特高堆石壩心墻監(jiān)測廊道設計關鍵技術初步研究

韓朝軍，程瑞林，湛正剛，慕洪友，張丙印，于玉貞

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084)

心墻變形監(jiān)測是高心墻堆石壩的一項重要監(jiān)測內(nèi)容，對實時掌握大壩施工及運行性狀具有關鍵作用。傳統(tǒng)的心墻變形監(jiān)測技術措施，通常是在心墻內(nèi)埋設水管式沉降儀、電磁式沉降儀、引張線水平位移計、測斜管等監(jiān)測儀器，這些方法對中低壩的適應性好，但對于300 m級特高壩，管線長度、測量深度、測量精度、儀器損壞率等均超過了最佳使用條件，監(jiān)測技術的可靠性亟待改進[1-2]。

研究表明，在壩體心墻內(nèi)分層布置縱向混凝土監(jiān)測廊道，為上述問題的解決提供了一種新途徑。該技術的主要優(yōu)勢是：①監(jiān)測廊道內(nèi)分層分段布置監(jiān)測儀器，可縮短管線牽引長度，降低儀器損壞率、提高測讀精度；②運行期方便壩內(nèi)巡視檢查，及時維修損壞儀器；③廊道自身可承擔一定的監(jiān)測任務，與傳統(tǒng)儀器相互校驗，提高監(jiān)測結果的可靠性；④可兼作觀測房使用，提前形成測站，便于自動化監(jiān)測早日實現(xiàn)；⑤通過放空設施降低庫水位，為心墻檢修創(chuàng)造條件。

表1 國外特高堆石壩壩內(nèi)監(jiān)測廊道布置情況[7-9]

注：羅貢壩在建。

為此，本文以國內(nèi)某特高心墻堆石壩為例，探討在心墻內(nèi)布置監(jiān)測廊道的可行性，并對關鍵技術問題及對策措施進行了初步研究，以期推動該技術進步，為同類工程提供借鑒。

1 堆石壩監(jiān)測廊道工程應用現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)研[3-6]，堆石壩壩內(nèi)廊道多見于深厚覆蓋層上的工程，如國內(nèi)長河壩、瀑布溝、黃金坪、磽磧水電站等，其主要用途是作為心墻底部的灌漿廊道；用作監(jiān)測目的主要有國外的努列克壩、羅貢壩及特里壩等，如表1所示。

從理論上講，深厚覆蓋層上壩內(nèi)灌漿廊道底部有混凝土防滲墻頂托，這將大大降低廊道與覆蓋層的變形協(xié)調(diào)控制難度，但從磽磧、瀑布溝、黃金坪等工程的運行情況來看，蓄水后均發(fā)生了廊道結構縫漏水問題[6，11]。另外，近十多年來我國開展的300 m級高面板堆石壩適應性及關鍵技術研究，也提出了土石壩監(jiān)測廊道的思想[10]，但至今仍無已建工程。國外雖有300 m級特高壩心墻監(jiān)測廊道經(jīng)驗，但3座壩各有特點：羅貢壩至今未建成；努列克壩施工期達20年，廊道適應壩體變形的時間充足，是當代工程無法與之相提并論的；印度特里壩廊道運行情況鮮有報道。總的來說，在堆石壩內(nèi)設置監(jiān)測廊道，國內(nèi)外可供借鑒的經(jīng)驗不多，工程設計難度大。

2 主要技術難點及對策措施

2.1 特高堆石壩心墻監(jiān)測廊道設計

為解決高堆石壩變形監(jiān)測的適應性問題，國內(nèi)某特高心墻堆石壩擬在心墻內(nèi)設置縱向監(jiān)測廊道。廊道沿心墻壩軸中心線布置為兩層，其中，河床中心部位的上下層廊道底板高程為2 812、2 722 m，大致位于2/3壩高和1/3壩高處，廊道斷面形式為城門洞型，預制鋼筋混凝土結構，斷面尺寸為3.0 m×3.5 m(寬×高)，廊道壁厚0.5 m，見圖1。

圖1 心墻監(jiān)測廊道布置(高程：m)

2.2 存在的問題分析

工程經(jīng)驗表明，心墻監(jiān)測廊道為典型的三向受力結構，在承受土壓力、水壓力等外荷載作用下，將產(chǎn)生由兩岸指向河谷的壩軸向變形、垂直向下和指向下游的撓曲變形。根據(jù)三維有限元計算結果，壩體中部最大沉降約3～5 m，心墻與岸坡之間最大剪切變形接近1 m；廊道外壁承受1～3 MPa的土應力和0.5～2.5 MPa的心墻滲透孔隙水壓力。因此，廊道設計需解決以下幾個關鍵問題：

