīng)屬于收斂狀態(tài)。

圖4 壩體R0-022.5m監(jiān)測斷面425m高程各測點沉降變形過程線Fig.4 Settlement deformation process line of each measure point on EL.425m on section Dam R0-022.5m

圖5 壩體R0-022.5m監(jiān)測斷面425m高程沉降變形分布曲線Fig.5 Distribution curve about settlement deformation on EL.425m on Dam R0-022.5m

表2 橫向水平位移變形特征值表Tab.2 Lateral horizontal displacement deformation

圖6 壩體R0-022.5m監(jiān)測斷面378m高程橫向水平位移過程線Fig.6 Process lineoflateral horizontal displacement on EL.378m on Dam R0-022.5m

3 滲流滲壓

滲流滲壓采用滲壓計和量水堰進行監(jiān)測。共布置21支滲壓計，監(jiān)測壩體、壩基的滲壓情況及周邊縫止水運行情況，滲流滲壓儀器布置見圖8～圖9。在壩內(nèi)左、右岸坡分別設(shè)了壩內(nèi)截水溝并安裝量水堰（WE1和WE2），以監(jiān)測兩岸的滲漏量，在壩后設(shè)置1個量水總堰（WE3），監(jiān)測大壩的總滲流量。

表3 縱向水平位移變形特征值表Table.3 Longitudinal displacement deformation

圖7 壩體內(nèi)部縱向水平位移計位移分布圖Fig.7 Layout of longitudinal horizontal displacement gauge inside dam

3.1 壩基滲壓

壩基滲壓監(jiān)測斷面選取在最大斷面R0-022.5m處，儀器沿水流方向設(shè)置，共布置7支滲壓計，其中帷幕前布置1支。施工過程中壩軸線上游儀器部分損壞，在帷幕后補埋一支滲壓計（PA8），各儀器埋設(shè)位置參見圖8～圖9。蓄水運行以來，壩基滲壓平穩(wěn)且變幅較小，壩基水位保持在380 m高程附近，PA7測點位于下游擋墻基礎(chǔ)部位，擋墻基礎(chǔ)進行了固結(jié)灌漿，因此該處滲壓測值小于壩基其余部位滲壓計測值，庫水位與壩基滲壓計水頭變化過程線見圖10。由滲壓計測值過程線可以看出大壩面板、趾板及接縫止水系統(tǒng)運行狀況良好。

3.2 壩體滲流量

董箐水電站滲流量監(jiān)測分左右岸及總滲流量監(jiān)測，從蓄水運行監(jiān)測結(jié)果分析，壩體滲流量與庫水位的相關(guān)性不明顯，主要受降雨量影響，有一定的滯后性。左右岸的滲漏量較小，2015年3月測值，左岸量水堰（WE1）測值為0.041L/s，右岸量水堰（WE2）測值為0.783L/s。壩體滲漏總水堰（WE3）測值與庫水位變化過程見圖11，其穩(wěn)定滲漏量為20～30L/s，汛期受降雨影響，最大測值量為77.4L/s，發(fā)生于2010年汛期。與同類工程相比，其壩體滲漏量較小，說明整個大壩不存在其他集中滲漏問題，壩體運行狀態(tài)良好。

圖8 大壩滲流滲壓監(jiān)測平面布置圖Fig.8 Dam seepage pressure monitoring layout

圖9 大壩滲流滲壓監(jiān)測剖面圖（R0-022.50m）Fig.9 Dam seepage pressure monitoring section （R0-022.50 m）

圖10 大壩R0-022.5m監(jiān)測斷面壩基滲壓計測值過程線Fog.10 Process line of damfoundation seepage pressure on Section Dam R0-022.5m

4 面板變形

4.1 垂直縫

大壩面板垂直縫監(jiān)測儀器根據(jù)面板的分期情況進行布設(shè)，布置在分期面板頂部以下5m范圍內(nèi)，不同高程儀器的監(jiān)測結(jié)果如下：

470m高程測縫計表現(xiàn)為兩岸受拉，中間受壓，左岸接縫變形較大，河床中部及右岸接縫變形較小，左岸最大張拉位移為18.94mm，中部壓縮最大位移為7.28mm，右岸最大張拉位移為2.61mm。

487m高程測縫計表現(xiàn)為兩岸受拉，中間受壓，受壓區(qū)域較大，左岸最大張拉位移為19.99mm，中部壓縮最大位移為5.20mm，右岸最大張拉位移為12.61mm。

