李帥軍，安美運，王馬佛軒

(1.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081；2.貴州省水利科學(xué)研究院,貴州 貴陽 550000；3.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司,新疆 喀什 844000)

隨著我國水電事業(yè)的不斷發(fā)展，筑壩技術(shù)的逐漸完善，混凝土面板堆石壩[1]因料源易于實現(xiàn)就地取材，工程造價經(jīng)濟等優(yōu)點[2]在國內(nèi)外水工界的建造數(shù)量越來越多，積累了豐富的筑壩經(jīng)驗，已成為當(dāng)前主流壩型[3- 5]之一。目前，我國面板堆石壩不僅在壩筑高度上不斷實現(xiàn)突破，更解鎖了深覆蓋層、強地震區(qū)等地質(zhì)條件與高陡邊坡等地形條件的限制，筑壩技術(shù)在國際上已領(lǐng)先。但面板堆石壩堆石體的沉降變形危害依然存在，例如阿瓜米爾巴(Aguamilpa)壩[6- 7]運行期因壩體變形過大而產(chǎn)生面板水平裂縫，水布埡面板堆石壩[8]面板局部破損等。因此，對面板堆石壩沉降變形進行安全監(jiān)測十分必要，通過系統(tǒng)監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析可有效掌握堆石壩在施工期、初蓄水期及運行期的沉降變形變化過程，可為大壩運行狀態(tài)評估提供科學(xué)依據(jù)，為大壩安全預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐，從而降低事故發(fā)生率。本文以阿爾塔什水利樞紐工程面板堆石壩為例，分析了本工程針對堆石壩“三高一深”[9]特點，采取的壩體沉降變形控制措施，并為檢驗控制措施對改善壩體沉降變形的效果，采用四管式沉降儀對壩體沉降變形進行監(jiān)測及對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理，研究分析了采取措施后壩體沉降變形變化規(guī)律及特點，為今后類似工程提供重要參考和借鑒。

1 概述

阿爾塔什水利樞紐工程[10- 13]位于葉爾羌河干流山區(qū)下游河段上，水庫總庫容22.49億m3。大壩為混凝土面板堆石壩，壩體填筑料主要為砂礫石料與爆破堆石料，壩體填筑分區(qū)自上游到下游依次為面板、墊層料區(qū)、特殊墊層料區(qū)、過渡料區(qū)、砂礫石料區(qū)和爆破料區(qū)(如圖1所示)，壩高164.80m。壩基建在河床沖積砂卵礫石深厚覆蓋層上，最深厚度達94m。壩體工程區(qū)所處強震區(qū)，地震烈度為8度，抗震設(shè)計烈度為9度。右岸邊坡高達566m，坡度在高程1845m以下一般為50°～70°。大壩于2019年11月26日開始初次蓄水。

圖1 阿爾塔什水利樞紐工程混凝土面板堆石壩典型剖面圖

2 壩體沉降變形控制措施

在已建百米級混凝土面板堆石壩中，阿瓜米爾巴(Aguamilpa)面板堆石壩因施工填筑順序不當(dāng)、施工工藝不良導(dǎo)致堆石體上下游沉降差過大，最終在面板頂部出現(xiàn)了貫穿的水平結(jié)構(gòu)性裂縫；天生橋一級面板堆石壩因施工期填筑順序不合理，堆石體碾壓密實度不夠等原因，致使堆石體上下游沉降變形極為不協(xié)調(diào)，面板出現(xiàn)脫空、應(yīng)力集中破壞現(xiàn)象；董箐面板堆石壩由于堆石體未進行分區(qū)設(shè)計，使得運行期壩體沉降變形明顯；水布埡面板堆石壩引未針對壩址處河谷不對稱特點在岸坡壩段未設(shè)置變模區(qū)，導(dǎo)致岸坡壩段和河床壩段沉降變形不均勻，運行期左岸岸坡壩段面板垂直縫兩側(cè)出現(xiàn)表面起皮、起殼現(xiàn)象。

針對本工程“三高一深”[9]特點，在總結(jié)上述已建百米級面板堆石壩出現(xiàn)的問題及原因的基礎(chǔ)上，對如何保證壩基覆蓋層與壩體協(xié)調(diào)變形和壩體不同分區(qū)的協(xié)調(diào)變形展開了一系列研究分析，主要從筑壩材料的合理性選擇、壩體分區(qū)的優(yōu)化設(shè)計、變模區(qū)設(shè)置、提高筑壩料壓實質(zhì)量、優(yōu)化堆石體填筑順序及施工工藝等方面來實現(xiàn)(見表1)。

