江坪河水電站面板堆石壩蓄水初期變形性態(tài)

李躍鵬，趙元憶，殷彥高，謝新宇

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

江坪河水電站面板堆石壩最大壩高219.0 m，填筑過(guò)程中受參建單位更換影響，出現(xiàn)過(guò)數(shù)次停工情況，其填筑過(guò)程有別于一般連續(xù)填筑的面板堆石壩。目前江坪河水電站已順利下閘蓄水，有必要對(duì)江坪河面板堆石壩的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行梳理，總結(jié)大壩及面板在填筑過(guò)程中的特性，以供對(duì)照參考。

1 工程概況

江坪河混凝土面板堆石壩壩頂高程476.0 m，壩頂寬10.0 m，壩頂長(zhǎng)度415.0 m，最大壩高219.0 m，建基面最低高程257.0 m。大壩上游坡比為1∶1.4，下游綜合坡比為1∶1.4，局部坡比1∶1.36。大壩自上游至下游依次為蓋重區(qū)1B、上游鋪蓋區(qū)1A、石粉1AⅠ、趾板、面板、墊層區(qū)2A、特殊墊層區(qū)2B、過(guò)渡區(qū)3A、堆石區(qū)3B、干砌石護(hù)坡、下游面板、下游壓重區(qū)。大壩防滲體系主要由混凝土趾板、混凝土面板、面板接縫止水、趾板下灌漿帷幕和兩岸壩肩灌漿帷幕組成。

大壩于2010年8月開(kāi)始填筑，至2011年10月全斷面填筑至375.0 m高程，后因故停工。2015年11月大壩復(fù)工，至2016年10月全斷面填筑至390.0 m高程，期間完成一期混凝土面板澆筑，之后暫停施工。2017年6月開(kāi)始恢復(fù)大壩填筑，2018年8月填筑至463.4 m高程之后停止大壩填筑。2018年11月至2019年4月澆筑二期面板。2019年5月大壩主體恢復(fù)填筑，至2019年6月填筑至防浪墻底部472.0 m高程，完成全部大壩主體填筑。2019年10月至2020年1月澆筑三期面板。

2 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)斷面選取

根據(jù)江坪河水電站面板堆石壩的變形特點(diǎn)，壩址區(qū)地形地質(zhì)條件、大壩高度和長(zhǎng)度等因素，結(jié)合三維有限元計(jì)算分析成果，選取大壩重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，主要監(jiān)測(cè)斷面1-1(壩L0+010.000)位于最大壩高處，輔助監(jiān)測(cè)斷面2-2(壩L0+060.000)、3-3(壩R0+050.000)位于兩岸岸坡地形突變處。

2.2 壩體表面變形監(jiān)測(cè)

表面變形測(cè)點(diǎn)為水平位移與垂直位移共用測(cè)點(diǎn)，布置于壩頂與壩后坡。

壩頂表面變形測(cè)點(diǎn)在壩頂上下游結(jié)合3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面以約50 m為間距布設(shè)，共計(jì)14個(gè)測(cè)點(diǎn)。

壩后坡表面變形測(cè)點(diǎn)分布在1-1～3-3監(jiān)測(cè)斷面上，對(duì)應(yīng)各高程水管式沉降儀觀測(cè)屏布置，兼顧提供壩體內(nèi)部位移觀測(cè)絕對(duì)基準(zhǔn)，此外，在2-2、3-3監(jiān)測(cè)斷面下部高程340.0 m馬道各設(shè)1測(cè)點(diǎn)，共計(jì)13個(gè)測(cè)點(diǎn)。

壩后坡測(cè)點(diǎn)同壩頂測(cè)點(diǎn)組合構(gòu)成3個(gè)完整表面位移監(jiān)測(cè)斷面。

圖1 最大壩高斷面水管式沉降儀測(cè)點(diǎn)布置示意

2.3 壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)

