杜雪珍，張 猛，朱錦杰

(1.國家能源局 大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 311122； 2.中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

近年來，隨著水電資源的開發(fā)利用，堆石壩在水電工程壩型中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是面板堆石壩。面板和堆石體的協(xié)調(diào)變形直接影響大壩安全與穩(wěn)定，因此堆石體的沉降變形控制是關(guān)鍵。目前堆石體沉降變形的量值范圍在《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中均無明確的量化指標(biāo)，行業(yè)內(nèi)也缺少系統(tǒng)、深入的研究。因此，高壩大庫施工期及運(yùn)行期堆石體沉降變形的量值范圍及變化規(guī)律研究對大壩安全建設(shè)與運(yùn)行管理具有重要意義。

1 沉降原理

混凝土面板堆石壩的堆石體在外荷載和自重作用下，填筑體中大小石料發(fā)生移動、達(dá)到新的平衡，填筑料顆粒間的相互接觸點(diǎn)受壓力作用使顆粒局部破碎，充填到空隙中，導(dǎo)致堆石體積縮?。话l(fā)生降雨時(shí)，上部填筑料中的碎石在水流作用下充填到下部填筑料的空隙中去，也會造成堆石體積減小和沉降。此外，由于填筑料質(zhì)量不好、風(fēng)化較嚴(yán)重，其在壓力作用下發(fā)生破碎，會使堆石體發(fā)生變形。因此，面板堆石壩必然會產(chǎn)生沉降變形。壩體變形較大時(shí)，將導(dǎo)致面板與壩體間變形不協(xié)調(diào)、面板與墊層料間易脫空或面板開裂等現(xiàn)象，危及大壩的安全[1-2]。

根據(jù)大壩運(yùn)行時(shí)段，堆石體沉降可分為施工期沉降和運(yùn)行期沉降。施工期沉降主要由填筑碾壓和堆石的蠕變引起，可為施工期面板澆筑時(shí)間選擇提供依據(jù)；運(yùn)行期沉降則在此基礎(chǔ)上還受水壓和中后期堆石蠕變影響[3]。

2 沉降變形觀測方法及布置

面板堆石壩沉降變形包括表面沉降和壩體內(nèi)部沉降兩種。表面沉降一般采用幾何水準(zhǔn)法或三角高程法觀測，測點(diǎn)一般布置在上游面板、壩頂上、下游側(cè)，以及壩后坡1/3，1/2，2/3壩高處或附近馬道上。壩體內(nèi)部沉降一般采用水管式沉降儀進(jìn)行觀測，測點(diǎn)一般布置在最大壩高斷面的1/3，1/2，2/3壩高處，及最大壩高斷面兩側(cè)典型斷面的1/2和2/3壩高處；此外，在觀測層面壩后坡位置建立觀測房并布置沉降測點(diǎn)，以便換算壩體內(nèi)部沉降的絕對值。

3 沉降變形性態(tài)分析

取水布埡、天生橋一級、天荒坪下庫等23座國內(nèi)已建面板堆石壩的沉降變形監(jiān)測成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[4]，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有的研究成果[5-6]，了解大壩的沉降變形規(guī)律及工作性態(tài)。

3.1 實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.1.1 壩體內(nèi)部沉降

如圖1所示，壩高100 m以上的大壩壩體施工期沉降量為163～2 953 mm，平均為1 096.3 mm；大壩壩體總沉降量(觀測12 a以上)為286～3 663 mm，平均1 458.5 mm。壩高100 m以下的大壩壩體施工期沉降量為264～1 162 mm，平均624.6 mm；大壩壩體總沉降量(觀測15 a以上)為389～1 492 mm，平均900.8 mm。由此可知，壩體施工期沉降量和總沉降量與壩高有密切的關(guān)系。

圖1 壩體內(nèi)部沉降量Fig.1 Internal settlement of dam body

施工期壩體內(nèi)部沉降量與總沉降量的比值為42.8%～97.4%，其中比值大于60%的約占總統(tǒng)計(jì)數(shù)量的78%，可見壩體內(nèi)部沉降主要發(fā)生在施工期；施工期沉降變形較大，而運(yùn)行期沉降較小。

