菲古壩頂溢流面板堆石壩運(yùn)行期變形特性分析

趙澤錦，周 斌，龍 建，習(xí)利華,湛 杰

(1.文山州白牛廠水務(wù)開發(fā)有限公司，云南 文山 663099；2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

面板堆石壩在當(dāng)今水壩中的比重日益增大，特別在高壩領(lǐng)域數(shù)量較多，具有施工快、造價低的優(yōu)點(diǎn)[1-3]。而溢流面板堆石壩更因其顯著的獨(dú)特性而逐漸受到工程界的重視，溢流面板壩避免了在地形復(fù)雜區(qū)域修建溢洪道，節(jié)省了投資，同時避免了開挖棄渣，減小了對自然環(huán)境的影響[4]。但壩頂溢流同樣具有極高的風(fēng)險，正確認(rèn)識該類型壩體的變形特性將有助于類似工程的設(shè)計(jì)與施工，具有重大的工程價值。

混凝土面板壩其安全性深受壩工界青睞，較少出現(xiàn)壩身整體失穩(wěn)現(xiàn)象[5-6]，變形破壞問題主要集中在混凝土面板和趾板上[7-9]，但壩頂溢流面板壩一般壩高較矮，面板變形問題并不突出，其壩頂溢洪道的安全可靠性是更為關(guān)注的主要問題。與建造在岸坡的溢洪道相比，壩頂溢流最不利的影響因素是堆石體作為基礎(chǔ)具有沉降變形的顯著特點(diǎn)[10]。合理控制堆石體變形是壩頂溢流方案成立的關(guān)鍵問題，主要采取的措施主要是提高溢洪道壩段的壩體變形模量，選用合適的筑壩材料、提高填筑標(biāo)準(zhǔn)等手段[11-12]。目前國內(nèi)對于壩頂溢流面板壩的運(yùn)行期變形特性缺少實(shí)測數(shù)據(jù)的研究與總結(jié)，特別是壩頂溢洪道的沉降與變形[13-14]，泄洪時高速水流作用在溢洪道泄槽邊墻與底板上，若溢洪道各泄槽段發(fā)生較大的不均勻沉降，一旦發(fā)生破壞后果極其嚴(yán)重[15]。因此，在設(shè)計(jì)與施工時應(yīng)高度控制壩體與溢洪道的沉降與變形。

本文以監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，采用時空序列類比、相關(guān)性分析等手段，對云南省白牛廠菲古水庫壩頂溢流面板壩的壩體和溢洪道變形特性進(jìn)行分析研究，著重分析影響變形的控制因素，最后對大壩和溢洪道的安全性態(tài)進(jìn)行綜合評價。

1 工程概況

菲古水庫最大壩高51.5 m，壩頂寬度6 m，壩頂總長230 m。壩頂溢洪道最大下泄流量94.7 m3/s，凈寬8 m，堰頂高程1 696 m。

溢洪道控制段及泄槽的1 668 m高程以上部分建在壩身之上，泄槽1 668 m高程以下大部分建在基巖上。溢洪道泄槽壩段填筑料采用主堆石料參雜部分埋石混凝土，泄槽底板下分別鋪墊厚1.0 m的墊層區(qū)和1.5 m的過渡區(qū)。泄槽為矩形斷面，底坡為1.0∶1.5，導(dǎo)水邊墻厚1.0 m，水平全長63.3 m，為混凝土矩形槽結(jié)構(gòu)；泄槽底板采用厚度1.0 m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 監(jiān)測設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

監(jiān)測系統(tǒng)布置主要遵行了以下原則[16]。

a)目的明確，針對性強(qiáng)。布設(shè)變形監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的是掌握壩體和壩頂溢洪道的相對位移，了解整體變形的時空分布規(guī)律，監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置和測點(diǎn)布置應(yīng)圍繞監(jiān)測大壩變形安全為主。

b)系統(tǒng)布置，重點(diǎn)突出。監(jiān)測項(xiàng)目應(yīng)空間布局合理，同時重點(diǎn)監(jiān)測關(guān)鍵部位，對關(guān)鍵部位應(yīng)集中優(yōu)勢，重點(diǎn)反應(yīng)，做到既能全面反映工程的運(yùn)行狀態(tài)，又能突出重點(diǎn)，做到少而精。

c)方法簡潔，易于巡查。觀測項(xiàng)目安裝應(yīng)盡量簡單可靠，易于保證質(zhì)量，減少對主體工程施工影響，同時應(yīng)做到監(jiān)測儀器布置與巡視檢查相結(jié)合。保證在惡劣條件下，仍能進(jìn)行必要項(xiàng)目的監(jiān)測。

