黑河金盆水庫大壩沉降觀測及分析

任錄全 朱瑞榮 劉 超

（1.西安市黑河庫區管理中心 陜西 西安 710401；2.西安黑河供水有限責任公司 陜西 西安 710401）

黑河金盆水庫大壩工程位于西安市周至縣境內的黑河峪口以上1.5km處，北距周至縣約14km，東距西安市約86km。大壩上游流域面積1481km2，多年平均徑流量6.67億m3。大壩按Ⅰ級建筑物設計，地震烈度8度。壩型為粘土心墻砂礫石壩。壩頂高程▽600.00m，最大壩高 128.90m，頂寬11m，壩頂長443.63m，上游壩面坡比1∶2.2，下游壩面坡比1∶1.8。壩體由壩基帷幕灌漿，心墻砼蓋板，上、下游壩殼料，粘土心墻，上游砼面板，下游干砌石護坡等組成。壩基帷幕灌漿28485.2m，固結灌漿10256.7m。心墻砼蓋板157塊，砼量5.96萬m3。

1 工程地質條件

攔河壩壩基由河床砂卵石層和前震旦系寬坪群大鎮溝組中等深度變質巖組成。河床兩岸上部有一、二級階地及坡積松散層。

地層巖性：上部為綠泥片巖（Sc），層位比較穩定，厚20m～47m；中部為云母石英片巖(Se)，鈣質石英巖（Qu）及綠泥石片巖互層產出；下部為鈣質石灰巖，層厚7m～40m，及綠泥石片巖，層厚10m～13m。綠泥石片巖呈灰綠色，片理較發育，致密堅硬；云母石英片巖呈灰白色，片理發育，新鮮巖石堅硬，石英含量低時易風化、強度低；鈣質石英巖呈乳白色，塊狀及條帶狀，堅硬且脆碎，沿裂隙有溶蝕現象。

巖層走向近東西，傾向上游。走向85°～110°、傾向 SW(SE)，傾角 30°～45°。壩軸線以北接近背斜核部，傾角15°～25°。侵入巖脈有三種：①云煌斑巖脈 (x)；②石英巖脈(q)；③斜長斑巖脈（N）。它們均沿走向NW、NE，向裂隙侵入。

壩基河床砂卵石層厚5.1m～16.8m，主要由花崗巖、石英巖、片麻巖及片巖組成，力學強度較高，天然密度為2.28g/cm3，滲透系數K=90m/d左右，屬極強透水層。

2 黑河金盆水庫大壩沉降觀測及分析的意義

土石壩在施工期間，由于壩體本身重量使壩體產生壓縮沉降、橫向（沿河流流向）和縱向（沿壩軸線向）的水平位移；竣工后由于壩體自重和上游蓄水壓力等的作用，會使壩體繼續產生沉降和橫、縱兩個方向的水平位移。雖然壩體的變形即使在竣工30年后還會繼續下去，但有實際意義的變形量往往在數年內就完成了。當壩體變形大體穩定以后，隨著水庫水位的漲落，防滲墻上游的部分壩體會發生回彈和沉降，壩頂會向下游或上游方向擺動。如果在這期間出現異常的壩體變位，就預示著壩體結構存在某些潛在的問題。而土石壩的裂縫是壩體變形發展的結果，要研究土石壩裂縫必須首先了解壩體應力變形規律。正確地分析和計算土石壩沉降分布，對于預測土石壩裂縫的位置及預防土石壩開裂有重要作用。土石壩的變形監測是對大壩的穩定性和安全性做出評價的最重要手段。

3 沉降觀測資料分析

3.1 施工期實測資料分析

3.1.1 大壩的內部垂直位移

（1）由此階段的觀測結果可以看出，在施工期填土速率越高，沉降速率越快，填筑完成后大壩垂直位移監測管的累積沉降量沿壩高呈拋物線型分布，累計壓縮率沿壩高呈線性依次減小，最大壓縮率為6.0%。同時也可以發現在填筑過程的各個時期，大壩最大沉降都是在填筑壩體中部。這是因為壩體底部土層承受的荷重大，但其下壓的可壓縮土層薄；壩體頂部土層雖然其下壓得土層厚，但所受荷重稍小；壩體中部其荷重和可壓縮土層適中，這種組合使填筑壩體中部的沉降達到最大。