(1)剛性廊道既要適應柔性心墻三向大變形、岸坡剪切變形的要求，又不對周圍防滲土體造成接觸滲透破壞，這就要求廊道在空間上布置得科學合理。

(2)變形結構縫的設置是保證廊道自身結構安全的關鍵。

(3)高水頭作用對廊道接縫止水系統(tǒng)提出了較高要求。一是適應三向大變形條件，止水結構不被剪切破壞；二是接縫止水材料具有良好的耐久性及可靠性。

2.3 采取的主要關鍵技術措施

為了解決上述問題，本研究從以下幾個方面予以考慮。

(1)為了適應心墻的三向變形，兩層廊道均采取沿豎直方向向上、順河流方向向上游起拱。在豎直方向，上層廊道向上拱起最大高度為6 m，河床中心廊道底板高程為2 812 m，與兩岸灌漿隧洞連接的底板高程為2 806 m，自河床中心向兩岸的平均縱坡為2.8%～3%；下層廊道向上拱起最大高度為6 m，河床中心廊道底板高程為2 722 m，與兩岸灌漿隧洞連接的底板高程為2716 m，自河床中心向兩岸的平均縱坡為4.5%～4.6%。在順水流方向，上層廊道拱向上游2 m，自河床中心向兩岸的平均縱坡為0.94%～1%；下層廊道拱向上游2 m，自河床中心向兩岸的平均縱坡為1.6%。上層廊道在距兩岸70 m范圍內(nèi)，按每隔3 m設置一道變形結構縫，其余部位按每隔5 m設置一道變形結構縫；下層廊道在距兩岸50 m范圍內(nèi)，按每隔3 m設置一道變形結構縫，其余部位按每隔5 m設置一道變形結構縫；初擬縫寬20 mm，縫內(nèi)填充低發(fā)泡聚乙烯塑料閉孔板(壓縮率達50%)。

(2)考慮到廊道在發(fā)生結構破壞時，廊道外壁防滲土料細粒含量被帶走，誘發(fā)接觸滲透破壞，廊道外壁包裹1～2層反濾土工布，土工布與防滲土料之間設置1 m厚的高塑性接觸黏土。

(3)監(jiān)測廊道接縫止水系統(tǒng)平剖示意圖見圖2。在保障接縫止水系統(tǒng)的可靠性及耐久性方面，采取的主要措施為：①在廊道分縫一端預留二期混凝土，施工期廊道可以自由變形，施工工藝上銅片止水在蓄水前焊接，可降低錯位變形對接縫止水剪切破壞的影響；②根據(jù)相關工程接縫止水材料抗?jié)B、抗剪破壞試驗研究，選用耐久性好的“W”型銅片止水，沿廊道四周雙層布置，縫內(nèi)填充柔性止水材料；③銅片止水鼻子預留較大伸縮度，可適應較大的三向變形能力；④根據(jù)三維有限元分析結果，并參照類似工程經(jīng)驗，合理確定廊道受壓和受拉區(qū)的范圍、廊道分縫位置及縫寬；⑤廊道外壁包裹反濾土工布，與高塑性接觸黏土料形成連續(xù)“堵排結合”滲控系統(tǒng)，可有效降低工程風險；⑥考慮到廊道與兩岸連接部位剪切變形相對較大，考慮采用金屬波紋管連接。

圖2 監(jiān)測廊道接縫止水系統(tǒng)平剖示意

3 基于有限元方法的結構安全初步研究

3.1 二維滲流特性分析

采用河海大學Autobank7.0軟件進行了二維穩(wěn)定—非穩(wěn)定滲流分析，研究心墻內(nèi)設置縱向監(jiān)測廊道對大壩滲流特性的影響。計算結果表明，在壩內(nèi)心墻設置縱向監(jiān)測廊道后，大壩滲流特性并沒有產(chǎn)生顯著變化，滲流場分布仍符合一般規(guī)律；防滲心墻滲透坡降相對較大的區(qū)域主要有兩個，一是監(jiān)測廊道頂部接觸黏土區(qū)，二是心墻下游面出逸處，其中，監(jiān)測廊道頂部最大滲透坡降5.43，小于接觸黏土允許坡降6.0，仍滿足滲透穩(wěn)定要求。由此可見，在監(jiān)測廊道周邊合理設置一定厚度的接觸黏土區(qū)，可有效提高混凝土與防滲心墻之間的防滲抗?jié)B性，防止接觸滲透破壞的發(fā)生。

3.2 三維應力變形特性分析

心墻監(jiān)測廊道與周圍土體是典型的非連續(xù)接觸問題，由于兩種材料性質(zhì)相差較大，在界面兩側(cè)常會出現(xiàn)較大的剪應力并發(fā)生位移不連續(xù)現(xiàn)象，從而導致十分復雜的應力和變形性態(tài)[12]。為了分析廊道結構設計的合理性及安全性，采用非連續(xù)接觸算法[13]和三維精細化模擬方法，研究廊道與心墻土體相互作用下的三維應力變形特性。

3.2.1計算模型

建立大壩及廊道精細化三維有限元模型如圖3所示，共計結點178 791個、單元155 635個。

圖3 大壩及廊道三維有限元精細化模型

3.2.2計算參數(shù)

