瀝青混凝土心墻堆石壩安全監(jiān)測設(shè)計分析

張安平，王曙華

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院規(guī)劃設(shè)計分院，四川 德陽，618000)

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瀝青混凝土心墻堆石壩安全監(jiān)測設(shè)計分析

張安平，王曙華

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院規(guī)劃設(shè)計分院，四川 德陽，618000)

通過四川省萬源市寨子河水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)備的布置，簡述土石壩安全監(jiān)測設(shè)備布置的依據(jù)、方法、監(jiān)測設(shè)備選擇、數(shù)據(jù)采集整理等工作內(nèi)容，淺析了不同級別及材料分區(qū)的瀝青混凝土堆石壩安全監(jiān)測項目。

寨子河水庫大壩安全監(jiān)測 滲流監(jiān)測 表面變形監(jiān)測 內(nèi)部變形監(jiān)測

1 概述

壩體監(jiān)測是土石壩設(shè)計、水工監(jiān)測的重要組成部分。根據(jù)國內(nèi)的研究經(jīng)驗，土石壩任何形式的破壞，都不是偶然發(fā)生的，而是一個由量變到質(zhì)變的發(fā)展過程。壩體監(jiān)測的主要目的就在于監(jiān)督其量變過程，通過對監(jiān)測資料的整理分析，了解它的工作狀態(tài)，掌握其發(fā)展趨勢，對是否能及時作出判斷，以便在必要的時候制定必要的工程措施，確保壩體在施工過程中及運行期的安全。

土石壩安全監(jiān)測主要包括：變形監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、滲流監(jiān)測、裂縫監(jiān)測和地震監(jiān)測等。根據(jù)不同級別及高度的土石壩，應(yīng)設(shè)置以下監(jiān)測項目：

(1)1級、2級高壩應(yīng)設(shè)置以下監(jiān)測項目：

①壩面處垂直位移，水平位移和接縫位移；

②壩基沉降；

③壩體內(nèi)部垂直位移；

④滲透流量、滲透水透明度和水質(zhì)。

(2)根據(jù)工程具體情況，1級、2級高壩可增加以下專門性檢測項目：

①壩體內(nèi)部水平位移；

②壩體內(nèi)部土體的應(yīng)力應(yīng)變；

③壩體與其他建筑物接觸面的土壓力；

④混凝土防滲墻、鋼筋混凝土及瀝青混凝土防滲體的應(yīng)力和應(yīng)變；

⑤地震；

⑥岸坡穩(wěn)定；

⑦其他(如波浪、水庫水質(zhì)污染等)。

(3)3級壩及4級、5級壩高大于30m的壩應(yīng)設(shè)置下列監(jiān)測項目：

①壩面垂直位移和水平位移；

②滲流量；

③根據(jù)具體情況監(jiān)測壩體和壩基的空隙水壓力計壩體的浸潤線。

目前我省在建的中型水庫大部分為當(dāng)?shù)夭牧蠅巍潦瘔?，大壩防滲體主要采用瀝青混凝土心墻、黏土心墻、鋼筋混凝土面板三種形式，其中以瀝青混凝土心墻防滲居多。為保證工程安全，實時掌握大壩變形及滲流變化的情況，布置安全監(jiān)測設(shè)備是十分必要的。

現(xiàn)以四川省萬源市寨子河水庫工程(2級高壩)大壩安全監(jiān)測設(shè)備的布置方案，分析大壩安全監(jiān)測設(shè)備在中、高土石壩中的應(yīng)用。