大壩內(nèi)部沉降監(jiān)測(cè)采用水管式沉降儀觀測(cè)系統(tǒng)，其測(cè)點(diǎn)和測(cè)線沿垂直壩軸線水平分層布置。根據(jù)面板堆石壩的變形特點(diǎn)，在主要監(jiān)測(cè)斷面(1-1)分5層布置(詳見(jiàn)圖1)；輔助監(jiān)測(cè)斷面(2-2)共布置3層，高程374.0 m布置 5個(gè)測(cè)點(diǎn)，高程406.0 m布置 6個(gè)測(cè)點(diǎn)，高程438.0 m布置 4個(gè)測(cè)點(diǎn)；輔助監(jiān)測(cè)斷面(3-3)共布置3層，高程374.0 m布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，高程406.0 m布置 6個(gè)測(cè)點(diǎn)，高程438.0 m布置 4個(gè)測(cè)點(diǎn)，相同高程輔助監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)分布與主要監(jiān)測(cè)斷面一一對(duì)應(yīng)。每層測(cè)點(diǎn)的下游壩坡處設(shè)置觀測(cè)房，最靠上游測(cè)點(diǎn)位于面板下方混凝土墊層料內(nèi)，其余位于堆石區(qū)內(nèi)。

垂直壩軸線方向的水平位移觀測(cè)，采用引張線式水平位移計(jì)進(jìn)行，除2-2監(jiān)測(cè)斷面根據(jù)地形布置二層外，其余測(cè)點(diǎn)和測(cè)線的布置與壩體堆石區(qū)內(nèi)的沉降測(cè)點(diǎn)和測(cè)線一一對(duì)應(yīng)，共計(jì)布置10條水平測(cè)線，58個(gè)測(cè)點(diǎn)，并且與之同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)房與水管式沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)合用。

為了監(jiān)測(cè)左、右岸坡突變處大壩填筑料沿壩軸線方向產(chǎn)生的側(cè)向位移，分別沿壩軸線壩0+000.00 m及壩0- 060.00 m處布置土位移計(jì)組，在左、右岸坡各布置2～4組，共計(jì)10組，每組3支位移傳感器。

2.4 混凝土面板工作性態(tài)監(jiān)測(cè)

根據(jù)混凝土面板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及地質(zhì)地形條件，選擇受拉、受壓不同應(yīng)力區(qū)及不同長(zhǎng)度部位的混凝土面板為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象，并結(jié)合監(jiān)測(cè)斷面布置測(cè)點(diǎn)。

混凝土面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)包括面板鋼筋混凝土的應(yīng)力應(yīng)變和鋼筋應(yīng)力等。 混凝土的應(yīng)力應(yīng)變采用應(yīng)變計(jì)組配合無(wú)應(yīng)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，鋼筋應(yīng)力采用鋼筋計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要布置在最大壩高及壩肩處等可能產(chǎn)生較大應(yīng)力的混凝土面板上，分4～6層進(jìn)行布置。

混凝土面板周邊縫附近的壩料填筑與壩基巖面的接合處是碾壓施工的最薄弱部位，易于變形引起滲漏，也是大壩監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。為監(jiān)測(cè)面板上周邊縫的張開(kāi)、錯(cuò)動(dòng)和垂直于面板的沉降，沿左、右岸周邊縫設(shè)置三向測(cè)縫計(jì)，共計(jì)13組。另外，考慮河谷基本對(duì)稱，河床中部周邊縫錯(cuò)動(dòng)位移不大，在該處設(shè)1組二向測(cè)縫計(jì)。

根據(jù)混凝土面板兩岸的布置和已有資料，分別在兩岸寬、窄面板之間的伸縮縫上沿不同的高程布置單向測(cè)縫計(jì)，并在高程438.0 m兩岸(窄面板區(qū))的伸縮縫上分別布置2～3支測(cè)縫計(jì)，用以監(jiān)測(cè)兩岸面板伸縮縫的張拉與擠壓變形。

為了解河床部分面板之間的擠壓和剪切變形狀態(tài)，分別在河床中部及河床兩岸陡坡區(qū)的最長(zhǎng)混凝土面板之間沿不同高程布置單向測(cè)縫計(jì)，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

為全面清晰地掌握大壩混凝土面板撓曲變形的特點(diǎn)和規(guī)律，在1-1、2-2和3-3監(jiān)測(cè)斷面面板表面安裝固定式傾角計(jì)，共計(jì)31套(其中1-1監(jiān)測(cè)斷面13套、2-2監(jiān)測(cè)斷面10套、3-3監(jiān)測(cè)斷面8套)。