施工期壩體內(nèi)部沉降量與壩高的比值為0.1%～1.7%，平均為0.7%，且大部分在1%以內(nèi)，見圖2。結(jié)果表明：百米級面板堆石壩施工期最大沉降量一般在壩高的1%以下；如超過1%，則屬偏大；超過2%，則屬過大。

圖2 施工期壩體內(nèi)部沉降量與壩高的比值關(guān)系Fig.2 Ratio relationship between internal settlement of dam body and dam height during construction

3.1.2 壩頂表面沉降

因壩體填筑到頂后修建的臨時(shí)位移測點(diǎn)資料不全，故大多數(shù)工程采集到的運(yùn)行期壩頂沉降量為壩頂永久變形觀測墩測值。如圖3所示，壩高100 m以上的大壩運(yùn)行期(觀測11 a以上)壩頂沉降量為40～644 mm，平均為278.5 mm；壩高100 m以下的大壩運(yùn)行期(觀測14 a以上)壩頂沉降量在40～321 mm 間，平均177.2 mm。由此可知，壩頂運(yùn)行期沉降與壩高及運(yùn)行時(shí)間有密切的關(guān)系。

圖3 壩頂運(yùn)行期沉降量與壩高關(guān)系Fig.3 Relationship between dam crest settlement and dam height during operation

壩頂運(yùn)行期沉降量與壩高的比值在0.03%～0.35%間，平均為0.19%，大部分在0.3%以內(nèi)，見圖4。

圖4 壩頂運(yùn)行期沉降量與壩高的比值關(guān)系Fig.4 Ratio relationship between dam crest settlement and dam height during operation

3.2 分布規(guī)律

3.2.1 時(shí)間分布規(guī)律

施工期壩體內(nèi)部沉降主要受壩體高度、填筑料抗壓強(qiáng)度、碾壓設(shè)備等影響。大壩壩體在填筑碾壓過程中沉降最快，且壩體填筑越高、沉降量越大；沉降量隨時(shí)間延長而增加，但蠕變分量一般小于填筑分量；因此，填筑高度是影響壩體沉降的首要因素，但蠕變的影響也不可忽略。典型工程(天生橋一級水電站)壩體內(nèi)部沉降、壩體填筑高程、庫水位相關(guān)曲線見圖5。

圖5 典型工程壩體內(nèi)部沉降與壩體填筑高程、庫水位相關(guān)曲線Fig.5 Correlation curves between internal settlement of dam body of typical projects，elevation of dam filling and water level of reservoir

運(yùn)行期影響壩體變形的主要因素為水壓和堆石體的中后期蠕變，溫度變化對堆石體的影響較小。水庫蓄水后，庫水位對壩體沉降有一定的影響，但水庫蓄水的影響較弱。在水壓和蠕變過程中，水壓影響相對穩(wěn)定，蠕變量隨時(shí)間增長而增加，并根據(jù)位置和水庫蓄水過程不同而變化。隨著運(yùn)行年數(shù)的增長，沉降速率逐年減少，最終趨于穩(wěn)定。典型工程壩頂永久觀測墩測點(diǎn)沉降過程線[7]見圖6。

圖6 典型工程壩頂表面沉降測點(diǎn)過程線Fig.6 Process line of measuring points for dam crest surface settlement of typical projects

3.2.2 空間分布規(guī)律

壩體內(nèi)部沉降受壩體填筑影響，每個(gè)觀測層面的起測日不一致，一般中、下部大于上部，最大一般位于1/2～1/3壩高處。由于填筑密實(shí)度差異，一般情況下，上游區(qū)的密實(shí)度大于下游區(qū)，若采用統(tǒng)一基準(zhǔn)日，則分布規(guī)律大致表現(xiàn)為：在同一橫斷面，大壩最大沉降量位于1/3～2/3壩高范圍內(nèi)，且上游側(cè)大于下游側(cè)；典型工程壩體內(nèi)部沉降分布[8]見圖7。

