菲古壩頂溢流面板堆石壩運(yùn)行期變形特性分析

趙澤錦，周 斌，龍 建，習(xí)利華,湛 杰

(1.文山州白牛廠(chǎng)水務(wù)開(kāi)發(fā)有限公司，云南 文山 663099；2.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

面板堆石壩在當(dāng)今水壩中的比重日益增大，特別在高壩領(lǐng)域數(shù)量較多，具有施工快、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)[1-3]。而溢流面板堆石壩更因其顯著的獨(dú)特性而逐漸受到工程界的重視，溢流面板壩避免了在地形復(fù)雜區(qū)域修建溢洪道，節(jié)省了投資，同時(shí)避免了開(kāi)挖棄渣，減小了對(duì)自然環(huán)境的影響[4]。但壩頂溢流同樣具有極高的風(fēng)險(xiǎn)，正確認(rèn)識(shí)該類(lèi)型壩體的變形特性將有助于類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)與施工，具有重大的工程價(jià)值。

混凝土面板壩其安全性深受壩工界青睞，較少出現(xiàn)壩身整體失穩(wěn)現(xiàn)象[5-6]，變形破壞問(wèn)題主要集中在混凝土面板和趾板上[7-9]，但壩頂溢流面板壩一般壩高較矮，面板變形問(wèn)題并不突出，其壩頂溢洪道的安全可靠性是更為關(guān)注的主要問(wèn)題。與建造在岸坡的溢洪道相比，壩頂溢流最不利的影響因素是堆石體作為基礎(chǔ)具有沉降變形的顯著特點(diǎn)[10]。合理控制堆石體變形是壩頂溢流方案成立的關(guān)鍵問(wèn)題，主要采取的措施主要是提高溢洪道壩段的壩體變形模量，選用合適的筑壩材料、提高填筑標(biāo)準(zhǔn)等手段[11-12]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于壩頂溢流面板壩的運(yùn)行期變形特性缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的研究與總結(jié)，特別是壩頂溢洪道的沉降與變形[13-14]，泄洪時(shí)高速水流作用在溢洪道泄槽邊墻與底板上，若溢洪道各泄槽段發(fā)生較大的不均勻沉降，一旦發(fā)生破壞后果極其嚴(yán)重[15]。因此，在設(shè)計(jì)與施工時(shí)應(yīng)高度控制壩體與溢洪道的沉降與變形。

本文以監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，采用時(shí)空序列類(lèi)比、相關(guān)性分析等手段，對(duì)云南省白牛廠(chǎng)菲古水庫(kù)壩頂溢流面板壩的壩體和溢洪道變形特性進(jìn)行分析研究，著重分析影響變形的控制因素，最后對(duì)大壩和溢洪道的安全性態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 工程概況

菲古水庫(kù)最大壩高51.5 m，壩頂寬度6 m，壩頂總長(zhǎng)230 m。壩頂溢洪道最大下泄流量94.7 m3/s，凈寬8 m，堰頂高程1 696 m。

溢洪道控制段及泄槽的1 668 m高程以上部分建在壩身之上，泄槽1 668 m高程以下大部分建在基巖上。溢洪道泄槽壩段填筑料采用主堆石料參雜部分埋石混凝土，泄槽底板下分別鋪墊厚1.0 m的墊層區(qū)和1.5 m的過(guò)渡區(qū)。泄槽為矩形斷面，底坡為1.0∶1.5，導(dǎo)水邊墻厚1.0 m，水平全長(zhǎng)63.3 m，為混凝土矩形槽結(jié)構(gòu)；泄槽底板采用厚度1.0 m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置主要遵行了以下原則[16]。

a)目的明確，針對(duì)性強(qiáng)。布設(shè)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要目的是掌握壩體和壩頂溢洪道的相對(duì)位移，了解整體變形的時(shí)空分布規(guī)律，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置和測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)圍繞監(jiān)測(cè)大壩變形安全為主。

b)系統(tǒng)布置，重點(diǎn)突出。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目應(yīng)空間布局合理，同時(shí)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位，對(duì)關(guān)鍵部位應(yīng)集中優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)反應(yīng)，做到既能全面反映工程的運(yùn)行狀態(tài)，又能突出重點(diǎn)，做到少而精。

c)方法簡(jiǎn)潔，易于巡查。觀(guān)測(cè)項(xiàng)目安裝應(yīng)盡量簡(jiǎn)單可靠，易于保證質(zhì)量，減少對(duì)主體工程施工影響，同時(shí)應(yīng)做到監(jiān)測(cè)儀器布置與巡視檢查相結(jié)合。保證在惡劣條件下，仍能進(jìn)行必要項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)。

2.2 主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及布置

為考察大壩的變形情況，在壩頂布置了8個(gè)變形觀(guān)測(cè)水準(zhǔn)墩；為了測(cè)量溢洪道邊墻橫向錯(cuò)動(dòng)，布置了6個(gè)測(cè)縫計(jì)，并在溢洪道底板布置2個(gè)位錯(cuò)計(jì)。溢洪道壩段位錯(cuò)計(jì)和測(cè)縫計(jì)布置見(jiàn)圖1，各檢測(cè)儀器布置參數(shù)見(jiàn)表1。