3 壩體沉降監(jiān)測(cè)資料分析

3.1 310.0 m高程的沉降變形

310.0 m高程各水管式沉降儀測(cè)點(diǎn)從2011年4月10日開(kāi)始觀測(cè)，此時(shí)大壩上游側(cè)已填筑至375.0 m高程。

各測(cè)點(diǎn)復(fù)工前的沉降在13～792 mm之間，最大沉降值為已填筑壩高的0.67%；蓄水前的沉降量在102～875 mm之間，最大沉降值為已填筑壩高的0.42%。縱向樁號(hào)“壩0+103.3”處的SG1a-10測(cè)點(diǎn)沉降最大，該測(cè)點(diǎn)位于壩體下游中部。

從SG1a-10測(cè)點(diǎn)的總沉降量組成來(lái)看，在停工后10個(gè)月內(nèi)該測(cè)點(diǎn)的沉降量為685.9 mm，是當(dāng)時(shí)已填筑壩高的0.58%，已占蓄水前總沉降量的80%。由此可見(jiàn)，該測(cè)點(diǎn)沉降量的絕大部分已經(jīng)在停工后10個(gè)月內(nèi)形成。類似地， 310.0 m高程各測(cè)點(diǎn)沉降量絕大部分均在2015年11月復(fù)工前形成，復(fù)工后到蓄水前各測(cè)點(diǎn)沉降量增加值在65～90 mm，呈均勻沉降特征，月平均沉降量1.8～2.6 mm。這說(shuō)明310.0 m高程以下填筑體經(jīng)長(zhǎng)期停工自然沉降后，其變形性能較均勻。

3.2 342.0 m高程的沉降變形

342 m高程各水管式沉降儀測(cè)點(diǎn)從2011年11月16日開(kāi)始觀測(cè)，此時(shí)項(xiàng)目已停工，除壩后局部，大壩已全斷面填筑至375 m高程。

各測(cè)點(diǎn)復(fù)工前的沉降在191～667 mm之間，最大沉降值為已填筑壩高的0.57%；蓄水前的沉降量在315～790 mm之間，最大沉降值為已填筑壩高的0.38%。縱向樁號(hào)“壩0- 038.7”處的SG1b-5測(cè)點(diǎn)沉降最大，該測(cè)點(diǎn)位于壩軸線偏上游處。

從復(fù)工前和蓄水前沉降量比較分析可知，復(fù)工前沉降量占目前總沉降量的61%～85%。即，342.0 m高程各測(cè)點(diǎn)沉降量大部分均在復(fù)工前形成，復(fù)工后各測(cè)點(diǎn)沉降量增加值在101～135 mm，呈均勻沉降特征，月平均沉降量在2.8～3.8 mm。這說(shuō)明342.0 m高程以下填筑體經(jīng)長(zhǎng)期停工自然沉降后，其變形性能較均勻。

3.3 374.0 m高程的沉降變形

高程374.0 m各水管式沉降儀測(cè)點(diǎn)是在壩體自然沉降超過(guò)4年后取得基準(zhǔn)值進(jìn)行的觀測(cè)，停工期間的自然沉降量缺失，首次觀測(cè)時(shí)間為2017年7月20日。

沉降主要隨壩頂填筑高程的上升而增大，蓄水前實(shí)測(cè)沉降在101～298 mm之間，各測(cè)點(diǎn)平均沉降為206 mm。樁號(hào)“壩0+001.2”處的SG3a-5測(cè)點(diǎn)沉降最大，該測(cè)點(diǎn)位于壩體中部。

大壩填筑復(fù)工時(shí)，由于375.0 m高程以下壩體沉降絕大部分已經(jīng)完成，對(duì)于375.0 m高程以上的壩體，相當(dāng)于以375.0 m高程為基礎(chǔ)填筑的。就壩體沉降變形而言，相當(dāng)于老壩加高，其沉降分布特點(diǎn)不同于連續(xù)填筑的面板堆石壩。由于停工期間的自然沉降未疊加于上部壩體填筑的沉降量；因此，停工將造成375.0 m高程以上壩體沉降小于連續(xù)填筑的堆石壩沉降。