圖7 典型工程壩體內(nèi)部沉降分布Fig.7 Internal settlement distribution of typical dam body

大壩表面沉降分布規(guī)律一般為：河床中部大于兩岸；受兩岸地形條件影響，左右岸沉降大小差異較明顯。典型工程(天荒坪下庫大壩)[9]沉降分布見圖8。

注：以1998年5月16日為基準(zhǔn)值；括號外為沉降歷史最大值；括號內(nèi)為2012年12月24日沉降測值。圖8 典型工程表面沉降分布(單位：mm)Fig.8 Typical engineering surface settlement distribution

3.3 影響因素分析

堆石體沉降量主要與壩高、堆石材料、施工和地形等有關(guān)，其中壩高和堆石材料為主要影響因素。

3.3.1 壩高

堆石體沉降量與壩高呈正比，壩體越高，壩體堆石厚度越大，沉降變形也越大。但壩高并不是影響沉降大小的唯一因素，如：壩高178 m的天生橋一級大壩施工期沉降量為2 953 mm，明顯大于壩高179.5 m的洪家渡大壩(沉降量814 mm)；壩高92 m的天荒坪下庫大壩施工期沉降量為1 059 mm，明顯大于壩高93.8 m的萬安溪大壩(沉降量639 mm)等。因此，沉降量大小還受其他因素影響。

3.3.2 堆石材料

面板堆石壩由面板、墊層和堆石體組成，堆石體所占的比重最大，且百米級面板堆石壩對筑壩材料要求相對較低，除硬質(zhì)巖外，強(qiáng)、弱風(fēng)化巖等抗壓強(qiáng)度較低的軟質(zhì)巖也可做壩料，故壩體的變形與堆石體的材料特性密切相關(guān)，主要在巖石的抗壓強(qiáng)度、風(fēng)化程度等方面[9-10]。

(1) 巖石的抗壓強(qiáng)度。巖石根據(jù)其抗壓強(qiáng)度分為堅(jiān)硬巖(抗壓強(qiáng)度60 MPa以上)、中硬巖(抗壓強(qiáng)度30～60 MPa)和軟巖(抗壓強(qiáng)度30 MPa以下)。以砂礫石、石英巖等堅(jiān)硬巖為主要堆石填料的堆石壩，變形相對較小，如壩高162 m的灘坑大壩，其壩體中部為砂礫石料，抗壓強(qiáng)度為110 MPa，施工期最大沉降量與壩高的比值為0.4%。以玄武巖、花崗巖、安山巖、流紋巖、凝灰?guī)r、砂巖等中硬巖為主要堆石填料的堆石壩，變形稍大，如壩高80.8 m的松山大壩，其堆石體巖性為安山巖和條狀玄武巖，抗壓強(qiáng)度大于40 MPa，施工期最大沉降量與壩高的比值為0.6%。以石灰?guī)r、板巖、泥質(zhì)頁巖等軟質(zhì)巖為主要堆石填料的堆石壩，變形較大，如壩高150 m的董箐大壩，其堆石體巖性為砂泥巖料，部分填筑料抗壓強(qiáng)度小于30 MPa，施工期最大沉降量與壩高的比值為1.2%。因此，抗壓強(qiáng)度高的堅(jiān)硬巖碾壓變形量、變形與壩高比值較小，中硬巖稍大，軟巖較大。

此外，填筑料巖性相同、抗壓強(qiáng)度相近的大壩，其沉降量與壩高的比值也相差較大，如芹山、桐柏下庫、三板溪、天荒坪下庫大壩，主堆石區(qū)筑壩材料均為凝灰?guī)r，相應(yīng)變形量與壩高的比值見圖9。天荒坪下庫壩的沉降量與壩高的比值明顯大于其余3座壩，可見除壩高和巖石的抗壓強(qiáng)度外，沉降變形還受其他因素影響。

圖9 國內(nèi)部分已建面板壩變形量與壩高比值比較Fig.9 Comparison of deformation and dam height ratio of some built concrete face dams in China