表1 阿爾塔什工程面板堆石壩沉降變形控制措施

3 壩體沉降變形監(jiān)測設(shè)計

3.1 監(jiān)測儀器選擇

為確保大壩在施工期、初蓄水期和運行期的安全運行，在壩體內(nèi)部設(shè)計布置安全監(jiān)測儀器，用以監(jiān)測壩體沉降變形變化過程，從而為大壩在施工期建設(shè)，初蓄水期及運行期的運行狀況評估提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。常見的測量壩體內(nèi)部沉降變形的監(jiān)測儀器主要有電磁沉降環(huán)、水管式沉降儀和桿式位移計等。

根據(jù)SL 551—2012《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[14]要求，并結(jié)合阿爾塔什水利樞紐工程(以下簡稱本工程)實際情況，選擇四管式水管式沉降儀15]對壩體內(nèi)部沉降變形進行觀測。同時，在對壩體沉降變形監(jiān)測進行設(shè)計時，考慮到傳統(tǒng)三管式水管式沉降儀在使用過程中進水管易出現(xiàn)堵塞、管線較長時管路內(nèi)部環(huán)境易滋生微生物導(dǎo)致管路不暢等問題，同時為確保工程在冬季外界溫度低于20℃時的正常觀測，在傳統(tǒng)三管式水管式沉降儀的基礎(chǔ)上作出了改進[16]，使其演變?yōu)楸竟こ趟玫乃墓苁剿苁匠两祪x(儀器型號：NSC-1000B，量程：0～3000mm；精度：2mm；溫度范圍：-25～+60℃)。四管式水管式沉降儀組成結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。采用四管式水管式沉降儀在保證觀測準(zhǔn)確性的同時，一定程度上也提高了測量結(jié)果的可靠性。

圖2 四管式水管式沉降儀組成結(jié)構(gòu)圖

3.2 變形監(jiān)測布設(shè)

3.2.1監(jiān)測斷面布置

依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，堆石壩變形監(jiān)測斷面一般要在兩岸岸坡壩段和河床最大壩高處設(shè)置，并結(jié)合具體工程特點，可以適當(dāng)增加或減少監(jiān)測斷面數(shù)量。

本工程在混凝土面板堆石壩共布設(shè)4個監(jiān)測斷面用以觀測壩體沉降變形，其中在河床壩段設(shè)2個監(jiān)測斷面，分別為壩0+475m、壩0+305m斷面。在岸坡壩段設(shè)兩個監(jiān)測斷面，分別為壩0+160m、壩0+590m斷面。其中，0+475m為最大壩高監(jiān)測斷面。

3.2.2沉降測點布置

堆石體河床壩段沉降監(jiān)測斷面分別在高程1671、1711、1751、1791m各布置1條水管式沉降儀測線，岸坡壩段沉降監(jiān)測斷面分別在高程1711、1751、1791m各布置1條水管式沉降儀測線。其中高程1671m單條水管式沉降儀測線設(shè)計布置有7個沉降測點，高程1711m單條水管式沉降儀測線設(shè)計布置有6個沉降測點，高程1751m單條水管式沉降儀測線設(shè)計布置有4個沉降測點，高程1791m單條水管式沉降儀測線設(shè)計布置有2個沉降測點，堆石體共有62個水管式沉降測點。壩體典型斷面變形監(jiān)測布置如圖3所示。

圖3 壩0+475m監(jiān)測斷面變形監(jiān)測布置圖

4 堆石體沉降變形計算原理及監(jiān)測成果分析

4.1 沉降變形計算原理

本工程采用的水管式沉降儀為專門定制的四管式水管式沉降儀，其利用液體連通原理[17]，通過讀取連通管路在觀測房一端玻璃管內(nèi)的液面高程，便可知壩體埋設(shè)沉降測點的液面高程。通過連通器管路兩端口高程之差與觀測房沉降量，即可得出壩體測點的沉降量，測點沉降量計算公式如下：

S=ΔL+ΔH

(1)

(2)

式中，S—測點沉降量，mm；ΔL—水管內(nèi)液面沉降量，mm；ΔH—觀測房沉降量，mm；L0i—第i根水管內(nèi)液面初始讀數(shù)，mm；Li—第i根水管內(nèi)液面當(dāng)前讀數(shù)，mm。

