張 巖，燕 喬

（三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002）

1 工程概況

水布埡水利樞紐位于清江中游河段巴東縣境內(nèi)，以發(fā)電防洪為主，并兼顧其它效益。水庫(kù)最高洪水位為404.0 m， 總庫(kù)容 45.8億m3； 正常蓄水位400 m，相應(yīng)庫(kù)容45.12億m3。樞紐主要由擋水建筑物、泄水建筑物和地下式廠房等建筑物組成。擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩長(zhǎng)660 m，壩高233 m，是已建成的最高混凝土面板堆石壩。壩體填筑共分六期施工，2003年2～5月進(jìn)行一期填筑，壩面上游面達(dá)到200 m，中間和下游區(qū)達(dá)到208 m。2003年10月～2004年5月進(jìn)行二期填筑，上游區(qū)達(dá)到288 m，中間達(dá)到250 m，下游區(qū)達(dá)到235 m。2004年7～12月進(jìn)行三期填筑，上游區(qū)達(dá)288 m，中間達(dá) 308～315 m，下游區(qū)達(dá)到 320 m。2005年1月開始大壩四期填筑，2006年3月完成，大壩上游區(qū)達(dá)到364m，下游區(qū)達(dá)到375m。一期面板于2004年7～10月施工，面板從175.8m上升至278m。二期面板于2006年1～3月施工，面板從278 m上升至340 m，此時(shí)大壩上游區(qū)填筑至364 m。2006年4～9月壩體進(jìn)行五期填筑，全斷面達(dá)到405 m，三期面板尚未澆筑。2007年7月壩頂保持在405 m，三期面板澆筑完成，水庫(kù)蓄水至377 m，7月21日首臺(tái)機(jī)組發(fā)電。405～409 m為六期填筑，2008年4～5月完成，8月24日全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。圖1為大壩分期填筑示意圖。

圖1 水布埡面板堆石壩分期填筑圖Fig.1 Filling of different stages of Shuibuya concrete face slab rock-fill dam

2 監(jiān)測(cè)儀器布置

選擇0+132 m、0+212 m和0+356 m的3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，布設(shè)11條水平、垂直位移測(cè)線，共73個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用水管式沉降儀監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部沉降，水管式沉降儀設(shè)計(jì)編號(hào)以“SV”開頭。采用鋼絲位移計(jì)監(jiān)測(cè)壩體水平位移，水平位移計(jì)設(shè)計(jì)編號(hào)以“SE”開頭。實(shí)測(cè)沉降和水平位移以0+212斷面265 m和300 m高程為例進(jìn)行分析，0+212斷面的觀測(cè)儀器布置見(jiàn)圖2。

圖2 0＋212斷面觀測(cè)儀器布置圖Fig.2 Layout of observation instruments on the section 0＋212

3 實(shí)測(cè)沉降分析

面板堆石壩的沉降主要由堆石料的壓縮變形和流變引起。堆石料的壓縮變形，初期主要是骨架顆粒間位置調(diào)整及由顆粒破碎引起，這是變形較快的主壓縮階段；其后，隨著顆粒破碎的增加，進(jìn)入次壓縮階段，沉降逐漸減小并趨于平穩(wěn)。

3.1 沉降過(guò)程線分析

2004年11月～2006年9月為壩體主填筑期，沉降較快，主要表現(xiàn)為施工期的壓縮沉降及流變。2006年9月以后壩體全斷面上升至405 m，沉降速率明顯減緩。2007年12月～2008年4月的最大沉降增量?jī)H為38 mm，為壩高的0.16‰，說(shuō)明壩體沉降已經(jīng)開始收斂，主要表現(xiàn)為沉降隨時(shí)間效應(yīng)的流變。從圖3、圖4的垂直位移過(guò)程線可以看出，2006年9月以前的曲線較陡，2006年9月以后的曲線比較平緩，但位于主監(jiān)測(cè)斷面上游坡面附近的測(cè)點(diǎn)SV0-1-13、SV01-1-14、SV01-1-23、SV01-1-24 的測(cè)值在2007年4月以后明顯增大，2007年9月以后又趨于平緩，其它測(cè)點(diǎn)的測(cè)值增大不明顯，這與2007年4月庫(kù)水位上升有關(guān)。