菲古水庫(kù)混凝土面板堆石壩于2019年12月完成大壩填筑，本次研究范圍為大壩蓄水后運(yùn)行期變形特性分析，因此相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自2020年10月下旬始。

圖1 壩頂溢洪道位錯(cuò)計(jì)和測(cè)縫計(jì)布置示意(cm)

表1 測(cè)量?jī)x器布置參數(shù)

3 成果分析

3.1 壩體

大壩壩頂?shù)捻樅酉蛩阶冃魏拓Q直變形見(jiàn)圖2、3，監(jiān)測(cè)成果均為大壩填筑完畢蓄水后運(yùn)行期變形值。順河向水平變形以指向下游為正，垂直變形以豎直向下為正。

由圖2可以看出，蓄水后分析時(shí)段內(nèi)沉降最大值約為14.2 mm，最大沉降測(cè)點(diǎn)TP5位于大壩填筑高度最高壩段附近；夏季測(cè)得壩頂沉降最小值約為3.4 mm，最小沉降測(cè)點(diǎn)TP3位于壩頂溢洪道堰頂，由于壩頂溢厚道下方壩體填筑料為主堆石料與水泥混合埋石混凝土，因此變形量較小。

由圖3可以看出，順河向水平變形最大值約21.2 mm，最大變形測(cè)點(diǎn)TP6位于河床中心附近。水平變形值略大于沉降值，大壩中部河床段沉降量大于岸坡壩段，為不規(guī)則“U”形分布，基本呈現(xiàn)中間大兩頭小的規(guī)律，溢洪道附近壩段略小于河床壩段位移。

圖2 壩頂沉降測(cè)值分布

圖3 壩頂順河向水平變形測(cè)值分布

其中測(cè)點(diǎn)TP3位于壩頂溢洪道，測(cè)點(diǎn)TP6位于大壩最高斷面壩頂處，關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)TP3和TP6監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與環(huán)境變量的監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)圖4。由圖中可以看出，隨著庫(kù)水位的上升，順河向位移和沉降均逐漸增大，隨著庫(kù)水位的回落，變形也逐漸縮小。大壩變形與庫(kù)水位呈正相關(guān)，而氣溫、水溫均和大壩變形相關(guān)性不大。

a)順河向水平位移與庫(kù)水位測(cè)值

b)順河向水平位移與氣溫、水溫測(cè)值

c)垂直位移與庫(kù)水位測(cè)值

d)垂直位移與氣溫、水溫測(cè)值

為了找出影響壩體變形的關(guān)鍵因素，將測(cè)點(diǎn)TP3(溢洪道壩段)和測(cè)點(diǎn)TP6(最高壩段)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與上游庫(kù)水位、氣溫(測(cè)點(diǎn)高程1 687 m)和上游水溫(測(cè)點(diǎn)高程1 673 m)進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于測(cè)點(diǎn)TP6：氣溫對(duì)壩頂水平變形和沉降量的影響最大，與水平變形相關(guān)系數(shù)R1為0.72，與沉降量相關(guān)系數(shù)R2為0.83；其次為庫(kù)水位，與水平變形相關(guān)系數(shù)R1為0.72，與沉降量相關(guān)系數(shù)R2為0.62；水溫相關(guān)性最低，與水平變形相關(guān)系數(shù)R1為0.42，與沉降量相關(guān)系數(shù)R2為0.61。說(shuō)明大壩變形與水溫關(guān)系不大，但受到庫(kù)水位和氣溫的影響。

對(duì)于測(cè)點(diǎn)TP3，庫(kù)水位對(duì)壩頂水平變形和沉降量的影響最大，與水平變形相關(guān)系數(shù)R1為0.69，與沉降量相關(guān)系數(shù)R2為0.64；其次為氣溫，與水平變形相關(guān)系數(shù)R1為0.62，與沉降量相關(guān)系數(shù)R2為0.73；水溫相關(guān)性最低，與水平變形相關(guān)系數(shù)R1為0.30，與沉降量相關(guān)系數(shù)R2為0.61，說(shuō)明溢洪道壩段變形與水溫關(guān)系不大，但收到庫(kù)水位影響和氣溫影響。

