呂寶雄

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

新疆某水庫(kù)位于準(zhǔn)噶爾盆地的沖洪積下部細(xì)土平原上，是由四面碾壓式均質(zhì)土壩圍堵而成的典型平原水庫(kù)，庫(kù)盆呈“馬蹄”形，屬大(Ⅱ)型工程。大壩壩基為深厚覆蓋軟基地層，30 m深度范圍內(nèi)主要為第四系全新統(tǒng)洪積相輕一重粉質(zhì)壤土，局部夾薄層的透鏡體粉細(xì)砂層，壩體填筑土料以低液限粉土和低限黏土為主[1-3]。

結(jié)合大型平原水庫(kù)、地基復(fù)雜及壩線之長(zhǎng)的特點(diǎn)，在初期通水至蓄水期及運(yùn)行期受外部荷載及壩身自重力作用情況下要確保大壩安全，同時(shí)為給水庫(kù)管理提供科學(xué)依據(jù)，設(shè)計(jì)了壩表安全監(jiān)測(cè)，大壩主體竣工同期實(shí)施了首期變形監(jiān)測(cè)工作，截止目前已安全監(jiān)測(cè)12 a共23期。

2 平原水庫(kù)特征

該平原水庫(kù)為典型的引水注入式水庫(kù)，具有如下特征：

(1) 大壩壩身高度低，大壩軸線長(zhǎng)，庫(kù)容較大。最大壩高為28 m，壩軸線長(zhǎng)17.6 km，總庫(kù)容為2.8億m3。

(2) 水庫(kù)面積大、庫(kù)內(nèi)水面落差大。水庫(kù)面積23.8 km2，總體地勢(shì)北低南高，水從南面注入，向東、西、北向自流，上游來(lái)水較大時(shí)，壩前水位存在落差，形成一定的沖刷外力[4]。

(3) 大壩為典型的“四面土墻”圍堵壩體。三面臨水呈“U”型，觸水面廣，滲透變形消除難度大。

(4) 壩基為戈壁深厚覆蓋軟基地層，地質(zhì)條件較差。

3 大壩表面變形監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

大壩共布設(shè)56條監(jiān)測(cè)橫斷面，212個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，壩面變形監(jiān)測(cè)橫斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)[3-4]布置見圖1。為便于描述，將大壩分為東、西、南、中四個(gè)壩段，具體為：東、西壩為直線形，東壩長(zhǎng)2.0 km，西壩長(zhǎng)2.1 km，斷面按300 m間隔布設(shè)各7條、每條斷面3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為迎/背水坡坡頂、背水坡坡腳，具體布設(shè)見圖2；中壩長(zhǎng)8.0 km，分為兩側(cè)2個(gè)弧線段(Z1、Z3)和中間直線段Z2，按200 m間隔布設(shè)斷面42條，每條斷面4個(gè)點(diǎn)，分別為迎/背水坡坡頂、背水坡馬道/坡腳，具體布設(shè)見圖3；南壩長(zhǎng)3.1 km，處于水庫(kù)上游，基本不受外部荷載力，未進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，背水坡坡腳屬壩基監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其余點(diǎn)為壩體監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 大壩壩面變形監(jiān)測(cè)橫斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 大壩東/西壩段橫截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平和垂直效能獨(dú)立，為同名不共位，即水平位移監(jiān)測(cè)效能為觀測(cè)墩墩頂強(qiáng)制歸心標(biāo)志，垂直位移為觀測(cè)墩墩底水準(zhǔn)標(biāo)志。

3.2 大壩位移監(jiān)測(cè)

壩面水平位移采用GNSS監(jiān)測(cè)，垂直位移使用精密幾何水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。現(xiàn)階段監(jiān)測(cè)周期為2次/a，同一年度內(nèi)選擇在每年解凍后的首月(4月份)和始凍初月的前月(10月份)分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖3 大壩中壩段橫截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

2016年10月始凍前對(duì)大壩表面進(jìn)行了第23期安全監(jiān)測(cè)，從本期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)大壩整體沉降變化較上期發(fā)生明顯變形，尤其中壩Z1弧線段及首尾銜接的毗鄰區(qū)域發(fā)生異常突變，主要表現(xiàn)為：垂直方向發(fā)生最為顯著的下沉突變，水平變化較歷次平均變幅稍大但不明顯，壩體各區(qū)位水平變化量的大小態(tài)勢(shì)與垂直變化完全吻合，而下沉變化速率大大超出了歷次監(jiān)測(cè)平均速率，壩體沉降突變量大于壩基，最大點(diǎn)變形速率為11 mm/mon，是歷次平均速率的6倍多，形變量值已達(dá)預(yù)警，應(yīng)予以高度重視。大壩表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)相鄰周期沉降位移變化(圖4)。

4 突變特征分析

從理論上分析，平原水庫(kù)大壩除考慮受非線性動(dòng)力的采空開挖、地下水源破壞、季節(jié)性降水以及壩身自重荷載、特殊軟基地層地質(zhì)條件等作用力外，還需要考慮強(qiáng)外力、土壩滲透變形及冰推、冰脹、鹽脹等受力影響，容易引起壩基沉降破壞[4-7]。

從理論顯著影響因素入手，對(duì)歷年環(huán)境量(降水、溫度)變化、大壩表面歷次監(jiān)測(cè)的時(shí)間沉降序列變形數(shù)據(jù)結(jié)合壩體巡查及調(diào)閱有關(guān)資料進(jìn)行關(guān)聯(lián)性綜合研判分析，查找影響大壩下沉變化的顯著因子，具體體現(xiàn)為：

