高土石壩心墻施工期沉降變形統(tǒng)計(jì)分析模型研究

唐騰飛，史鵬飛，林金城，龍益彬，別玉靜，周朝陽(yáng)

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081）

1 前言

高土石壩是西部深山峽谷地帶水電工程建設(shè)過(guò)程的常見(jiàn)壩型之一[1]。壩體變形是高土石壩全過(guò)程監(jiān)測(cè)實(shí)施的重點(diǎn)對(duì)象,心墻沉降量是大壩施工期主要的控制性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,是評(píng)價(jià)大壩安全和填筑質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)前土石壩沉降分析常采用定性和定量分析方法,定性分析時(shí)綜合分析心墻料特性及施工碾壓、進(jìn)度等因素,旨在掌握心墻沉降發(fā)展的演化規(guī)律；定量分析需對(duì)沉降變形整編資料進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)律分析,要建立合理的、符合高土石壩工程特性的沉降監(jiān)測(cè)分析模型,挖掘心墻沉降變形數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的監(jiān)測(cè)信息,進(jìn)一步反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)控施工進(jìn)度。監(jiān)控分析模型是在使模型具有較強(qiáng)擬合解析力的基礎(chǔ)上,在一定的外延區(qū)間上具有較高的預(yù)測(cè)精度,并可根據(jù)預(yù)測(cè)成果進(jìn)行監(jiān)控指標(biāo)擬定[2],工程實(shí)踐中最常用的是統(tǒng)計(jì)分析模型。

本文在分析高土石壩心墻填筑料施工期沉降變形機(jī)理及規(guī)律的基礎(chǔ)上,充分耦合相關(guān)影響因子,對(duì)傳統(tǒng)施工期沉降變形分析模型進(jìn)行優(yōu)化,可有效提升沉降變形預(yù)測(cè)精度。

2 沉降變形分析

2.1 沉降機(jī)理

沉降是指在荷載作用下,沿豎直方向發(fā)生的位移。它主要分三個(gè)階段：初始沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。初始沉降是大壩及其基礎(chǔ)發(fā)生的壓縮變形,這部分沉降在填筑過(guò)程中發(fā)生,土石壩在施工期發(fā)生的沉降主要部分就是初始沉降。固結(jié)沉降是由于土體固結(jié),土顆粒間的空隙水逐漸排出引起的沉降,透水性強(qiáng)的土石壩固結(jié)沉降完成較快,初始沉降和固結(jié)沉降將難以分開(kāi)。次固結(jié)沉降是土體中顆粒骨架在持續(xù)荷載作用下發(fā)生的蠕變所引起的,土石壩經(jīng)過(guò)正常蓄水后的沉降主要是次固結(jié)沉降。施工期主要發(fā)生初始沉降及固結(jié)沉降[3]。

（1）防滲區(qū)

高土石壩心墻材料大多采用不透水土料,其沉降主要與填土高度、施工含水量和土料的特性等因素有關(guān)。工程實(shí)踐表明,上述因素引起的沉降一般在填土高度的中央部位的附近最大,底部較小。究其原因,主要與有效應(yīng)力密切相關(guān),而有效應(yīng)力又受孔隙水壓力的影響。

從美國(guó)墾務(wù)局20 多座土石壩的觀測(cè)成果表明,壩體心墻沉降與荷載重量（填土高度）及含水量有關(guān),同時(shí)指出有效應(yīng)力的對(duì)數(shù)與壓縮率對(duì)數(shù)大致呈直線關(guān)系[4-5]。

（2）透水區(qū)

透水區(qū)是由塊石澆筑,在填筑過(guò)程中由于巖塊接觸處破碎或雜物壓壞而產(chǎn)生沉降,這種沉降在總沉降中占比較大。一般在接近壩基和上部較小,在1/3～1/2 壩高處最大。在產(chǎn)生沉降的同時(shí),還附帶產(chǎn)生水平位移,其規(guī)律在上游側(cè)表現(xiàn)為上游側(cè)透水區(qū)向上游,下游側(cè)透水區(qū)向下游。

