李萬海,李建軍,耿瑜平
(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州,450003)
土石壩是目前世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展最快的一種壩型[1]。其中土質(zhì)防滲體分區(qū)壩是高、中壩最常用的壩型。土石壩防滲料在上壩碾壓時(shí)飽和度一般達(dá)到90%以上,壩體填筑過程中,心墻孔隙水壓力的消散能力不足,壩體內(nèi)部高孔隙水壓力的存在導(dǎo)致心墻中有效應(yīng)力降低,影響壩體的穩(wěn)定和強(qiáng)度[2-5]。對(duì)于高土石壩,初蓄期控制庫水位抬升速率對(duì)壩體變形有非常重要的影響。
某水電工程為大(2)型,攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩,礫石土心墻頂寬4 m,坡比1∶0.25,上游側(cè)反濾層寬度4 m,坡比1∶0.25,下游側(cè)反濾層寬度6 m,坡比1∶0.25,上下游側(cè)過渡料坡比1∶0.4,上游側(cè)堆石區(qū)坡比1∶2.0,下游側(cè)堆石區(qū)坡比1∶1.8。大壩壩頂高程2 138.00 m,壩頂寬12.0 m,心墻底高程1 991.00 m,最大壩高147.00 m。大壩壩基防滲分兩部分:河床段采用混凝土防滲墻,墻體下部接帷幕灌漿;左右兩岸采用雙排帷幕灌漿。電站設(shè)計(jì)裝機(jī)容量420 MW。電站正常蓄水位2 133.00 m,總庫容5.87億m3,正常蓄水位以下相應(yīng)庫容5.35億m3,調(diào)節(jié)庫容4.44億m3。壩址控制流域面積5 317.00 km2,多年平均流量104.00 m3/s。
心墻料源主要由風(fēng)成黃色黏土和冰漬灰黃~灰色塊碎石土組成,粗粒成分以砂巖、砂質(zhì)千枚巖和絹云母千枚巖為主,角礫狀。心墻采用黃色黏土和塊碎石土混合料方案,混合比例為3∶7~7∶3。
為監(jiān)測(cè)壩體變形,在大壩2 031.00 m、2 048.00 m、2 078.00 m、2 108.00 m高程等馬道及壩頂上共布置61 座變形觀測(cè)墩,分8 個(gè)縱剖面,其編號(hào)為TP(1~61)DB,見圖1~2。
圖1 監(jiān)測(cè)平面布置Fig.1 Monitoring plane layout
在大壩2 048.00 m、2 078.00 m和2 108.00 m 高程(0+123、0+244 和0+320)各布置3 套引張線式水平位移計(jì)和水管式沉降儀,測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在心墻下游側(cè)1 m處、過渡料區(qū)及堆石區(qū)。
在大壩2 048.00 m、2 078.00 m和2 108.00 m高程(0+123、0+244 和0+320)心墻上下游、過渡料區(qū)和反濾料區(qū)各布置一條滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)斷面。
大壩于2011年3月底填筑到2 115.00 m 高程,開始下閘蓄水,相應(yīng)庫水位2 032.80 m;2011年6月28日填筑到最大壩高2 136.00 m,相應(yīng)庫水位2 053.46 m;2011年11月16日達(dá)到最高水位2 104.49 m;2012年4月14日水位回落到2 068.68 m。2012年4月14日壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。
圖2 監(jiān)測(cè)剖面布置Fig.2 Monitoring profiles
表1 壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果(2012年4月14日)Table 1 Dam deformation monitoring results on April 14th,2012
2012年4月15日庫水位開始再次逐漸抬升。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,初蓄期庫水位抬升速率不大于0.5 m/d,但蓄水過程中受客觀條件限制,2012年5月1日—2012年5月15日有13 d庫水位抬升速率大于1.0 m/d,其中有6d速率大于1.5m/d,最大為5月13日(1.88m/d)。5月24日—5月26日連續(xù)3 d抬升速率大于2.0 m/d,其中5月26日為3.91 m/d,庫水位抬升至2 102.22 m。6月30日—7月5日連續(xù)6 d 抬升速率大于2.0 m/d,其中7月1日為4.39 m/d,庫水位抬升至2 121.17 m。7月8日—10月18日,庫水位緩慢抬升到最高水位2 133.21 m,平均抬升速率0.08 m/d。壩體心墻2 108.00 m 高程變形曲線見圖3,2012年6月30日、7月30日和10月18日壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2~4。