(1) 特殊軟基地層壩基基礎(chǔ)經(jīng)十幾年受水浸泡、水力擠壓和壩體自重力等壩體正常荷載力，壩體自身沉降不具有發(fā)生突變的異常外作用力，壩自身沉降已基本穩(wěn)定[9]。

(2) 水庫(kù)蓄水至今一直處于下沉狀態(tài)，庫(kù)內(nèi)水流因庫(kù)底地勢(shì)形成由南向北的自流態(tài)勢(shì)，沉降數(shù)據(jù)序列[8]在時(shí)間域上反映出壩段的沉降不均勻，顯示中壩中部(Z2)因水自流沖擊作用力較大產(chǎn)生其局部下沉變化大、東西壩自南向中壩中部(Z2)變化呈現(xiàn)下沉由小變至最大的特征。

(3) 壩體下沉速率隨時(shí)間軸的增加而逐漸減小，在庫(kù)水位變化相對(duì)穩(wěn)定后，呈現(xiàn)逐漸趨于平緩或平緩減小趨勢(shì)。庫(kù)水位周期性的漲落與周期性監(jiān)測(cè)的季節(jié)下沉變化速率具有一定的相關(guān)性和規(guī)律性，即春夏季節(jié)蓄水期水位抬升的下沉速率小于秋冬季節(jié)停蓄期水位下降，春夏季庫(kù)水位抬升階段，水位浮托力增大使得沉降變形速率變緩；秋冬季庫(kù)水位下降階段，浮托力減小使得沉降變形速率變大。

圖4 大壩表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)相鄰周期沉降位移圖(下沉為正，抬升為負(fù))

圖5 加密期監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移圖(下沉為正，抬升為負(fù))

(4) 從大壩所在地監(jiān)測(cè)期環(huán)境量數(shù)據(jù)看，季節(jié)性極端降水為零，監(jiān)測(cè)間隔期的降水、蒸發(fā)量與歷年基本相當(dāng)，年平均降水量(251 mm)遠(yuǎn)小于年平均蒸發(fā)量(1 543 mm)；氣溫變化對(duì)土壩沉降影響相對(duì)較小，壩體沉降隨溫度變化呈周期性，顯現(xiàn)出溫高抬升、溫低下沉的趨勢(shì)，溫高期下沉幅度小于溫低期。

(5) 分析歷年壩體滲流變化規(guī)律可以看出，壩后排水溝與涵洞兩側(cè)在2010年間發(fā)生過(guò)明顯異常滲流，在2011年和2012年各發(fā)生1次，并查找出其變化規(guī)律。滲壓上升使土料顆粒移動(dòng)，填料阻滲作用降低，滲水變得通暢，滲壓下降填料和反濾料發(fā)生自愈保護(hù)而恢復(fù)滲流平衡[9]。自此后至今壩體滲流穩(wěn)定，未見異常。

通過(guò)上述對(duì)壩體沉降變化現(xiàn)狀分析大壩沉降突變?cè)?，結(jié)果表明：在未發(fā)生地震等災(zāi)害破壞及水體結(jié)冰膨脹強(qiáng)外力情況下，壩身荷載、環(huán)境量、庫(kù)水位升降等正常作用力都不是引發(fā)下沉突變的主導(dǎo)因素。

巡視檢查中未見壩體排水渠、涵洞明顯滲流，但在中壩Z1弧線段東側(cè)400 m處外圍發(fā)現(xiàn)有地下水開采現(xiàn)象且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，初步判斷為地下水的過(guò)度開采致使軟基土層地下水短期內(nèi)急速下降，影響了水環(huán)境系統(tǒng)特征和地層土質(zhì)環(huán)境，破壞地層土質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水平衡[10-11]，形成壩體自身荷載重力向下移動(dòng)，產(chǎn)生壩體下沉。

基于上述分析判斷，先對(duì)地下水開采區(qū)實(shí)行禁采，然后對(duì)突變區(qū)及毗鄰區(qū)開展加密監(jiān)測(cè)，考慮到壩面監(jiān)測(cè)點(diǎn)多及單次全部監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，不利于特殊時(shí)期精密觀測(cè)，按主次分、重點(diǎn)部位和一般部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)[12]。2017年5月(第24期)已進(jìn)行3次加密和1次序列監(jiān)測(cè)，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，突變發(fā)生后采取地下水禁采措施。第1個(gè)月壩體沉降形變量較之前稍有減小但不明顯；第2個(gè)月突變區(qū)的沉降隨時(shí)間序列推移發(fā)生明顯變小且有明顯的恢復(fù)抬升。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大壩表面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及影響形變作用力進(jìn)行定量和關(guān)聯(lián)分析，初步判定地下水過(guò)度開采引發(fā)中壩Z1段發(fā)生顯著沉降突變，并經(jīng)采取禁采措施后，從后續(xù)沉降加密監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)印證了初期的判斷，為及時(shí)掌握大壩沉降動(dòng)態(tài)發(fā)揮了重要作用。目前，大壩沉降處于正常下沉態(tài)勢(shì)，為防患于未然，有必要對(duì)地下水破壞嚴(yán)重區(qū)給予破壞后的恢復(fù)和補(bǔ)給，并實(shí)施有效的預(yù)防措施，在水庫(kù)周邊設(shè)立地下水源保護(hù)紅線，劃分設(shè)立地下水禁采區(qū)、限采區(qū)和控采區(qū)。以此可為類似平原軟基地層水庫(kù)大壩安全預(yù)防提供借鑒。

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