2.2 主要監(jiān)測項(xiàng)目及布置

為考察大壩的變形情況，在壩頂布置了8個變形觀測水準(zhǔn)墩；為了測量溢洪道邊墻橫向錯動，布置了6個測縫計(jì)，并在溢洪道底板布置2個位錯計(jì)。溢洪道壩段位錯計(jì)和測縫計(jì)布置見圖1，各檢測儀器布置參數(shù)見表1。

菲古水庫混凝土面板堆石壩于2019年12月完成大壩填筑，本次研究范圍為大壩蓄水后運(yùn)行期變形特性分析，因此相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)自2020年10月下旬始。

圖1 壩頂溢洪道位錯計(jì)和測縫計(jì)布置示意(cm)

表1 測量儀器布置參數(shù)

3 成果分析

3.1 壩體

大壩壩頂?shù)捻樅酉蛩阶冃魏拓Q直變形見圖2、3，監(jiān)測成果均為大壩填筑完畢蓄水后運(yùn)行期變形值。順河向水平變形以指向下游為正，垂直變形以豎直向下為正。

由圖2可以看出，蓄水后分析時段內(nèi)沉降最大值約為14.2 mm，最大沉降測點(diǎn)TP5位于大壩填筑高度最高壩段附近；夏季測得壩頂沉降最小值約為3.4 mm，最小沉降測點(diǎn)TP3位于壩頂溢洪道堰頂，由于壩頂溢厚道下方壩體填筑料為主堆石料與水泥混合埋石混凝土，因此變形量較小。

由圖3可以看出，順河向水平變形最大值約21.2 mm，最大變形測點(diǎn)TP6位于河床中心附近。水平變形值略大于沉降值，大壩中部河床段沉降量大于岸坡壩段，為不規(guī)則“U”形分布，基本呈現(xiàn)中間大兩頭小的規(guī)律，溢洪道附近壩段略小于河床壩段位移。

圖2 壩頂沉降測值分布

圖3 壩頂順河向水平變形測值分布

其中測點(diǎn)TP3位于壩頂溢洪道，測點(diǎn)TP6位于大壩最高斷面壩頂處，關(guān)鍵測點(diǎn)TP3和TP6監(jiān)測數(shù)據(jù)與環(huán)境變量的監(jiān)測成果見圖4。由圖中可以看出，隨著庫水位的上升，順河向位移和沉降均逐漸增大，隨著庫水位的回落，變形也逐漸縮小。大壩變形與庫水位呈正相關(guān)，而氣溫、水溫均和大壩變形相關(guān)性不大。

a)順河向水平位移與庫水位測值

b)順河向水平位移與氣溫、水溫測值

c)垂直位移與庫水位測值

d)垂直位移與氣溫、水溫測值

為了找出影響壩體變形的關(guān)鍵因素，將測點(diǎn)TP3(溢洪道壩段)和測點(diǎn)TP6(最高壩段)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與上游庫水位、氣溫(測點(diǎn)高程1 687 m)和上游水溫(測點(diǎn)高程1 673 m)進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見圖5。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，對于測點(diǎn)TP6：氣溫對壩頂水平變形和沉降量的影響最大，與水平變形相關(guān)系數(shù)R1為0.72，與沉降量相關(guān)系數(shù)R2為0.83；其次為庫水位，與水平變形相關(guān)系數(shù)R1為0.72，與沉降量相關(guān)系數(shù)R2為0.62；水溫相關(guān)性最低，與水平變形相關(guān)系數(shù)R1為0.42，與沉降量相關(guān)系數(shù)R2為0.61。說明大壩變形與水溫關(guān)系不大，但受到庫水位和氣溫的影響。

對于測點(diǎn)TP3，庫水位對壩頂水平變形和沉降量的影響最大，與水平變形相關(guān)系數(shù)R1為0.69，與沉降量相關(guān)系數(shù)R2為0.64；其次為氣溫，與水平變形相關(guān)系數(shù)R1為0.62，與沉降量相關(guān)系數(shù)R2為0.73；水溫相關(guān)性最低，與水平變形相關(guān)系數(shù)R1為0.30，與沉降量相關(guān)系數(shù)R2為0.61，說明溢洪道壩段變形與水溫關(guān)系不大，但收到庫水位影響和氣溫影響。

