面板堆石壩實測沉降變形性態研究

杜雪珍，張 猛，朱錦杰

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

0 引 言

近年來，隨著水電資源的開發利用，堆石壩在水電工程壩型中的應用越來越廣泛，尤其是面板堆石壩。面板和堆石體的協調變形直接影響大壩安全與穩定，因此堆石體的沉降變形控制是關鍵。目前堆石體沉降變形的量值范圍在《混凝土面板堆石壩設計規范》《土石壩安全監測技術規范》中均無明確的量化指標，行業內也缺少系統、深入的研究。因此，高壩大庫施工期及運行期堆石體沉降變形的量值范圍及變化規律研究對大壩安全建設與運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生移動、達到新的平衡，填筑料顆粒間的相互接觸點受壓力作用使顆粒局部破碎，充填到空隙中，導致堆石體積縮??；發生降雨時，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，由于填筑料質量不好、風化較嚴重，其在壓力作用下發生破碎，會使堆石體發生變形。因此，面板堆石壩必然會產生沉降變形。壩體變形較大時，將導致面板與壩體間變形不協調、面板與墊層料間易脫空或面板開裂等現象，危及大壩的安全[1-2]。

根據大壩運行時段，堆石體沉降可分為施工期沉降和運行期沉降。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間選擇提供依據；運行期沉降則在此基礎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部沉降兩種。表面沉降一般采用幾何水準法或三角高程法觀測，測點一般布置在上游面板、壩頂上、下游側，以及壩后坡1/3，1/2，2/3壩高處或附近馬道上。壩體內部沉降一般采用水管式沉降儀進行觀測，測點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，以便換算壩體內部沉降的絕對值。

3 沉降變形性態分析

取水布埡、天生橋一級、天荒坪下庫等23座國內已建面板堆石壩的沉降變形監測成果進行統計分析[4]，結合國內現有的研究成果[5-6]，了解大壩的沉降變形規律及工作性態。

3.1 實測數據統計

3.1.1 壩體內部沉降

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系。

圖1 壩體內部沉降量Fig.1 Internal settlement of dam body

施工期壩體內部沉降量與總沉降量的比值為42.8%～97.4%，其中比值大于60%的約占總統計數量的78%，可見壩體內部沉降主要發生在施工期；施工期沉降變形較大，而運行期沉降較小。

施工期壩體內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，見圖2。結果表明：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 施工期壩體內部沉降量與壩高的比值關系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位移測點資料不全，故大多數工程采集到的運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，壩頂運行期沉降與壩高及運行時間有密切的關系。

圖3 壩頂運行期沉降量與壩高關系Fig.3 Relationship between dam crest settlement and dam height during operation

壩頂運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，見圖4。

圖4 壩頂運行期沉降量與壩高的比值關系Fig.4 Ratio relationship between dam crest settlement and dam height during operation

3.2 分布規律

3.2.1 時間分布規律

施工期壩體內部沉降主要受壩體高度、填筑料抗壓強度、碾壓設備等影響。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)壩體內部沉降、壩體填筑高程、庫水位相關曲線見圖5。

圖5 典型工程壩體內部沉降與壩體填筑高程、庫水位相關曲線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，水壓影響相對穩定，蠕變量隨時間增長而增加，并根據位置和水庫蓄水過程不同而變化。隨著運行年數的增長，沉降速率逐年減少，最終趨于穩定。典型工程壩頂永久觀測墩測點沉降過程線[7]見圖6。

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

3.2.2 空間分布規律

壩體內部沉降受壩體填筑影響，每個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。由于填筑密實度差異，一般情況下，上游區的密實度大于下游區，若采用統一基準日，則分布規律大致表現為：在同一橫斷面，大壩最大沉降量位于1/3～2/3壩高范圍內，且上游側大于下游側；典型工程壩體內部沉降分布[8]見圖7。

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

大壩表面沉降分布規律一般為：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日為基準值；括號外為沉降歷史最大值；括號內為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，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，除硬質巖外，強、弱風化巖等抗壓強度較低的軟質巖也可做壩料，故壩體的變形與堆石體的材料特性密切相關，主要在巖石的抗壓強度、風化程度等方面[9-10]。

(1) 巖石的抗壓強度。巖石根據其抗壓強度分為堅硬巖(抗壓強度60 MPa以上)、中硬巖(抗壓強度30～60 MPa)和軟巖(抗壓強度30 MPa以下)。以砂礫石、石英巖等堅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、凝灰巖、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%。以石灰巖、板巖、泥質頁巖等軟質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，抗壓強度高的堅硬巖碾壓變形量、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，主堆石區筑壩材料均為凝灰巖，相應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度外，沉降變形還受其他因素影響。

圖9 國內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) 巖石的風化程度。壩體填筑料的風化程度越深，其抗壓強度越低、越易破碎，風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，主要包括填筑層鋪料厚度、堆石填筑順序、施工質量、碾壓加水情況、碾壓機具和遍數等[9-10]。

(1) 填筑層鋪料厚度。大多數面板堆石壩主堆石區的鋪層厚度為60～80 cm，次堆石區鋪層厚度為80～120 cm。如果堆石鋪層太厚，則不易碾壓密實，堆石體變形就較大。如天荒坪下庫大壩主堆石區鋪層厚度為80 cm，次堆石區鋪層厚度為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，但因實際施工時，很多工程為搶工期，填筑不規范，導致上、下游堆石體不能均衡上升，次堆石區與主堆石區高差太大，最終導致壩體變形不均，特別是主、次堆石結合部位，對壩體填筑整體性造成一定的影響，后期變形也較大。

(3) 施工質量。堆石變形大小與施工質量關系密切，若填筑過程中，出現粗、細料過于集中、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、漏碾壓等現象，則會造成堆石碾壓效果不佳，進而導致變形量過大。

(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度；適當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，特別是對軟巖。

(5) 碾壓機具和遍數。堆石區選用的碾壓機具及碾壓遍數合理，堆石體越易碾壓密實，后期變形越小、穩定時間越短。

3.3.4 地 形

堆石體變形與地形條件關系密切。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影響，兩岸岸壁對堆石壩體存在拱效應，而削弱拱效應的影響需要經歷更長的時間，故拱效應的作用主要是延長沉降過程，而不會減小沉降量。

4 結 論

通過對面板堆石壩沉降變形的統計及分析，可以得出以下結論。

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

(2) 應重視施工期沉降變形監測，分析判斷大壩變形是否在設計允許范圍內、評價施工質量，為選定面板施工最佳時期提供依據。

(3) 重視運行期變形監測特別是壩頂沉降變形監測，并根據變形速率評價大壩運行性態，為由沉降變形引起的面板、防浪墻破損修復的時間選擇提供依據。