(2) 巖石的風(fēng)化程度。壩體填筑料的風(fēng)化程度越深，其抗壓強(qiáng)度越低、越易破碎，風(fēng)化巖在自重和降雨等作用下，巖石碎塊充填到下部堆石體空隙中，使堆石體積縮小。堆石體風(fēng)化程度越高，堆石體體積縮小越明顯，變形量越大。

3.3.3 施 工

堆石體變形的大小與堆石填筑施工有關(guān)，主要包括填筑層鋪料厚度、堆石填筑順序、施工質(zhì)量、碾壓加水情況、碾壓機(jī)具和遍數(shù)等[9-10]。

(1) 填筑層鋪料厚度。大多數(shù)面板堆石壩主堆石區(qū)的鋪層厚度為60～80 cm，次堆石區(qū)鋪層厚度為80～120 cm。如果堆石鋪層太厚，則不易碾壓密實(shí)，堆石體變形就較大。如天荒坪下庫大壩主堆石區(qū)鋪層厚度為80 cm，次堆石區(qū)鋪層厚度為160 cm，略偏大，故其變形較類似的工程大。

(2) 堆石填筑順序。主次堆石填筑一般采用全斷面上升法，但因?qū)嶋H施工時(shí)，很多工程為搶工期，填筑不規(guī)范，導(dǎo)致上、下游堆石體不能均衡上升，次堆石區(qū)與主堆石區(qū)高差太大，最終導(dǎo)致壩體變形不均，特別是主、次堆石結(jié)合部位，對壩體填筑整體性造成一定的影響，后期變形也較大。

(3) 施工質(zhì)量。堆石變形大小與施工質(zhì)量關(guān)系密切，若填筑過程中，出現(xiàn)粗、細(xì)料過于集中、超層厚、對新老填筑接觸帶形成的高差和接觸面處理不到位、漏碾壓等現(xiàn)象，則會造成堆石碾壓效果不佳，進(jìn)而導(dǎo)致變形量過大。

(4) 碾壓加水情況。在堆石填筑碾壓過程中，加水是為了濕化、軟化材料，減低堆石料的抗壓強(qiáng)度；適當(dāng)灑水能潤滑和軟化堆石料，在壓力作用下破碎的填筑料更易充填到下部堆石體空隙中碾壓密實(shí)，特別是對軟巖。

(5) 碾壓機(jī)具和遍數(shù)。堆石區(qū)選用的碾壓機(jī)具及碾壓遍數(shù)合理，堆石體越易碾壓密實(shí)，后期變形越小、穩(wěn)定時(shí)間越短。

3.3.4 地 形

堆石體變形與地形條件關(guān)系密切。河谷有寬河谷和窄河谷之分，其中，寬高比大于3.1或谷形系數(shù)大于2.6的河谷屬于寬河谷；其余河谷屬于窄河谷。對于堆石壩而言，壩頂沉降量與沉降率受河谷形態(tài)影響，兩岸岸壁對堆石壩體存在拱效應(yīng)，而削弱拱效應(yīng)的影響需要經(jīng)歷更長的時(shí)間，故拱效應(yīng)的作用主要是延長沉降過程，而不會減小沉降量。

4 結(jié) 論

通過對面板堆石壩沉降變形的統(tǒng)計(jì)及分析，可以得出以下結(jié)論。

(1) 堆石體沉降量大小與壩高、填筑體的抗壓強(qiáng)度、施工工藝、施工質(zhì)量密切相關(guān)。壩體高、筑壩材料抗壓強(qiáng)度低、施工質(zhì)量差的面板堆石壩沉降量較大。

(2) 應(yīng)重視施工期沉降變形監(jiān)測，分析判斷大壩變形是否在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)、評價(jià)施工質(zhì)量，為選定面板施工最佳時(shí)期提供依據(jù)。

(3) 重視運(yùn)行期變形監(jiān)測特別是壩頂沉降變形監(jiān)測，并根據(jù)變形速率評價(jià)大壩運(yùn)行性態(tài)，為由沉降變形引起的面板、防浪墻破損修復(fù)的時(shí)間選擇提供依據(jù)。