表2 壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果(2012年6月30日)Table 2 Dam deformation monitoring results on June 30th,2012
表3 壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果(2012年7月30日)Table 3 Dam deformation monitoring results on July 30th,2012
圖3 壩體心墻2 108.00 m高程變形曲線Fig.3 Deformation curves of dam core at elevation 2 108.00 m
壩體監(jiān)測(cè)結(jié)果反映,初蓄過程中,受庫水位快速抬升影響,7月3日開始,壩體變形測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯增加趨勢(shì),壩體呈現(xiàn)整體沉降和水平變形。
隨著庫水位的抬升,尤其是6月30日—7月5日連續(xù)6 d抬升速率大于2.0 m/d,大壩監(jiān)測(cè)顯示壩體從7月1日開始出現(xiàn)變形速率明顯增加趨勢(shì)。2 108.00 m 高程心墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)H19(0+244 引張線測(cè)點(diǎn))和V19(0+244 沉降儀測(cè)點(diǎn))監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示6月30日—7月30日心墻平均水平位移速率為11.26 mm/d,最大為7月12日19.5 mm/d,平均沉降速率為6.52 mm/d,最大為7月15日22.67 mm/d。2 108.00 m 高程馬道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示6月30日—7月30日TP42(0+244 測(cè)點(diǎn))平均水平位移速率12.34 mm/d,最大為7月13日18.16 mm/d,平均沉降速率14.10 mm/d,最大為7月14日28.56 mm/d。7月11日下午,2 108.00 m 高程部分觀測(cè)房內(nèi)(0+244、0+320)水管沉降儀和引張線保護(hù)管開始出現(xiàn)滲流水(清水,無夾泥、夾砂),10月8日滲流量達(dá)到最大值0.431 L/s;7月14日上午2 078.00 m 高程部分觀測(cè)房內(nèi)(0+244)水管沉降儀保護(hù)管開始出現(xiàn)滲流水(清水,無夾泥、夾砂),10月8日滲流量達(dá)到最大值0.062 L/s。兩處保護(hù)管滲流水在12月9~10日斷流。壩體2 108 m高程馬道水平位移和沉降變形監(jiān)測(cè)曲線見圖4~5,觀測(cè)房保護(hù)管滲流量曲線見圖6。
圖4 壩體2 108.00 m高程馬道水平位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.4 Horizontal displacement curves of the berm at elevation 2 108.00 m
圖5 壩體2 108.00 m高程馬道沉降變形監(jiān)測(cè)曲線Fig.5 Settlement deformation curves of the berm at elevation 2 108.00 m
圖6 觀測(cè)房保護(hù)管滲流量曲線Fig.6 Seepage flow curves of protective pipes in observation room
從圖4可知,壩體中部變形量大于兩側(cè),壩體左側(cè)變形量大于右側(cè)。右岸岸坡上下游幾乎呈凹型對(duì)稱分布,壩體右側(cè)上游迎水面積遠(yuǎn)小于左側(cè)上游迎水面積,右側(cè)下游岸坡山體對(duì)壩體的支撐作用明顯,壩體變形曲線特征與大壩結(jié)構(gòu)特征比較吻合。壩體心墻下游滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)曲線見圖7,壩體浸潤線監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖8。
圖7 壩體心墻下游滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)曲線Fig.7 Monitoring curves by osmometers downstream of dam core