3.4 406.0 m高程的沉降變形

406.0 m高程各水管式沉降儀測(cè)點(diǎn)從2018年3月開(kāi)始觀測(cè)。蓄水前， 各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沉降在70～568 mm之間，樁號(hào)“壩0- 089.5”處的SG1d-1測(cè)點(diǎn)沉降最大，該測(cè)點(diǎn)偏向上游。

3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)月沉降量總體呈減小趨勢(shì)，蓄水前406.0 m高程各測(cè)點(diǎn)的平均月沉降約3 mm。壩中各測(cè)點(diǎn)累積沉降量及沉降速率均大于壩左、壩右相應(yīng)測(cè)點(diǎn)。

從二期面板開(kāi)始澆筑以來(lái)至蓄水前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，左、右岸墊層附近的測(cè)點(diǎn)(SG2b-1、SG3b-1)沉降增量分別為12 、7 mm，折合到1個(gè)月的沉降量已不足2 mm，中部墊層測(cè)點(diǎn)(SG1d-1)沉降增量為18 mm，折合到1個(gè)月的沉降量小于3 mm。

3.5 438.0 m高程的沉降變形

438.0 m高程各水管式沉降儀測(cè)點(diǎn)從2018年6月開(kāi)始觀測(cè)。蓄水前，高程438.0 m各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沉降在70～278 mm之間，樁號(hào)“壩0+001.2”處的SG3c-3測(cè)點(diǎn)沉降最大，該測(cè)點(diǎn)位于壩體中部。

3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)沉降速率呈逐月減小趨勢(shì)，蓄水前高程438.0 m各測(cè)點(diǎn)的平均月沉降約4 mm。

4 面板變形與應(yīng)力監(jiān)測(cè)資料分析

4.1 豎縫變形

蓄水前，實(shí)測(cè)面板豎縫變形主要顯示為張開(kāi)，大小與溫度負(fù)相關(guān)。各豎縫變形測(cè)點(diǎn)最大張開(kāi)變形為4.52 mm，最大壓縮變形為0.65 mm,面板豎縫變形處于正常狀態(tài)。

4.2 撓變形

通過(guò)比較上游鋪蓋填筑前、后安裝于最大壩高斷面面板傾角計(jì)的測(cè)值變化，進(jìn)而換算出面板的撓度增量，以了解上游鋪蓋加載過(guò)程對(duì)面板變形的影響。上游鋪蓋填筑前、后面板撓度增量分布情況見(jiàn)圖2。

圖2 最大壩高斷面面板撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

由圖2可知，鋪蓋填筑后，在290.0 m高程附近的面板出現(xiàn)明顯的下凹變形分布，最大撓度增量為15.95 mm；二期面板以下范圍內(nèi)從350.0 m高程附近開(kāi)始，面板呈現(xiàn)上凸變形分布，最大撓度增量為6.19 mm，變形分布符合一般變形規(guī)律。

4.3 鋼筋應(yīng)力

實(shí)測(cè)面板鋼筋應(yīng)力基本顯示為受拉，受拉應(yīng)力大小與溫度負(fù)相關(guān)。鋼筋受壓極值55.1 MPa，位于左1塊面板310.0 m高程的底層鋼筋處，出現(xiàn)在2018年8月19日；受拉極值65.1 MPa，位于右4塊面板342.0 m高程的表層鋼筋處，出現(xiàn)在2016年12月27日。

5 結(jié) 語(yǔ)

就壩體沉降變形而言，本工程相當(dāng)于老壩加高，其沉降分布特點(diǎn)不同于連續(xù)填筑的面板堆石壩，最大沉降量小于類似工程，沉降過(guò)程中存在的局部不均勻沉降現(xiàn)象蓄水前已經(jīng)消除。

至蓄水前，一、二期面板鋼筋處于正常受力狀態(tài)，應(yīng)力測(cè)值與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。一、二期面板豎縫變形亦處于正常狀態(tài)。

上游鋪蓋填筑期間，一、二期面板撓度增量表現(xiàn)為在290.0 m高程附近下凹，從350.0 m高程附近開(kāi)始呈現(xiàn)上凸的變形分布，與竣工期面板撓度計(jì)算值的分布基本相同。

綜上所述，大壩填筑期間的停工過(guò)程對(duì)壩體變形控制是有利的。