魁龍水庫大壩采用礫巖料筑壩的應力變形研究與監測成果分析

蔡 平

（遵義市水利水電勘測設計研究院有限責任公司,貴州 遵義 563000）

1 工程概況

魁龍水庫工程位于貴州省余慶縣境內,工程開發任務是向余慶縣城城市規劃區和白泥工業園區供水,設計年供水量1170 萬m3/a,水庫正常蓄水位630 m,總庫容1152 萬m3,水庫樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、右岸豎井旋流式泄洪洞和取水兼放空隧洞等建筑物組成,屬中型Ⅲ等水利工程。大壩于2013年11 月開始填筑,2019年12 月竣工。

水庫擋水建筑物為混凝土面板堆石壩,壩頂高程633.5 m,最大壩高56 m,壩頂長191 m,壩頂寬7 m,上游壩坡1∶1.4,下游壩坡1∶1.4、1∶1.5。壩體由混凝土面板、墊層、過渡層、豎向排水區和水平排水區、堆石區組成。

通過礫巖料筑壩材料試驗及三維應力變形分析和現場碾壓實驗成果綜合分析,由于礫巖料經碾壓后細顆粒含量高,而小粒徑壩料填筑碾壓不易密實[1],結合填筑施工工藝,對礫巖料需采取薄層碾壓填筑,提高礫巖料壓實度和增大壓縮模量及減少變形[2]。壩體分區材料及填筑標準見表1。

表1 壩體分區材料及填筑標準

2 大壩筑壩材料試驗及三維應力變形分析成果

由于礫巖料物質成分多為機械式膠結,強度低,在飽水狀態下穩定性較差,易軟化、崩解和離散,且含泥量大于10%和填隙物含量在20%以上,考慮浸水后抗剪強度降低、壓縮性增加等不利情況,對軟化系數較低的礫巖料宜填筑在下游壩殼干燥區[3],經南京水利科學院對礫巖料筑壩材料試驗及三維應力變形分析研究,并采用強、弱礫巖風化料填筑進行壩體應力應變、位移及壩坡穩定等分析計算,計算成果見表2。

表2 堆石區采用不同風化程度的礫巖料填筑時主要計算結果表

從礫巖筑壩材料試驗及三維應力變形分析成果表明,壩體堆石區采用不同程度的強、弱風化礫巖料填筑時：壩體及上游防滲面板的變形、應力和應變指標均未發生明顯變化；面板的拉、壓應力均未超過混凝土材料的抗壓和抗拉強度；面板周邊縫和垂直縫的三向變位均小于止水材料的變形允許值；大壩上下游壩坡的穩定安全系數均大于規范規定的最小安全系數。故料場所開挖的強、弱風化礫巖料均可用在壩體下游壩殼干燥區進行填筑,不會影響大壩的總體安全性。

3 大壩變形監測的項目及內容

3.1 壩體表面變形

壩體表面變形監測有垂直和水平位移,垂直位移采用精密水準觀測,水平位移采用視準線法觀測。壩體表面變形監測共布設4 條測線和共18 個綜合位移測點。

3.2 壩體內部變形

壩體內部變形監測有垂直和水平位移,分別采用水管式沉降儀和引張線水平位移計進行觀測。在壩體最大斷面（樁號：壩橫0+000,軸距：0-050、0-025、0+000、0+020、0+040）597 m、615 m 高程分別埋設沉降儀和水平位移計,共設沉降儀8 套和水平位移計7 套。壩體內部變形監測儀器具體布置見圖1。

圖1 壩體內部變形監測儀器布置剖面圖

3.3 面板周邊縫、垂直縫變形

面板周邊縫的變形監測有剪切位移、沉降、開合度,采用二、三向測縫計進行監測,分別在河床趾板577.5 m 高程中部設一組二向測縫計和兩端處各設一組三向測縫計；在左、右岸沿趾板597 m 和615 m 高程分別布置二組三向測縫計。

面板垂直縫的變形監測是縫的開合度,采用單向測縫計進行監測,分別沿面板597 m、615 m 和628 m 高程在壩右0+074、0+038、0+002 和壩左0+034、0+058 位置共7測點。

3.4 面板應力應變

面板應力應變監測是混凝土的應力應變,監測斷面主要是布置面板受拉區和受壓區,在河床中部受壓區壩右0+008斷面沿面板597 m 和628 m 高程共布設2 組兩向應變計和2套無應力計；在左右岸受拉區壩右0+020 和壩左0+016 斷面沿面板597 m 和628 m 高程共布設4 組三向應變計；沿面板頂部628 m 高程在壩右0+044、壩0+000 和壩左0+038 處面板底面與墊層間共設3 組脫空計。