圖8 壩體浸潤線監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.8 Monitoring results of dam phreatic line
從圖7可知,隨著庫水位從2012年6月30日的2 105.45 m高程快速抬升,7月3日(庫水位2 115.54 m)2 108.00 m 高程0+320 斷面P94 滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)水壓開始出現(xiàn)明顯增大趨勢(shì),7月12日達(dá)到最大值113.6 kPa,之后逐漸減小,2013年1月30日監(jiān)測(cè)值為0.2 kPa(P94 安裝高程2 110.10 m,庫水位2 108.27 m)。7月9日(庫水位2 124.89 m)2 108.00 m 高程0+244斷面P73滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)水壓開始出現(xiàn)明顯增大趨勢(shì),7月15日達(dá)到115.3 kPa(庫水位2 124.58 m),10月13日達(dá)到最大值122.3 kPa(庫水位2 132.38 m),2013年1月30日監(jiān)測(cè)值7.0 kPa(P73 安裝高程2 109.6 m,庫水位2 108.27 m)。從P73和P94兩支滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)曲線可知,監(jiān)測(cè)結(jié)果與庫水位變化相關(guān)。
7月3日(庫水位2 115.54 m)2 108.00 m 高程0+123 斷面P47 滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)水壓開始增大,7月14日監(jiān)測(cè)值減小到1 kPa以下,最大值為29.5 kPa。
心墻2 078.00 m高程埋設(shè)的3支滲壓計(jì)中,P69(0+244)和P90(0+320)監(jiān)測(cè)值較小,P43(0+123)監(jiān)測(cè)最大值為25.7 kPa,監(jiān)測(cè)曲線形態(tài)與庫水位變化沒有關(guān)聯(lián)性。
心墻2 048.00 m高程埋設(shè)的3支滲壓計(jì)在大壩填筑過程中監(jiān)測(cè)的孔隙水壓力隨大壩填筑高程增加而增大,大壩填筑完成后水壓力逐漸消散減小。2012年6月30日庫水位快速抬升過程中,3支滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)值均明顯增大,后期逐漸消散減小。前期孔隙水壓力逐漸消散減小速率與后期消散減小速率較一致,且壩體中部2 048.00 m 高程心墻在庫水位快速抬升期間變形明顯增大,綜合分析可知孔隙水壓力明顯增大的原因?yàn)閴误w變形,與庫水位快速抬升關(guān)聯(lián)性不大。
綜上可知,壩體2 108.00 m 高程以上心墻在庫水位快速抬升過程中由于變形過大出現(xiàn)了滲漏。
為了查明壩體心墻滲漏情況,在壩頂心墻部位沿壩軸線布置了10個(gè)鉆孔(見圖9),孔深46 m,并進(jìn)行了物探工作,結(jié)果顯示壩體心墻2 114.00 m 高程以上普遍存在滲漏。
圖9 壩體心墻探測(cè)剖面Fig.9 Probe holes profile in dam core
根據(jù)心墻水平變形監(jiān)測(cè)結(jié)果(見表4、圖10~11),隨著2012年6月底庫水位開始快速抬升,壩體心墻出現(xiàn)加速水平變形,7月10~12日水平變形速率達(dá)到最大,壩體2 108.00 m 高程測(cè)點(diǎn)H33(0+123)最大值為10.6 mm/d,H19(0+244)最大值為19.5 mm/d,H41(0+320)最大值為16.6 mm/d,之后隨著庫水位抬升速率變緩,壩體變形速率逐漸減小。
表4 壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果(2012年10月18日)Table 4 Dam deformation monitoring results on October 18th,2012
表4 心墻2 108.00 m高程水平變形監(jiān)測(cè)結(jié)果(2012年)Table 4 Horizontal deformation monitoring results of dam core at elevation 2 108.00 m in 2012
圖10 心墻2 108.00 m高程水平變形曲線Fig.10 Horizontal deformation curves of dam core at elevation 2 108.00 m
圖11 中部心墻水平變形曲線Fig.11 Horizontal deformation curves of central section of dam core