4.2 監(jiān)測成果分析

4.2.1各沉降測點初始值時間

混凝土面板堆石壩于2016年4月19日開始大壩首層填筑，受到堆石體各分區(qū)填筑施工進度不完全一致影響，壩體各監(jiān)測斷面沉降測點即使在同一高程層，其測點初始值取得時點也不完全一致，最早獲得初始值的測點為高程1671m的兩條測線的TC1- 3—TC1- 7與TC11- 3—TC11- 7沉降測點，初始值取得時間為2016年10月15日，其他測點分別于2017年3月、2017年7月、2018年6月及2019年6月取得觀測初始值。測點監(jiān)測頻次，施工期為4～10次/月，蓄水期為10～30次/月。

4.2.2測值可靠性分析

改進后的四管式水管式沉降儀內(nèi)包含2個進水管、1個排水管和1個通氣管，2個進水管的水杯頂面高差在19～21mm不等。水管式沉降儀在各管路正常工作期間(無脫節(jié)、無折斷、無堵塞、無氣泡等)，當(dāng)觀測端在充水后的水位基本穩(wěn)定，并且兩測量管水位高差與水杯頂面高差相等時，即可讀數(shù)。相比于常規(guī)水管式沉降儀，四管式水管式沉降儀增加了一個對比、自校核環(huán)節(jié)，可以在觀測端觀測時進行簡單的測值校核，從而保證了測值的準(zhǔn)確度，并且在一定程度上節(jié)省了觀測時間。

以TC2- 5測點(EL.1711m)在2017年的觀測數(shù)據(jù)為例(見表2)。TC2- 5測點位于EL.1711m，所在管路長達142m，平均充水穩(wěn)定時間90min。由上表觀測數(shù)據(jù)分析可得，當(dāng)觀測端測頭差在19～21mm時，1#和2#觀測管目測變化量差值不超過1mm；當(dāng)觀測端測頭差大于21mm時，1#和2#觀測管目測變化量差值最大可達9mm。實踐證明，相比較傳統(tǒng)的三管式水管式沉降儀，采用四管式水管式沉降儀能有效提高觀測值的可靠性與準(zhǔn)確性。

表2 TC2- 5測點(EL.1711m)觀測數(shù)據(jù) 單位：mm

4.2.3堆石體沉降變形研究分析

堆石體共布設(shè)4個監(jiān)測斷面，16條測線，62個測點。其中壩0+475m與壩0+305m兩個監(jiān)測斷面在高程1671m測線最長，管路長達560m，為當(dāng)前國內(nèi)已建工程中管路最長的水管式沉降儀。同時，壩0+475m監(jiān)測斷面又為壩體4個監(jiān)測斷面中的最大壩高斷面，因此本文以壩0+475m監(jiān)測斷面為典型斷面，根據(jù)典型斷面各沉降測點觀測數(shù)據(jù)，繪制壩0+475m斷面沉降變形分布圖(如圖4所示)與壩0+475m斷面高程1711m的測點沉降變形過程線圖(如圖5所示)，并對堆石體在施工期與初蓄水期的沉降變形進行研究分析。

圖4 壩0+475m斷面沉降變形分布圖(沉降變形單位：mm；高程單位：m)

圖5 壩0+475m監(jiān)測斷面高程1711m沉降變形過程線

研究得出：

(1)壩基最大沉降測點(TC1- 5)出現(xiàn)在壩軸線位置，施工期最大沉降變形量為513.9mm，占其測點下部堆石體與覆蓋層總厚度(65m)的0.79%，最大月均沉降速率為14.27mm/月。初蓄期沉降變形量為549.9mm，較施工期新增36mm，占其測點下部堆石體與覆蓋層總厚度0.85%，最大月均沉降變形速率為1.16mm/月。

(2)壩體最大沉降測點(TC2- 5)為壩體主堆石區(qū)與下游堆石區(qū)分界線下游的第一個測點，施工期壩體最大沉降變形量為604.9mm，占壩體與覆蓋層之和(216.3m)的0.28%，最大月均沉降速率為8.90mm/月，扣除同時段同斷面處壩基貢獻沉降量后，施工期壩體實際最大沉降量為240.3mm。初蓄期壩體最大沉降變形量為783.7mm，占壩體與覆蓋層之和(219.8m)的0.36%，最大月均沉降速率為4.46mm/月，扣除同時段同斷面處壩基貢獻沉降量后，初蓄期壩體實際最大沉降量為142.8mm。

(3)堆石體壩基與壩體沉降變形量在施工期與壩體填筑高度呈正相關(guān)關(guān)系，并且壩基和壩體的沉降速率在施工期最大，在壩體填筑完成后即初蓄水期壩基和壩體的沉降速率較施工期明顯降低，呈現(xiàn)逐步趨緩的趨勢。