與非軟巖筑壩材料的同類工程比較，董箐面板頂部垂直縫的壓縮變形偏大，由于在壓性垂直縫區(qū)域的每條縫均設(shè)置了8mm的縫寬，各縫的累計可壓縮位移大于實測變形，面板沒有發(fā)生擠壓破損現(xiàn)象。

4.2 周邊縫

面板周邊縫采用大量程三向測縫計進行監(jiān)測。周邊縫位移過程線見圖12。庫水位的上升對周邊縫的變形有一定影響，但蓄水完成后，周邊縫的測值已經(jīng)趨于收斂。周邊縫最大沉降值為43.81mm，最大剪切變形值為26.20mm，最大張開值為24.24mm，測值小于按沉降60mm、剪切40mm、張開40mm設(shè)計的周邊縫止水系統(tǒng)設(shè)計值，周邊縫的運行狀態(tài)是安全的。

4.3 面板撓度變形

面板撓度變形采用電平器和光纖陀螺儀進行監(jiān)測，斷面選擇與壩體內(nèi)部變形監(jiān)測斷面一致，共布置38臺電平器，在L0+007.50m斷面布置1套光纖陀螺儀。

電平器測得面板最大撓度為25.38cm，面板弦長比為0.10%；光纖陀螺儀測得的面板最大撓度為45.76cm，面板弦長比為0.19%。根據(jù)三維有限元計算結(jié)果，面板法向位移表現(xiàn)為朝向堆石體方向的變形，蓄水期水位高程490m時，最大值52cm。與計算結(jié)果及國內(nèi)同類型工程相比（天生橋一級0.26%、洪家渡0.11%、水布埡0.14%、三板溪0.05%），董箐水電站面板撓度測值在合理范圍內(nèi)。

圖11 壩體總滲流量WE3與庫水位變化過程線Fig.11 Process lineabout dam seepageflowWE3 and reservoir water level variation

圖12 大壩R0-190m樁號EL.401m周邊縫位移過程線Fig.12 Process line of peripheraljointsdisplacement on section Dam R0-190m on EL.401m

5 結(jié)束語

董箐水電站150m級高的面板堆石壩全斷面采用軟硬料填筑，是一次大膽的嘗試，發(fā)揮了堆石壩就地取材的優(yōu)勢，大壩已正常運行5年多時間，各項指標(biāo)均在合理和可控范圍內(nèi)，大壩工作狀態(tài)良好。說明只要對大壩變形控制得當(dāng)，加大壩體碾壓的密實度，采用較長的預(yù)沉降時間等，使后期變形（流變）盡可能減小，有利于大壩的安全運行。同時在面板垂直受壓縫采用預(yù)留可壓縮的累計位移，是預(yù)防面板擠壓破損的有效措施之一，可供今后軟巖筑壩以及更高壩的設(shè)計建設(shè)借鑒。

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Operation Condition Analysis of Dongqing Concrete Face Rockfill Dam Filled with Hard and Soft Rock Mixture

ZHAN Zhenggang, SHI Pengfei, XIA Zunquan
(PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081, China)

Dongqing CFRD dam， with the height of 150 m， the two-thirds of whose dam filling material is hard and soft rock mixture from the spillway excavation material， was completed in 2009 and has been running for more than 5 years to date. The monitoring data analysis of dam deformation， seepage， panel joints and deflection deformation during operating period indicates that the operation condition of the dam is stable and normal， revealing the dam deformation performance and safety operation condition of the dam filed with soft rock. Practice has proved that Dongqing CFRD gives full play to the advantages of the rockfill dam using local materials. High CFRD dam filled with soft rock is safe and feasible after taking appropriate deformation control measures according to the characteristics of dam filling materials， which is available for references to similar projects.

hard and soft rock mixture；operation condition；concrete face rockfill dam；monitoring；deformation performance

TV641.4+3

A

570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.006

董菁水電站工程獲第十三屆中國土木工程詹天佑獎。

Dongqing Hydropwer Project won the “Tien-yow Jeme Civil Engineering Prize”.

2016-9-20

2016-10-21

湛正剛（1968—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：水工結(jié)構(gòu)、E-mail：zhanzhenggang@hydrochinaguiyang.com.cn

史鵬飛（1982—），女，高級工程師，主要研究方向：水工結(jié)構(gòu)，E-mail：93685999@qq.com

夏遵全（1981—），男，高級工程師，主要研究方向：水工結(jié)構(gòu)，E-mail：gsxiazq@163.com