（2）表1給出了大壩填筑完成后及竣工后六個月各沉降管的最大沉降量及其增量。可以看出，粘土心墻的累積沉降量明顯大于壩殼砂礫料的沉降量。大壩填筑完成后（2000年12月28日），心墻的壓縮量最大值發生在0+225斷面的S2管，最大沉降值為1559mm，竣工后六個月內最大沉降量達到了1625mm，增加了64mm；靠近左岸的0+88斷面S1管，填筑完成后累積沉降量為1083mm，竣工后六個月達到了1147mm，增加了64mm；靠近右岸的0+316斷面填筑完成后1165.5mm，竣工后六個月達到了1226.5mm，增加了61.3mm，心墻有一定的后期固結變形特性，但從變形增量上可以看出心墻沉降較均勻。壩殼料也有一定的后期蠕變特性，其中竣工六個月內S3管最大沉降變形增量達到了40mm，但最大沉降量增量也呈明顯減小趨勢，在接下來的1年內最大變形增量在5mm內。

3.1.2 心墻與反濾料、反濾料與壩殼料接縫監測

（1）在 527.00m、550.00m、580.00m 高程處的六根TS位移計中，埋設在心墻與反濾料、反濾料與壩殼料之間的受拉最大位移量為32.5mm，反濾料與壩殼料之間的受壓最大位移量為14.3mm。

（2）在心墻軸線處，左、右岸坡570.00m高程的 14支 TS位移計中的 TS2-1、TS2-4、TS2-3、TS2-4 受到兩岸剪切力影響而發生剪切位移，其余儀器受到填筑碾壓后壓實過程的影響產生水平位移，最大位移量為18.2mm。

（3）從TS位移計可以看出，壩體心墻和反濾層之間產生拉變形，越靠近心墻底部，產生的拉變形越大，最大拉變形為32.54mm。產生拉變形的原因是由于心墻粘土和反濾層的模量差距較大，兩種材料之間有不均勻沉降。

表1 施工期最大沉降表 （單位：mm）

3.2 運行期監測資料分析

3.2.1 大壩內部垂直位移

（1）從表中數據可以看出，截至2005年10月31日，三個監測斷面大壩最大沉降 量 依 次 為 1237.5mm、1750.0mm、1329mm，相對于施工后期分別增加了64.5mm，95mm，52.5mm。0+225斷面最大沉降量要大于左右岸兩個監測斷面，可能是由于蓄水后水作用面積0+225斷面要大于其余兩個斷面。

（2）蓄水過程中，即從2003年6月25日至2003年12月，心墻三個監測斷面沉降量依次增大了36mm、51mm、24mm、變形增加趨勢明顯要大于施工后期相同時間的沉降增量。這表明大壩在蓄水過程中受滲透壓力及壩料濕化的影響，變形明顯增大，如表2所示。

表2 大壩運行期沉降變形監測成果總表

3.2.2 心墻與反濾料、反濾料與壩殼料、壩肩接縫監測

（1）截止2005年，心墻與壩殼料間的相對位移最大壓變形35.2mm，最大拉變形為21.9mm，位移月變化量微小，心墻與壩殼料之間不均勻沉降也趨于穩定。

（2）心墻與壩肩混凝土蓋板間切向位移最大值為45.9mm，最大水平位移為22.9mm，相對于施工后期增加不到10mm。

4 結論

（1）經現場調研，黑河水庫電子監測儀器（萊卡1800）自動化程度比較高，所得監測數據基本為自動化處理成果，與內部觀測管觀測數據吻合，較為真實可靠。

（2）觀察結果表明，填筑完成后大壩累積沉降量沿壩高呈拋物線型分布，累計壓縮率沿壩高呈線性依次減小；心墻最大沉降量達到了156cm，最大壓縮率為6%；S4管壩殼料變形為482cm，心墻最大變形明顯大于壩殼料變形。

（3）從大壩變形發展規律看，大壩變形監測數據符合一般大壩變形規律。竣工后一年半內，心墻料后期沉降變形主要為后期的固結沉降，并隨著時間推移，該時段沉降量逐步減小。蓄水前的變形比竣工后的最大變形增量增大了10cm，最大達到了166cm，竣工后壩殼料變形不超過2cm。

（4）蓄水運行初期，沉降量增大趨勢明顯，心墻最大沉降量增大了6cm，最大沉降量達到了171cm；蓄水運行兩年后心墻沉降變形增加到176cm。

（5）從年沉降量與統計規律看，大壩沉降符合土壩固結變形規律。蓄水運行兩年后的年變形量小于2cm，大壩變形開始趨于穩定。

（6）從心墻墊層的界面土壓力計可以看出，大部分土壓計從蓄水運行后至今基本穩定不變。從土壓計測值看，土壓計測值要比土柱壓力低20%～60%，這可能與心墻內部的拱效應，儀器的結構效應、埋設效應及目前國內土壓計觀測技術尚不成熟等因有關。

綜上分析可以看出，黑河金盆水庫大壩沉降內外觀測數據基本一致，分析結果可靠。陜西水利