4.2.4已建同類工程壩體沉降量對比

隨著筑壩技術(shù)的不斷創(chuàng)新及經(jīng)驗積累，我國在混凝土面板堆石壩設(shè)計、筑壩材料選擇、壩體分區(qū)、填筑施工等方面提出了很多措施用以控制堆石體的沉降變形，也取得了較好的效果。通過對國內(nèi)已建同類工程施工期堆石壩沉降變形情況對比統(tǒng)計分析(見表3)，阿爾塔什水利樞紐工程堆石壩在施工期最大沉降量為604.9mm，占壩高0.28%，在同類工程中，其堆石壩最大沉降量相對較小，累積變形在同類工程統(tǒng)計范圍內(nèi)。同時，阿爾塔什水利樞紐工程堆石壩相對較小的沉降量，表明壩料自身物理特性較好，也說明了范金勇[12]等人的研究對控制深覆蓋層上的堆石體沉降變形起到了一定作用。

表3 同類型面板壩內(nèi)部沉降對比統(tǒng)計表

4.2.5堆石體垂直壓縮模量研究分析

壩體填筑施工質(zhì)量除可以通過壩體的沉降變形量來反映，也可以通過堆石體的垂直壓縮模量來判斷。壓縮模量越大，表明填筑體越密實、堅硬。為滿足無側(cè)向變形的單軸壓縮假定，通常選擇靠近壩軸線位置的堆石體沉降測點實測值，并根據(jù)垂直壓縮模量E計算公式(3)來計算堆石體的壓縮模量[18]。

此次研究分析采用壩軸線附近壩0+475m、壩0+375m、壩0+160m、壩0+590m、壩下0-010m、壩下0-081m監(jiān)測斷面的四管式沉降儀測點的實測值，計算分析得出不同斷面處壩體沉降測點垂直壓縮模量見表4。

表4 堆石體垂直壓縮模量計算成果表

E=rHd/S

(3)

式中，r——堆石體填筑容重，kN/m3；H——測點上覆堆石高度，m；d——壩基以上、實測點以下堆石的高度，m；S——為實測點累積沉降量，mm。

從上述計算成果分析得：靠近壩軸線位置的堆石體沉降測點垂直壓縮模量在77.3MPa～758.7MPa范圍，其中壓縮模量最大計算值為758.7MPa，位于壩0+305m的高程1793m處；最小計算值為77.3MPa，位于壩0+475m的高程1673.86m處。對比采用重型振動碾得到堆石體的垂直壓縮模量[19]經(jīng)驗值20～225MPa范圍，本工程堆石體的平均垂直壓縮模量計算值明顯偏大，說明壩體填筑質(zhì)量較好，工程所采取的壩體沉降變形控制措施對壩體的沉降變形取得了良好的控制效果。

5 結(jié)論與建議

(1)改進后的四管式水管式沉降儀相比傳統(tǒng)水管式沉降儀，能有效提高觀測值的可靠性與準(zhǔn)確性。

(2)通過改進后的四管式水管式沉降儀對壩體沉降測點的觀測分析、堆石壩最大沉降量計算分析與堆石體垂直壓縮模量計算分析等，有效說明了工程從設(shè)置變模區(qū)、堆石體合理分區(qū)、筑壩材料選擇、填筑施工工藝等方面對壩體的沉降變形進行的控制措施，保證了堆石體的協(xié)調(diào)變形。

(3)通過對本工程大壩施工期與初蓄期沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理與研究分析，得出采取控制措施后堆石壩的沉降變形規(guī)律：同一高程層上，中部測點沉降量最大，兩側(cè)測點沉降量逐漸減??；不同高程層上，高程越低，沉降量越大；壩體內(nèi)部沉降呈連續(xù)漸變變化，縱、橫向分布基本協(xié)調(diào)，各測點沉降量與上覆堆石體厚度有關(guān)，壩基、壩體各測點沉降量分布規(guī)律性較好，符合土石壩沉降變形分布的一般規(guī)律。

(4)初蓄期壩基和壩體沉降變形速率明顯低于施工期的壩體沉降變形速率。壩基沉降變形主要發(fā)生在施工期，壩體沉降變形主要發(fā)生在施工期和初蓄期。

(5)堆石體的沉降變形為混凝土面板壩穩(wěn)定與安全的扼要，且阿爾塔什水利樞紐工程大壩具有“三高一深”的特點，因此建議在運行期持續(xù)關(guān)注壩體與壩基的沉降變形情況，及時進行數(shù)據(jù)整理分析與結(jié)果反饋。同時，在后期運行過程中需做好水管式沉降儀管路維護工作，以便更好地發(fā)揮沉降變形監(jiān)測作用。