2013年1~6月,隨著庫水位的回落,壩體心墻水平變形出現(xiàn)一定量的回彈變形,H19測(cè)點(diǎn)6月18日累計(jì)變形回彈到542.4 mm,水平變形回彈量約占本輪水平變形量的14.9%。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示心墻上部水平變形回彈明顯,心墻中下部2 078.00 m高程測(cè)點(diǎn)有較小量的水平變形回彈,2 048.00 m 高程測(cè)點(diǎn)未監(jiān)測(cè)到水平變形回彈,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表5。
表5 壩體心墻水平變形回彈監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 5 Horizontal deformation rebound results of dam core
根據(jù)大壩心墻沉降變形監(jiān)測(cè)結(jié)果(見表6、圖12),隨著2012年6月底庫水位開始快速抬升,壩體心墻出現(xiàn)加速沉降變形,7月10~15日沉降變形速率達(dá)到最大,壩體2 108.00 m高程測(cè)點(diǎn)V33(0+123)最大值為3.7 mm/d,V19(0+244)最大值為22.7 mm/d,V41(0+320)最大值為10.7 mm/d,之后在庫水位高位運(yùn)行期間,心墻沉降速率逐漸減小。2013年1~4月中旬庫水位下降期間,心墻沉降速率有所加大,4月中旬—9月底庫水位在2 108.30 m以下運(yùn)行過程中,V19(0+244)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示心墻有一定量抬升,累計(jì)抬升量42 mm,其他測(cè)點(diǎn)均未監(jiān)測(cè)到心墻抬升。
表6 心墻2 108.00 m高程沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表(2012年)Table 6 Settlement results of dam core at elevation 2 108.00 m in 2012
(1)礫石土心墻堆石壩初蓄過程中,庫水位快速抬升造成壩體產(chǎn)生過大沉降變形和推移式水平變形。2 108.00 m高程心墻最大沉降速率22.67 mm/d,6月30日—7月30日平均沉降速率為6.52 mm/d,7月30日累計(jì)沉降量214.0 mm;心墻最大水平位移速率19.50 mm/d,6月30日—7月30日平均水平位移速率為11.26 mm/d,7月30日累計(jì)水平位移量347.6 mm。
圖12 壩體中部心墻沉降變形監(jiān)測(cè)曲線Fig.12 Settlement deformation curves of central section of dam core
(2)庫水位快速抬升過程中,2 108.00 m高程心墻下游側(cè)P73和P94兩支滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)曲線特征與庫水位變化相關(guān)聯(lián),心墻鉆孔勘探結(jié)果顯示壩體心墻2 114.00 m 高程以上普遍存在滲漏,2 114.00 m 高程以上心墻防滲體系在庫水位快速抬升過程中變形過大出現(xiàn)了破壞。
(3)礫石土心墻監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,在初蓄期結(jié)束庫水位回落過程中,壩體心墻水平變形出現(xiàn)一定量的回彈變形,總體特征為心墻上部回彈變形明顯,最大回彈量為本期水平變形量的16.1%,中下部回彈變形不明顯。4月中旬—9月底,庫水位在2 108.3 m高程以下運(yùn)行過程中,2 108.00 m 高程心墻中部V19(0+244)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,心墻有一定量抬升,累計(jì)抬升量42 mm,其他測(cè)點(diǎn)均未監(jiān)測(cè)到心墻抬升。
(4)本工程在初蓄期未能按設(shè)計(jì)0.5 m/d 水位抬升速率要求控制水位抬升,實(shí)際最大水位抬升速率達(dá)4.39 m/d,過快的庫水位抬升使壩體產(chǎn)生較大變形,心墻最大沉降速率達(dá)22.67 mm/d,最大水平位移速率達(dá)19.5 mm/d,導(dǎo)致2 108.00 m 高程以上心墻防滲體系發(fā)生了滲流破壞。本工程教訓(xùn)反映了心墻堆石壩在初蓄期嚴(yán)格控制水位抬升速率的重要性,初蓄期必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求控制庫水位抬升速率,加強(qiáng)壩體變形和滲透水壓力監(jiān)測(cè),這對(duì)確保大壩運(yùn)行安全具有重要意義?!?/p>