比較測(cè)點(diǎn)TP6和TP3可知，測(cè)點(diǎn)TP6的壩頂水平變形與沉降量對(duì)外界環(huán)境因素更為敏感，容易受到環(huán)境變量的影響。而測(cè)點(diǎn)TP3壩段壩高較矮，壩高僅24 m，填筑材料為主堆石料參雜埋石混凝土，自身變形小，受環(huán)境變量的影響較少。

a)順河向水平位移與庫(kù)水位

b)順河向水平位移與氣溫

c)順河向水平位移與水溫

d)垂直位移與庫(kù)水位

e)垂直位移與氣溫

f)垂直位移與水溫

3.2 溢洪道

壩頂溢洪道底板各泄槽段錯(cuò)動(dòng)情況和泄槽邊墻錯(cuò)動(dòng)情況見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，泄槽底板和邊墻最大錯(cuò)動(dòng)量不超過(guò)0.2 mm。位錯(cuò)量與測(cè)點(diǎn)溫度呈明顯的相關(guān)性，測(cè)點(diǎn)溫度高則錯(cuò)動(dòng)量大，溫度低側(cè)錯(cuò)動(dòng)量小。為了評(píng)估溫度對(duì)溢洪道相鄰泄槽段錯(cuò)動(dòng)變形的影響程度，將測(cè)點(diǎn)IF1(1號(hào)泄槽與2號(hào)泄槽底板連接處)、測(cè)點(diǎn)IF2(2號(hào)泄槽與3號(hào)泄槽底板連接處)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及測(cè)點(diǎn)JY4(1號(hào)泄槽與2號(hào)泄槽邊墻連接處)、測(cè)點(diǎn)JY5(2號(hào)泄槽與3號(hào)泄槽邊墻連接處)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與各自測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖7。

a)泄槽底板位錯(cuò)值與測(cè)點(diǎn)溫度

b)泄槽邊墻位錯(cuò)值與測(cè)點(diǎn)溫度

a)泄槽底板位錯(cuò)值與測(cè)點(diǎn)溫度

b)泄槽邊墻位錯(cuò)值與測(cè)點(diǎn)溫度

由圖7可以看出，相鄰泄槽底板和邊墻的錯(cuò)動(dòng)量與溫度呈高度相關(guān)性，其中泄槽底板與溫度相關(guān)系數(shù)R1為0.80，泄槽邊墻與溫度R2為0.92。且錯(cuò)動(dòng)量均小于0.3 mm，錯(cuò)動(dòng)量可隨溫度的變化增大或減小，說(shuō)明相鄰泄槽的錯(cuò)動(dòng)量基本上是混凝土結(jié)構(gòu)熱脹冷縮引起的，并非由于壩體的沉降等其他原因。為評(píng)估本工程泄槽的安全風(fēng)險(xiǎn)，按照式(1)可估算溫度變形ST[17]：

ST=Hε=HαΔT

(1)

式中H——混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度；ε——溫度應(yīng)變；α——線(xiàn)膨脹系數(shù)；ΔT——溫度變化量。

混凝土線(xiàn)膨脹系數(shù)取5×10-6/℃，溫度變化為20℃，泄槽寬8 m可計(jì)算出溫度變形為0.8 mm，即相鄰泄槽錯(cuò)動(dòng)量理論最大值可為1.6 mm，實(shí)測(cè)值僅為0.3 mm，說(shuō)明泄槽雖然受到溫度影響，但相鄰泄槽變形協(xié)調(diào)，錯(cuò)動(dòng)量較小，泄槽處于較安全狀態(tài)。監(jiān)測(cè)表明，菲古壩溢洪道壩段采用主堆石料混雜少量埋石混凝土的做法，不僅減少了大壩運(yùn)行期溢洪道沉降，使得沉降量與周邊相鄰壩體基本保持一致，而且溢洪道變形協(xié)調(diào)，各泄槽段未出現(xiàn)顯著不均勻沉降，說(shuō)明該法是行之有效的。

4 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、時(shí)空分布分析等手段相結(jié)合的方法，對(duì)菲古水庫(kù)壩頂溢流面板壩運(yùn)行期的壩體和壩頂溢洪道泄槽變形特性進(jìn)行了深入分析，主要結(jié)論如下。

a)大壩壩頂水平變形和沉降量均小于安全警戒值，水平變形值略大于沉降值，大壩中部河床段沉降量大于岸坡壩段，為不規(guī)則“U”形分布，基本呈現(xiàn)中間大兩頭小的規(guī)律，溢洪道附近壩段略小于河床壩段位移。

b)大壩和溢洪道變形與水溫關(guān)系不大，但受庫(kù)水位和氣溫的影響。相比采用主堆石料參雜埋石混凝土的溢洪道壩段，采用主堆石料的最大壩高壩段變形對(duì)外界環(huán)境因素更為敏感，更容易受到環(huán)境變量的影響。

c)溢洪道泄槽邊墻與底板錯(cuò)動(dòng)量對(duì)溫度十分敏感，錯(cuò)動(dòng)量基本上是混凝土結(jié)構(gòu)熱脹冷縮引起的，并非由于壩體的沉降等其他原因。相鄰泄槽變形協(xié)調(diào)，錯(cuò)動(dòng)量小，處于較安全狀態(tài)。

d)采用主堆石料混雜少量埋石混凝土的做法，可以減少大壩運(yùn)行期壩頂溢洪道的沉降，并使溢洪道內(nèi)部變形保持協(xié)調(diào)，減少不均勻沉降。