3.2 壩體沉降分布分析

從圖5、圖6的沉降分布圖可以得出以下規(guī)律：①同一高程的各測(cè)點(diǎn)中，沉降最大的點(diǎn)一般位于壩軸線附近，而同在壩軸線上，沉降最大的測(cè)點(diǎn)一般位于壩頂下約壩高1／3～1／2處；②沉降量與填筑高度大致成正比關(guān)系；③壩軸線下游側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降值普遍大于上游側(cè)，因?yàn)槲挥谙掠未味咽瘏^(qū)堆石體的壩料及壓實(shí)要求低于上游主堆石區(qū)；④大多數(shù)測(cè)點(diǎn)測(cè)值是隨時(shí)間而增加的，表現(xiàn)出堆石的流變性質(zhì)。從沉降分布規(guī)律可以看出，水布埡面板堆石壩的沉降符合面板堆石壩沉降變形的一般規(guī)律。

4 水平位移分析

圖3 0＋212斷面265 m高程垂直位移過(guò)程線Fig.3 Graph of vertical displacement of the section 0＋212 at elevation 265 m

圖4 0＋212斷面300 m高程垂直位移過(guò)程線Fig.4 Graph of vertical displacement of the section 0＋212 at elevation 300 m

0+212斷面265 m高程各水平位移計(jì)的測(cè)值隨時(shí)間平穩(wěn)發(fā)展，2007年5月7日各測(cè)值比原變化趨勢(shì)線向上游方向的位移增量約15 mm，以后繼續(xù)平穩(wěn)變化。SE01-1-14測(cè)點(diǎn)在2005年9月22日～2006年3月11日期間，測(cè)值突然增大100 mm，并有2次明顯的突變，2006年3月11日以后又回到原趨勢(shì)，估計(jì)是儀器異常造成的系統(tǒng)誤差。SE01-1-14測(cè)點(diǎn)靠近上游壩面，2007年5月開始水平位移顯著減小，這與庫(kù)水位從2007年4月底開始顯著上升一致。0+212斷面265 m高程水平位移計(jì)目前共計(jì)4支損壞 （SE01-1-13、15、16和 20損壞），其余工作正常。

圖5 壩體0＋212斷面沉降分布圖（單位：mm）Fig.5 Settlement distribution of dam body on the section 0＋212(unit:mm)

圖6 0＋212斷面沉降分布圖（單位：mm）Fig.6 Settlement distribution on the section 0＋212(unit:mm)

0+212斷面300 m高程各水平位移計(jì)的測(cè)值隨時(shí)間逐漸發(fā)展，各測(cè)值在2007年1月22日～4月30日期間與原發(fā)展趨勢(shì)線相比，有一個(gè)向下游的約25 mm的位移增量，在其以后恢復(fù)到原發(fā)展趨勢(shì)?？拷嫌螇蚊娴?SE01-1-23、SE01-1-24、SE01-1-25測(cè)點(diǎn)從2007年5月開始水平位移逐漸減小，這與庫(kù)水位從2007年4月底開始顯著上升一致，符合規(guī)律。

由圖7、圖8的水平位移過(guò)程線可以看出，水平方向的位移規(guī)律符合泊松效應(yīng)，上游壩體向上游位移，下游壩體向下游位移，蓄水后在水荷載作用下，向上游側(cè)的水平位移受到抑制，向下游側(cè)的水平位移明顯增加。

5 變形性態(tài)分析

5.1 面板傾度分析

圖7 0＋212斷面265 m高程水平位移過(guò)程線Fig.7 Graph of horizontal displacement of the section 0＋212 at elevation 265 m

圖8 0＋212斷面300 m高程水平位移過(guò)程線Fig.8 Graph of horizontal displacement of the section 0＋212 at elevation 300 m

可以通過(guò)實(shí)測(cè)沉降量的傾度分析來(lái)判斷面板發(fā)生裂縫的可能。取壩體同一高程處距離為L(zhǎng)的測(cè)點(diǎn)a、b，這兩點(diǎn)某一時(shí)刻的累計(jì)沉降量為Sa、Sb，則2個(gè)測(cè)點(diǎn)沿水平距離的平均沉降差為兩點(diǎn)的不均勻沉降斜率，即傾度r[1]：

