國外某大型水庫土壩表面變形分析

姜麗君

（浦江縣水務局浦陽江流域中心,浙江 浦江 322200）

1 研究背景

國外某大（Ⅱ）型水庫是一座以灌溉為主,結合防洪、發電和改善水環境等綜合利用的水利工程。本工程主要建筑物包括攔河壩、發電引水系統和電站等。攔河壩為混合壩,總長3325.7 m,由左岸均質土壩、混凝土面板堆石壩、混凝土重力壩、以及右岸均質土壩組成。

本工程于2016 年12 月底下閘封孔蓄水,經過4 年運行,現場管理人員發現土壩沉降較大,壩頂表面出現一些裂縫。本文根據大壩土壩段沉降觀測數據,對土壩段沉降變形進行分析,以評估大壩的運行安全性。

2 土壩表面變形監測布置

設計規范[1]所定義的土壩總沉降量為壩體和壩基的沉降量之和。理論計算將壩體及壩基分為若干層,分層計算壩體及壩基的沉降量,然后采用分層總和法,得出壩體及壩基的總沉降量。由于理論計算方法的邊界條件存在諸多假定及簡化,受計算條件、參數限制,與土壩實際監測沉降變形存在較大差異,因此需要在土壩表面設置觀測設施進行監測。根據規范[2]要求,壩體表面變形監測內容包括壩面的垂直位移和水平位移,表面垂直位移及水平位移監測宜共用一個測墩。表面變形監測點宜斷面形式布置,斷面分為垂直壩軸線方向的監測橫斷面和平行壩軸線方向的監測縱斷面。

表面變形觀測點考證表見表1。

表1 表面變形觀測點考證表

續表1

3 土壩沉降變形分析

3.1 觀測點布置及觀測方法

本工程土石壩變形觀測包括表面沉降觀測和表面水平位移觀測,觀測橫斷面為樁號D1+595.00 m、D1+950.00 m、D2+180.00 m、D2+670.00 m、D2+870.00 m。左岸土壩測點編號為LD1～LD9,右岸土壩測點編號為LD22～LD26。采用水準測量進行變形觀測。

3.2 垂直位移分析

根據竣工后沉降變形觀測結果,沉降變形觀測點統計結果見表2,各測點沉降變化過程線見圖1～圖6,各測點年內平均沉降速率過程線見圖7～圖10。

圖10 右岸土石壩各測點平均沉降速率過程線2

表2 大壩沉降特征值統計表 單位：mm

圖1 左岸土壩段DL0-007.600各測點沉降變化過程線

圖2 左岸土壩段DL0+003.600各測點沉降變化過程線

圖3 左岸土壩段DL0+020.575各測點沉降變化過程線

圖4 右岸土壩段DL0-007.600各測點沉降變化過程線

圖5 右岸土壩段DL0+003.600各測點沉降變化過程線

圖6 右岸土壩段DL0+040.575各測點沉降變化過程線

圖7 左岸土石壩各測點平均沉降速率過程線1

綜上所述,大壩累計沉降量在允許沉降范圍內,各測點的累計沉降量雖在增加,但變化幅度減小,且沉降速率逐步放緩。大壩沉降有趨于穩定的趨勢。

3.3 水平位移分析

根據竣工后水平位移觀測結果,大壩各測點水平位移特征值統計表見表3,各測點水平位移變化過程線見圖11～圖16。

圖8 左岸土石壩各測點平均沉降速率過程線2

圖9 右岸土石壩各測點平均沉降速率過程線1

圖11 左岸土壩段DL0-007.600 m各測點水平位移變化過程線

表3 大壩水平位移特征值統計 單位：mm

由以上圖表可知：

1）從過程線來看,2017 年蓄水初期到2018 年,各測點沉降速率較大,尤其是蓄水初期沉降速率較快,符合大壩蓄水初期沉降變形較快的特點。2019 年至今,壩體沉降仍在增加,但沉降增長速率逐漸放緩。

2）從累計沉降量看,至2021 年3 月,最大沉降發生在左岸土壩段D2+180.00 m斷面的LD7 測點,其值為348 mm,占壩高的0.93%；該斷面位壩高相對較高,累計沉降量相對較大。右岸土壩段最大累計沉降量為261 mm,出現在D2+670.00 m斷面的LD22 測點,占壩高的0.88%。根據規范[1]要求,竣工后的壩頂沉降量不宜大于壩高的1%,因此,本工程竣工后壩頂沉降量均在允許范圍以內。

3）從各測點平均沉降速率來看,左、右岸土壩段各測點2017 年～2018 年沉降速率較大,2019 年至今沉降速率較往年減少,沉降有收斂的趨勢。

4）從大壩測線沉降分布規律來看,壩頂測點沉降量最大,下游壩坡測點沉降量次之,下游馬道測點沉降量最小。壩體沉降量與壩高呈明顯正相關關系,變形特點符合大壩沉降變化的一般規律。

5）結合現場檢查情況來看,左岸土壩段壩頂瀝青混凝土路面局部出現裂縫,裂縫為表面裂縫,裂縫延伸深度未貫穿水穩層（路面由表面為5 cm瀝青混凝土,下部厚度20 cm水穩層組成）。裂縫產生原因為土壩存在一定的沉降,需要多年后趨于穩定,而壩頂水穩層為剛性結構,受局部不均勻沉降引起壩頂表面裂縫。目前,壩頂表面裂縫對大壩安全運行無影響。

圖12 左岸土壩段DL0+003.600 m各測點水平位移變化過程線

圖13 左岸土壩段DL0+020.575 m各測點水平位移變化過程線布

圖14 右岸土壩段DL0-007.600 m各測點水平位移變化過程線

圖15 右岸土壩段DL0+003.600 m各測點水平位移變化過程線

圖16 右岸土壩段DL0+040.575 m各測點水平位移變化過程線

由以上圖表可知：

1）左岸土壩段

從過程線來看,2017 年蓄水初期到2018 年,各測點水平位移增長速率較大,尤其是DL0-008.00 m斷面；2019 年至今,水平位移增長速率逐漸放緩。各測點水平位移向上游最大值為124 mm,出現在LD7 測點,發生在2021年3月1日；向下游最大值為54 mm,出現在LD9 測點,發生在2021年3月1日。

2）右岸土石壩段

從過程線來看,2017 年蓄水初期到2018 年各測點水平位移變化過程線在一定范圍內波動,2019 年至今,LD25 和LD26測點水平位移有增長的趨勢。各測點水平位移向上游最大值為23 mm,出現在LD23 測點,發生在2018年8月27日；向下游最大值為61 mm,出現在LD24 測點,發生在2019 年5 月7日。

綜上所述,壩體水平位移雖仍在增加,但增長速率逐步放緩。大壩水平位移處于正常狀態。

4 結論

1）大壩累計沉降值在允許沉降范圍內,各測點的累計沉降量雖在增加,但變化幅度減小,且沉降速率逐步放緩；土壩段的不均勻沉降產生的主要原因為壩段高度變化差異較大。目前,大壩沉降有趨于穩定的趨勢。

2）壩體水平位移雖仍在增加,但增長速率逐步放緩,大壩水平位移處于正常狀態。

3）壩頂裂縫為表面裂縫,產生原因為土石壩存在一定的沉降,需要多年后趨于穩定,而壩頂水穩層為剛性結構,受局部不均勻沉降引起壩頂表面裂縫。目前,壩頂表面裂縫對大壩安全運行無影響。