2 寨子河水庫大壩安全監(jiān)測布置方案

2.1 攔河大壩結(jié)構(gòu)形式

寨子河水庫瀝青混凝土心墻堆石壩壩頂高程880.00m，壩頂寬10.0m，最大壩高95.20m，壩頂軸線長227.00m。瀝青混凝土心墻位于壩軸線上游2.00m處，高程840.00m～880.00m厚度為0.50m，高程814.00m～840.00m厚度為0.60m，高程788.00m～814.00m厚度為0.70m，高程788.00m以下至心墻底部787.00m為擴大段，心墻與基礎(chǔ)接合部設(shè)置寬8.0m、厚1.0m的C20混凝土基座作為帷幕灌漿和固結(jié)灌漿的蓋板。瀝青混凝土心墻底部從寬0.7m擴大到寬1.4m與混凝土基座連接。上、下游壩殼均采用新鮮灰?guī)r碾壓石渣料填筑，上游壩坡1∶1.70，下游壩坡1∶1.25。下游壩坡設(shè)七級馬道，馬道寬7.0m。大壩橫剖面如圖1所示：

圖1 寨子河大壩橫剖面

2.2 大壩監(jiān)測設(shè)備的布置依據(jù)

由于寨子河大壩高95.20m，屬于2級高壩，為了驗證設(shè)計指標(biāo)的合理性及大壩結(jié)構(gòu)形式的安全性，以大壩應(yīng)力應(yīng)變?nèi)S分析計算結(jié)果為依據(jù)，按照SL551-2012《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求，布置了大壩滲流及變形監(jiān)測設(shè)備。

2.3 大壩滲流監(jiān)測設(shè)備布置方案

寨子河水庫攔河大壩壩殼料采用新鮮灰?guī)r堆石料，滲透系數(shù)為1.0×10-1cm/s，屬強透水材料。防滲體采用瀝青混凝土心墻，滲透系數(shù)為<1.0×10-8cm/s，屬不透水材料。根據(jù)水庫蓄水至校核水位時壩體空隙水壓力計算結(jié)果，心墻上游壩體空隙水壓力隨壩前水深的增加而增大，且基本上與壩前水頭值一致。心墻下游壩體高程807.00m以上空隙水壓力基本為零，高程807.00m以下空隙水壓力介于0～200KPa之間。整個大壩填筑為全斷面填筑施工上升，不存在因分區(qū)填筑合攏施工的薄弱環(huán)節(jié)。大壩心墻基礎(chǔ)做了帷幕灌漿，帷幕灌漿控制深度及防滲指標(biāo)為q≤3Lu，防滲效果好。大壩心墻基礎(chǔ)及壩殼料基礎(chǔ)均為灰?guī)r，且無溶洞等地質(zhì)缺陷，所以大壩滲流監(jiān)測重點在于對大壩下游堆石壩體空隙水壓力的監(jiān)測，選取河床最大壩體橫斷面—壩橫0+143.00作為監(jiān)測斷面即可滿足要求。

在壩橫0+143.00斷面上游側(cè)，距正常蓄水位877.50m以上1.0m(壩縱0-007.30處)布置一個測點；分別在心墻下游側(cè)壩縱0+005.00、壩縱0+035.00、壩縱0+077.00、壩縱0+125.00處各布置一個測點。大壩滲流監(jiān)測詳細(xì)布置見圖2。

圖2 大壩滲流監(jiān)測布置

壩體滲透壓力監(jiān)測均采用管埋Φ110mm鋼管，內(nèi)置VWP振弦式滲壓計監(jiān)測。滲壓計采集的數(shù)據(jù)通過壩體內(nèi)預(yù)埋的電纜實時傳送至樞紐中控室。

大壩滲漏量觀測通過設(shè)置壩后的三角量水堰進(jìn)行。

2.4 大壩變形監(jiān)測設(shè)備布置

2.4.1 大壩變形監(jiān)測重點部位的確定

寨子河水庫大壩變形監(jiān)測包括大壩表面變形監(jiān)測和壩體內(nèi)部變形監(jiān)測。壩體內(nèi)部變形監(jiān)測又包括壩殼料填筑體變形監(jiān)測及瀝青心墻防滲系統(tǒng)變形監(jiān)測，其中心墻防滲體變形監(jiān)測為整個監(jiān)測項目的重中之重。