比較測點(diǎn)TP6和TP3可知，測點(diǎn)TP6的壩頂水平變形與沉降量對外界環(huán)境因素更為敏感，容易受到環(huán)境變量的影響。而測點(diǎn)TP3壩段壩高較矮，壩高僅24 m，填筑材料為主堆石料參雜埋石混凝土，自身變形小，受環(huán)境變量的影響較少。

a)順河向水平位移與庫水位

b)順河向水平位移與氣溫

c)順河向水平位移與水溫

d)垂直位移與庫水位

e)垂直位移與氣溫

f)垂直位移與水溫

3.2 溢洪道

壩頂溢洪道底板各泄槽段錯動情況和泄槽邊墻錯動情況見圖6。從圖中可以看出，泄槽底板和邊墻最大錯動量不超過0.2 mm。位錯量與測點(diǎn)溫度呈明顯的相關(guān)性，測點(diǎn)溫度高則錯動量大，溫度低側(cè)錯動量小。為了評估溫度對溢洪道相鄰泄槽段錯動變形的影響程度，將測點(diǎn)IF1(1號泄槽與2號泄槽底板連接處)、測點(diǎn)IF2(2號泄槽與3號泄槽底板連接處)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及測點(diǎn)JY4(1號泄槽與2號泄槽邊墻連接處)、測點(diǎn)JY5(2號泄槽與3號泄槽邊墻連接處)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與各自測點(diǎn)溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見圖7。

a)泄槽底板位錯值與測點(diǎn)溫度

b)泄槽邊墻位錯值與測點(diǎn)溫度

a)泄槽底板位錯值與測點(diǎn)溫度

b)泄槽邊墻位錯值與測點(diǎn)溫度

由圖7可以看出，相鄰泄槽底板和邊墻的錯動量與溫度呈高度相關(guān)性，其中泄槽底板與溫度相關(guān)系數(shù)R1為0.80，泄槽邊墻與溫度R2為0.92。且錯動量均小于0.3 mm，錯動量可隨溫度的變化增大或減小，說明相鄰泄槽的錯動量基本上是混凝土結(jié)構(gòu)熱脹冷縮引起的，并非由于壩體的沉降等其他原因。為評估本工程泄槽的安全風(fēng)險，按照式(1)可估算溫度變形ST[17]：

ST=Hε=HαΔT

(1)

式中H——混凝土結(jié)構(gòu)長度；ε——溫度應(yīng)變；α——線膨脹系數(shù)；ΔT——溫度變化量。

混凝土線膨脹系數(shù)取5×10-6/℃，溫度變化為20℃，泄槽寬8 m可計(jì)算出溫度變形為0.8 mm，即相鄰泄槽錯動量理論最大值可為1.6 mm，實(shí)測值僅為0.3 mm，說明泄槽雖然受到溫度影響，但相鄰泄槽變形協(xié)調(diào)，錯動量較小，泄槽處于較安全狀態(tài)。監(jiān)測表明，菲古壩溢洪道壩段采用主堆石料混雜少量埋石混凝土的做法，不僅減少了大壩運(yùn)行期溢洪道沉降，使得沉降量與周邊相鄰壩體基本保持一致，而且溢洪道變形協(xié)調(diào)，各泄槽段未出現(xiàn)顯著不均勻沉降，說明該法是行之有效的。

4 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、時空分布分析等手段相結(jié)合的方法，對菲古水庫壩頂溢流面板壩運(yùn)行期的壩體和壩頂溢洪道泄槽變形特性進(jìn)行了深入分析，主要結(jié)論如下。

a)大壩壩頂水平變形和沉降量均小于安全警戒值，水平變形值略大于沉降值，大壩中部河床段沉降量大于岸坡壩段，為不規(guī)則“U”形分布，基本呈現(xiàn)中間大兩頭小的規(guī)律，溢洪道附近壩段略小于河床壩段位移。

b)大壩和溢洪道變形與水溫關(guān)系不大，但受庫水位和氣溫的影響。相比采用主堆石料參雜埋石混凝土的溢洪道壩段，采用主堆石料的最大壩高壩段變形對外界環(huán)境因素更為敏感，更容易受到環(huán)境變量的影響。

c)溢洪道泄槽邊墻與底板錯動量對溫度十分敏感，錯動量基本上是混凝土結(jié)構(gòu)熱脹冷縮引起的，并非由于壩體的沉降等其他原因。相鄰泄槽變形協(xié)調(diào)，錯動量小，處于較安全狀態(tài)。

d)采用主堆石料混雜少量埋石混凝土的做法，可以減少大壩運(yùn)行期壩頂溢洪道的沉降，并使溢洪道內(nèi)部變形保持協(xié)調(diào)，減少不均勻沉降。