土石壩料本構模型采用鄧肯張E-B模型，計算參數(shù)見表2。在混凝土廊道塊體之間設置了軟接縫，采用雙線性軟接縫擠壓模型進行模擬[13]，參數(shù)取值為：填縫初始厚度L0=2 cm，初始擠壓模量En0=30 MPa，線性擠壓應變εl=0.31，后期擠壓模量取與混凝土相同，En混=3×104MPa。廊道塊體之間以及廊道與反濾料的接觸界面摩擦系數(shù)μ均取0.7。

表2 筑壩料鄧肯E-B模型計算參數(shù)

3.2.3計算結果分析

經(jīng)分析，得到的主要結論如下：

(1)上、下層廊道的變形規(guī)律基本一致，壩軸向位移均由兩岸向河谷中央擠壓，上層廊道最大壩軸向擠壓位移為0.10 m，發(fā)生的位置大體位于距兩岸65 m處，下層廊道最大壩軸向擠壓位移為0.13 m。廊道順河向水平位移最大值出現(xiàn)在滿蓄期，上層廊道最大值為0.36 m，下層廊道最大值為0.35 m。豎向沉降最大值發(fā)生在竣工期的河谷中央部位，上層廊道最大值約為0.83 m，下層廊道最大值約為1.25 m。

(2)雖然河谷中央部位計算的沉降值較大，但分布卻相對均勻，而靠近兩岸部位沉降值雖小，但其不均勻沉降較大。與土體變形相比，廊道的變形相對較小，且主要發(fā)生在施工期，這點在特里壩也得到證明；設計考慮廊道在蓄水前焊接這一施工工藝，將大大降低廊道剪切破壞的風險。

(3)上、下層廊道的應力分布規(guī)律基本一致。廊道豎墻內(nèi)側(cè)表面的大主應力值較大，在底角內(nèi)表面部位存在一定的應力集中，上層廊道應力最大值達到40 MPa，下層廊道最大值達到60 MPa，但該高應力區(qū)僅發(fā)生在內(nèi)側(cè)表面底角部位，面積較小、深度不大，可通過優(yōu)化廊道斷面結構型式予以解決。廊道上、下外表面的大主應力值分別為10 MPa和20 MPa。

(4)拉應力主要分布在底板內(nèi)表面和頂拱內(nèi)表面，上層廊道最大拉應力值為10 MPa，在靠近兩岸部位達到20 MPa；下層廊道最大拉應力值為20 MPa，在靠近兩岸位置達到30 MPa。過大的拉應力可能誘發(fā)廊道出現(xiàn)張拉裂縫問題，但高拉應力區(qū)主要分布在底板和頂拱的內(nèi)表面，深度相對較淺，該部位可采取加強布置限裂鋼筋的措施予以解決。

4 對進一步研究的思考

(1)心墻監(jiān)測廊道斷面有待進一步優(yōu)化。由上述計算結果可知，廊道底角內(nèi)表面存在小區(qū)域的應力集中問題。鑒于特里壩、烏茲別克斯坦Charavak壩采用圓形斷面，且內(nèi)部采用鋼襯，故筆者建議了以下兩種廊道斷面優(yōu)化方案，可供今后進一步深入研究，如圖4所示。即方案1，仍采用城門洞形，斷面尺寸調(diào)整為2 m×2.5 m，底角采用圓角，同時內(nèi)部采用鋼襯；方案2，采用圓形斷面，內(nèi)徑2.5 m，同時內(nèi)部采用鋼襯。

圖4 廊道斷面優(yōu)化設計建議(單位：cm)

(2)結合現(xiàn)場施工條件、廊道接縫部分軸向應力、擠壓及張拉變位情況，進一步開展科學的廊道分縫措施研究。

(3)考慮到廊道塊體之間、廊道與岸坡連接部位的大剪切變形、高水頭及復雜應力條件，接縫止水系統(tǒng)的可靠性及耐久性，有必要開展室內(nèi)或現(xiàn)場試驗加以驗證。

5 結 論

(1)為解決300 m級特高堆石壩監(jiān)測儀器的適應性問題，壩體監(jiān)測廊道提供了一種新途徑。

(2)堆石壩內(nèi)心墻監(jiān)測廊道設計需重點解決好三方面的關鍵技術問題：①剛性廊道與心墻、廊道與岸坡之間的變形適應性及應力安全問題；②廊道周邊的防滲抗?jié)B問題，不致形成滲流薄弱面；③接縫止水結構的可靠性及耐久性問題。

(3)基于非連續(xù)接觸算法的廊道三維精細化有限元模擬方法，為合理評價廊道結構的安全性，把握研究方向，提供了重要參考。

(4)鑒于目前國內(nèi)外監(jiān)測廊道的經(jīng)驗不多，在廊道斷面優(yōu)化、科學的廊道塊體分縫措施、接縫止水系統(tǒng)的可靠性及耐久性等方面，今后有待進一步深入研究。