大壩運用壩體材料靜力計算方法，采用鄧肯—張非線性E-B模型，建立有限元模型模擬了大壩蓄水至校核水位時大壩水平位移和垂直位移變形情況。

根據(jù)大壩變形等值線圖結(jié)果可以看出，大壩心墻基座下游側(cè)垂直應(yīng)變及水平應(yīng)變均不大，且大壩上下游均采用新鮮灰?guī)r堆石料填筑，心墻兩側(cè)過渡料也采用新鮮灰?guī)r加工，灰?guī)r堆石料和過渡料模量數(shù)之比為1.13，且瀝青心墻模量僅為168，適應(yīng)變形性能好，心墻變形與周圍堆石體較為協(xié)調(diào)，未見明顯的應(yīng)力集中和變形突變，所以不會產(chǎn)生拱效應(yīng)導(dǎo)致心墻拉裂。除非因大壩防滲體有質(zhì)量缺陷，壩體出現(xiàn)管涌等水力破壞，導(dǎo)致下游壩體塌陷甚至滑動。

由此可見，大壩表面監(jiān)測重點為心墻下游壩殼料的變形情況。大壩內(nèi)部變形監(jiān)測重點為瀝青混凝土心墻與壩殼料結(jié)合處、瀝青混凝土心墻與混凝土基座結(jié)合處的應(yīng)力及變形情況。

2.4.2 大壩表面監(jiān)測設(shè)備的布置

(1)在大壩最大斷面壩橫0+143.00布置5個監(jiān)測點，其中上游壩面正常蓄水位以上1.0m布置一個測點，下游壩面布置4個測點，重點監(jiān)測下游壩面位移變形。

(2)在大壩最大斷面兩側(cè)壩橫0+163.00及壩橫0+083.00處布置兩條監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面布置5個監(jiān)測點，重點監(jiān)測下游壩面的位移變形。

(3)每條大壩監(jiān)測縱斷面靠近壩肩處設(shè)置工作基點及校核基點，選取任意三個不在同一條直線上的工作基點旁設(shè)置水準(zhǔn)點。工作基點及校核基點基礎(chǔ)須置于穩(wěn)定基巖基礎(chǔ)之上，基點監(jiān)測墩頂部距離地面距離大于1.20m。寨子河大壩表面監(jiān)測設(shè)備布置見圖3。

圖3 寨子河水庫大壩表面監(jiān)測平面布置

2.4.3 大壩堆石體內(nèi)部變形監(jiān)測設(shè)備布置

大壩堆石體水平位移采用振弦式水平位移計監(jiān)測，豎向位移采用水管式沉降儀監(jiān)測。振弦式水平位移計和水管式沉降儀配套成組埋設(shè)。寨子河大壩堆石體內(nèi)部變形監(jiān)測設(shè)備布置如下：

(1)在大壩最大斷面壩橫0+138.00，高程807.00m(15個測點)，高程826.00m(11個測點)，高程845.00m(7個測點)，高程863.00m(4個測點)處成組埋設(shè)振弦式水平位移監(jiān)測計和水管式沉降儀。

(2)在壩橫0+083.00級壩橫0+163.00處分層埋設(shè)水平位移計和水管式沉降儀。埋設(shè)高程及測點數(shù)量與壩橫0+138.00處相同。

寨子河水庫大壩堆石填筑體內(nèi)部變形監(jiān)測設(shè)置布置圖見圖4。

圖4 大壩堆石體內(nèi)部變形監(jiān)測設(shè)備布置

2.4.4 大壩瀝青混凝土心墻變形監(jiān)測

瀝青混凝土心墻監(jiān)測主要包括心墻撓度變形監(jiān)測及心墻與混凝土基座之間的裂縫監(jiān)測。心墻發(fā)生變形產(chǎn)生撓度的同時，心墻與過渡料之間也會產(chǎn)生裂縫，所以心墻撓度變形采用固定測斜儀與錯縫計組合監(jiān)測，心墻與混凝土基座之間的裂縫采用錯縫計進(jìn)行監(jiān)測。

由于大壩心墻上下壩殼料材料均一，變形模數(shù)相近，心墻變形主要來自上游水頭對心墻的水平推力作用，或者由于管涌現(xiàn)象，下游壩體發(fā)生大的不均勻沉降對其產(chǎn)生的拉力而出現(xiàn)撓度和裂縫等問題，所以監(jiān)測撓度的固定測斜儀埋設(shè)于心墻上游側(cè)與過渡料的結(jié)合處，錯縫計埋設(shè)于瀝青混凝土心墻下游側(cè)。