5.1.1 垂直壩軸線方向（橫向）傾度計(jì)算

上述兩測(cè)點(diǎn)的水平距離L為40 m，以0+212斷面265 m、300 m兩條測(cè)線2008年4月27日的測(cè)值為例進(jìn)行傾度計(jì)算，見(jiàn)表1。

傾度是考慮兩個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降差的問(wèn)題，它實(shí)質(zhì)上反映了水平堆石遭受豎向應(yīng)變的程度。實(shí)驗(yàn)表明，一般的堆石料當(dāng)傾度不超過(guò)1%～1.8%時(shí)，不會(huì)使面板發(fā)生裂縫和周邊縫變形過(guò)大[2]。表1反映出大壩265 m、300 m高程測(cè)點(diǎn)間傾度較小，在正常范圍之內(nèi)，因此不會(huì)對(duì)面板開裂和周邊縫變形過(guò)大造成影響。

5.1.2 壩軸線方向（縱向）傾度計(jì)算

由于水布埡面板堆石壩壩址地形狹窄，左右兩岸河谷不對(duì)稱，面板容易產(chǎn)生由不均勻沉陷引起的橫縫，因此，有必要通過(guò)實(shí)測(cè)資料計(jì)算縱向傾度。取0+132、0+212、0+356斷面300 m高程壩軸線上的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行傾度計(jì)算，見(jiàn)表2。

計(jì)算結(jié)果顯示，0+212斷面和0+356斷面沉降差異較小，傾度都控制在1%以內(nèi)；0+212斷面和0+132斷面傾度較大，2006年12月以后傾度超過(guò)了1.8%，而且還有發(fā)展的趨勢(shì)，此處面板容易出現(xiàn)橫縫，應(yīng)引起注意。此處也反映了岸坡地形對(duì)堆石壩變形的影響，即岸坡越陡，堆石壩體相對(duì)于岸坡的錯(cuò)位就越大，壩體不均勻沉降就越顯著。受其影響，壩坡附近的混凝土面板也就很容易出現(xiàn)受拉狀態(tài)，導(dǎo)致面板出現(xiàn)拉裂縫[3]。因此，在堆石壩設(shè)計(jì)中，一般都要求對(duì)兩岸進(jìn)行削坡，以保證壩坡平順，防止局部陡坡甚至倒坡的出現(xiàn)。由國(guó)內(nèi)已建堆石壩統(tǒng)計(jì)資料可見(jiàn)，水布埡堆石壩的河谷系數(shù)(最大壩長(zhǎng)與最大壩高之比)在同級(jí)別工程中偏小，河谷狹窄，壩體相對(duì)于岸坡的錯(cuò)位較大，極易引起面板的拉裂縫，故在設(shè)計(jì)中增大配筋率，并加強(qiáng)施工質(zhì)量控制。

5.2 垂直壓縮模量分析

堆石的壓縮模量可以表征堆石體的壓實(shí)質(zhì)量及預(yù)報(bào)其變形的大小。由于壓實(shí)堆石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性都很好，迄今還未發(fā)現(xiàn)堆石壩失穩(wěn)的情況。出現(xiàn)事故主要是過(guò)大變形使接縫張開和止水失效，以及面板斷裂所致的大量滲漏，因此表征堆石壓縮性的模量對(duì)堆石壩有特殊的重要性。此種實(shí)驗(yàn)一般在室內(nèi)利用大型壓縮儀進(jìn)行，也可以通過(guò)壩體沉降及面板撓度觀測(cè)資料推算[4]。

表1 橫向傾度計(jì)算結(jié)果Table 1 :Calculation results of lateral inclination

表2 縱向傾度計(jì)算結(jié)果Table 2 :Calculation results of vertical inclination

本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降資料推算垂直壓縮模量，以假定沒(méi)有側(cè)向變形的單軸壓縮為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。選擇壩軸線附近的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為[5]：