4 大壩變形監測成果及分析

4.1 大壩表面變形

壩體表面水平位移實測最大位移量為5.60 cm（為初蓄期測值,指向下游）,位移量較??；壩體表面垂直位移實測最大沉降量36.69 cm（其中施工期為28.38 cm,初蓄期8.31 cm）,約為壩高的0.66%。

4.2 大壩內部變形

壩體內部沉降：實測壩體595 m 高程累積沉降量在13.6 cm～28.7 cm 之間；壩體615 m 高程累積沉降量在12.7 cm～18.5 cm之間。壩體內部累積沉降分布均表現為壩軸線附近大,靠近上下游兩側小,現已趨于收斂和穩定。監測成果統計見表3。

表3 壩體內部沉降監測成果統計表

壩體內部水平位移：實測壩體595 m 高程水平位移在2.62 mm～5.78 mm 之間；壩體615 m 高程水平位移在2.98mm～5.14 mm 之間。壩體內部水平位移表現向下游方向,現已趨于收斂和穩定。監測成果統計見表4。

表4 壩體內部水平位移監測成果統計表

4.3 面板周邊縫、垂直縫變形

面板周邊縫三向測縫計成果：面板相對趾板開度呈現閉合趨勢（實測最大開度1.28 mm 和最大閉合值-2.34 mm）、剪切位移呈現向上游變化趨勢（向上游最大剪切值-0.57 mm,向下游最大剪切值0.65 mm）、沉降變化量呈現微微抬升趨勢（最大抬升量為-0.64 mm,最大沉降量為0.57 mm）。面板相對趾板的開合、剪切、沉降位移量變化正常,無突變等異?，F象。監測成果統計見表5。

表5 面板周邊縫三向測縫計監測成果統計表

面板周邊縫二向測縫計成果：面板相對趾板開度呈現張開趨勢（實測最大開度1.82 mm）、沉降變化量呈沉降趨勢（最大沉降量為3.15 mm）。面板相對趾板的開合、沉降位移量變化正常,無突變等異常現象。監測成果統計見表6。

表6 面板周邊縫二向測縫計監測成果統計表

面板垂直縫監測成果：實測面板中部壓性縫表現為閉合狀態,最大閉合值為-0.53 mm；左右岸張性縫表現為張開狀態,最大開度值1.20 mm。面板豎直縫變化呈連續漸變趨勢,未發生異常變形,垂直縫變化正常。監測成果統計見表7。

表7 面板垂直縫監測成果統計表

面板脫空監測成果：實測面板脫空變形量為0.00 mm～9.56 mm 和剪切變形為-1.01 mm～1.72 mm,面板相對于擠壓邊墻的脫空和剪切變形表現為張開和下游趨勢,表明脫空計測點附近面板與擠壓邊墻未發生明顯脫空。監測成果統計見表8。

表8 面板脫空計監測成果統計表

4.4 面板應力應變

面板混凝土應力應變監測成果：實測兩向應變計組最大壓應變為-232.02 με；三向應變計組最大壓應變為-213.25 με、最大拉應變為136.95 με；無應力計N1 觀測成果表明混凝土自身體積變形呈收縮狀態,實測混凝土總應變及變化量均不大,混凝土應變規律正常。監測成果統計見表9、表10。

表9 三向應變計組監測成果統計表

表10 兩向應變計組監測成果統計表

經大壩施工期及初蓄期安全監測成果和資料分析表明,大壩變形在正常范圍內,現且已趨于穩定；水庫蓄水后面板豎直縫測值未見明顯變化；面板與趾板周邊縫開合、沉降方向位移量較小,現且已趨于穩定。說明水庫大壩運行性態安全。

5 結語

魁龍水庫大壩堆石區利用就近礫巖料填筑,通過礫巖料筑壩的材料試驗及三維應力變形分析和現場碾壓實驗等綜合分析,大壩壩體變形與填筑材料巖性、堆石體密度、級配、顆粒形狀、應力水平及碾壓填筑等有關[4]。經大壩施工期及初蓄期安全監測成果分析表明,壩體及上游防滲面板的變形、應力和應變等監測成果與“礫巖料筑壩材料試驗及三維應力變形分析研究”計算成果基本一致,說明礫巖筑壩的力學性質滿足壩體強度和變形要求,將軟化系數較低的礫巖料填筑在大壩下游壩殼干燥區是可行的,大壩結構是安全可靠的,水庫大壩運行性態安全,為同類混凝土面板堆石壩設計提供借鑒和參考。