瀝青心墻與混凝土基座結(jié)合處為大壩灌漿帷幕和瀝青混凝土心墻防滲體的銜接部位，根據(jù)圖5、圖6所示，此部位水平及垂直位移都較大，且出現(xiàn)了輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象。所以在大壩心墻與混凝土底座結(jié)合處，由河床水平段(高程787.00m)開始，沿鉛直方向每升高10.00m布置一個位錯計，用以檢測瀝青混凝土心墻和心墻基座之間的裂縫變化情況。

圖5 瀝青混凝土心墻變形監(jiān)測縱剖面

圖6 瀝青混凝土心墻變形監(jiān)測縱剖面

3 大壩監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)采集及整理

大壩壩體滲流監(jiān)測及壩體內(nèi)部堆石體及心墻變形監(jiān)測數(shù)據(jù)均通過埋設(shè)于壩體電纜傳輸至壩后的監(jiān)測房中，再通過監(jiān)測房交換機傳輸至水庫樞紐中控室。工程建設(shè)管理單位宜委托具有相應(yīng)專業(yè)資質(zhì)和能力的科研單位與監(jiān)測設(shè)備供貨單位一起，對采集的數(shù)據(jù)定期進(jìn)行整理分析，定期向業(yè)主提供觀測報告。

4 結(jié)語

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，國家對水利項目的投資持續(xù)增加，涉及到公共安全的水庫大壩，布置合理、經(jīng)濟的安全監(jiān)測設(shè)備，對保證大壩安全至關(guān)重要。作者通過分析10多座中型水庫工程，對瀝青混凝土心墻堆石壩的安全監(jiān)測設(shè)計要從以下四個方面考慮：

(1)對于3級、4級、5級大壩，材料分區(qū)少，且各區(qū)材料變形模數(shù)變化不大，建議只做滲流監(jiān)測及大壩表面變形監(jiān)測。大壩表面變形監(jiān)測采用在壩面設(shè)置混凝土監(jiān)測墩，采用視準(zhǔn)線法進(jìn)行監(jiān)測即可。

(2)對于3級、4級、5級大壩，若壩體材料分區(qū)多，又或不同分區(qū)處填筑材料變形模數(shù)差別較大，則除了布置滲流監(jiān)測設(shè)備和表面監(jiān)測設(shè)備外，還需布置大壩內(nèi)部變形監(jiān)測設(shè)備。若有科研要求，在大壩內(nèi)部變形監(jiān)測設(shè)備位置再增加與變形監(jiān)測設(shè)備相配套的應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備。

(3)對于2級及2級以上的大壩，若壩體材料分區(qū)少，且不同分區(qū)處填筑材料變形模數(shù)差別小，則布置滲流監(jiān)測、大壩表面變形監(jiān)測，內(nèi)部變形監(jiān)測即可滿足要求。若材料分區(qū)多，不同分區(qū)填筑材料模數(shù)差別較大，又或有科研要求，則需在不同材料分區(qū)銜接部位加密布置內(nèi)部變形監(jiān)測設(shè)備和應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備。

(4)對埋設(shè)了大壩內(nèi)部變形及應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備的土石壩，工程建設(shè)管理單位宜委托具有相應(yīng)專業(yè)資質(zhì)和能力的科研單位與監(jiān)測設(shè)備供貨單位一起，對采集的數(shù)據(jù)定期進(jìn)行整理分析，并提交分析報告。

〔1〕SL 725-2016，水利水電工程安全監(jiān)測設(shè)計規(guī)范[S].

〔2〕SL 551-2012，土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

〔3〕何勇軍，劉成棟，向 衍等.大壩安全監(jiān)測與自動化[M].北京：中國水利水電出版社出版發(fā)行，2008.

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TV641.41∶TV698.1

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2095-1809(2017)04-0057-05