式中：γ為堆石填筑密度；H為計(jì)算點(diǎn)以上覆土柱厚度；d為測(cè)點(diǎn)以下臥土層總厚度；S為實(shí)測(cè)沉降量。

水布埡面板壩主堆石區(qū)的設(shè)計(jì)密度為2.15 t／m3，由2008年4月27日實(shí)測(cè)沉降量計(jì)算壩軸線測(cè)點(diǎn)的垂直壓縮模量，結(jié)果見(jiàn)表3。

公式（2）是建立在假定沒(méi)有側(cè)向變形的單軸壓縮基礎(chǔ)上的，因此本計(jì)算選用壩軸線附近的測(cè)點(diǎn)，其垂直應(yīng)力接近于上覆蓋土層重量，結(jié)果較為可信。由計(jì)算結(jié)果可以得到，0+212斷面堆石體垂直壓縮模量均在100 MPa左右，平均值為110.4 MPa；0+132斷面和0+356斷面堆石體垂直壓縮模量相對(duì)較小，分別為 71.7 MPa 和 47.7 MPa，其中 0+356 斷面的壓縮模量計(jì)算值較小，尤其是300 m高程僅為31 MPa，340 m高程為47 MPa，明顯小于其他位置測(cè)點(diǎn)，此處為施工過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外一些面板壩實(shí)測(cè)資料，計(jì)算得堆石體的垂直壓縮模量約為 20～225 MPa[6，7]，水布埡面板壩的平均垂直壓縮模量居于上述范圍的中間，且0+212斷面的垂直壓縮模量更大一些。另外，壩體最大沉降 （2008年4月27日）占已填筑高度的1.05%，雖然國(guó)內(nèi)100 m級(jí)面板堆石壩最大沉降控制在1%以內(nèi)，但水布埡是壩高超過(guò)200 m的超高壩，監(jiān)測(cè)資料證明堆石體的最大沉降與壩高的平方成正比[8]，說(shuō)明水布埡大壩填筑壓實(shí)干密度、孔隙率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，堆石體的填筑質(zhì)量很好，壩體變形控制在合理的、可接受的范圍內(nèi)。

表3 水布埡壩體堆石體垂直壓縮計(jì)算模量Table 3 :Vertical compression modulus of Shuibuya concrete rock-fill dam body

6 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)代混凝土面板堆石壩的原型觀測(cè)技術(shù)是在土石壩與混凝土壩觀測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合自身的特點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的。混凝土面板堆石壩的觀測(cè)，從混凝土面板到堆石體已經(jīng)大體上形成了獨(dú)立的觀測(cè)體系。然而隨著面板堆石壩觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)原型觀測(cè)技術(shù)的水平要求越來(lái)越高，很多方面都需要進(jìn)一步研究，不斷完善。其次，鑒于大多數(shù)面板堆石壩建于陡深峽谷中，三維應(yīng)力狀態(tài)突出，因此，開展堆石壩體在順壩軸向的位移監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)對(duì)于發(fā)展面板堆石壩的設(shè)計(jì)理論將會(huì)有重要意義。

[1]羅谷懷,甘明輝.土石壩安全論證理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[2]易志,李民,汪海平.水布埡面板堆石壩施工期實(shí)測(cè)沉降性態(tài)分析[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2006(1).

[3]楊松林,周燦元,鐘平.三板溪堆石壩的變形監(jiān)測(cè)分析[J].水電能源科學(xué),2005(6).

[4]清華大學(xué)水利水電工程系.水布埡面板堆石壩施工期大壩實(shí)測(cè)變形的反饋分析及堆石料大型三軸試驗(yàn)研究報(bào)告[R].2007.

[5]G.Gioda,G.Maier.Direct search solution of an inverse problem in elasto-plasticity:identification of cohesion,friction angle and in-situ stress by pressure tunnel test[J].Int J Num Methods in Eng,1980,15:1823～1848.

[6]蔣國(guó)澄,傅志安,鳳家驥.混凝土面板堆石壩工程[M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,1997.

[7]S.Sakurai,K.Takeuchi.Back analysis of measured displacement of tunnels[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,1983,16(3):173～178.

[8]楊鍵.天生橋一級(jí)水電站面板堆石壩沉降分析[J].云南水利發(fā)電,2001(2).