2.2 統(tǒng)計(jì)模型改進(jìn)

心墻土體施工期的沉降主要與豎直荷載重量（即上部堆石或土體高度）和含水量有關(guān),即與有效應(yīng)力有關(guān)。

關(guān)于施工期沉降統(tǒng)計(jì)的分析初步給出其施工期沉降統(tǒng)計(jì)模型為[3]：

式中：Δ 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降累計(jì)值；b0、b 為常數(shù)；h（t）為監(jiān)測(cè)點(diǎn)上部填筑高度。

結(jié)合土石體發(fā)生沉降的機(jī)理可以看出,上述沉降分析模型未考慮土體材料在自重荷載作用下發(fā)生的流變變化、上部分層填筑時(shí)不同填筑層厚在不同時(shí)間點(diǎn)作用荷載下引起的位移變化,考慮上述幾點(diǎn)因素,對(duì)單項(xiàng)式統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后的模型表達(dá)式為：

式中：Δ為監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降累計(jì)值；a0、a1、b1為常數(shù)；t 為時(shí)間,d；h（t）為監(jiān)測(cè)點(diǎn)上部填筑高度；θ為填筑完成后起算時(shí)間,d。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某水利樞紐主壩為高斜心墻堆石壩,壩頂高程為281.00 m。設(shè)計(jì)水庫(kù)最高運(yùn)用水位275 m,水庫(kù)總庫(kù)容126.5 億m3。壩體總填筑量5184.7 萬(wàn)m3,壩基總開(kāi)挖量770 萬(wàn)m3。攔河大壩為壤土斜心墻堆石壩,心墻防滲料主要由粉質(zhì)黏土組成,防滲墻頂端設(shè)有高塑性土區(qū),壩殼由堆石體構(gòu)成。設(shè)計(jì)最大壩高154 m,右岸深槽實(shí)際施工最大壩高為160 m,壩頂長(zhǎng)1667.0 m,壩頂寬度15 m,壩頂最大寬度864 m,上下游壩坡分別為1∶2.60和1∶1.75,河床段壩基處于深厚砂礫石上,覆蓋層厚70 m～80 m。該工程于1994 年9 月主體工程開(kāi)工,2001 年年底樞紐主體工程按計(jì)劃進(jìn)度全部完工[6]。

根據(jù)規(guī)范[7-8]要求、工程地質(zhì)條件以及心墻堆石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算分析成果,壤土心墻壩最大壩高處設(shè)一個(gè)主要監(jiān)測(cè)斷面（0+0387.50 處）,在左右岸岸坡處各布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要開(kāi)展了表面變形、內(nèi)部變形、壩體壩基滲流滲壓、壩體土壓力等監(jiān)測(cè)。針對(duì)心墻的監(jiān)測(cè),布置土壓力計(jì)、豎向測(cè)斜儀、大量程位移計(jì)和界面變位計(jì)、鋼弦式沉降儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備。

圖1 大壩心墻典型監(jiān)測(cè)斷面布置

3.2 沉降變形規(guī)律

選取典型監(jiān)測(cè)斷面：B（樁號(hào)0+387.50,河床中間斷面）、C（樁號(hào)0+217.50,靠左岸斷面）,分別對(duì)典型高程點(diǎn)的沉降變形規(guī)律進(jìn)行分析,7#、16#、38#測(cè)點(diǎn)分別大致處于心墻結(jié)構(gòu)1/3、1/2 及2/3 高程位置,見(jiàn)圖2～圖3。

圖2 斷面B 不同高程點(diǎn)沉降變形監(jiān)測(cè)值

圖3 斷面C 不同高程點(diǎn)沉降變形監(jiān)測(cè)值

分析圖2～圖3 可知：

1）心墻填筑過(guò)程中,各典型高程處的沉降變形值隨著上部土體填筑高程的增加而增加,兩者之間呈明顯的正相關(guān)關(guān)系；且施工期心墻各沉降變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率（曲線斜率）基本保持穩(wěn)定。

2）心墻1/2 高程處的沉降比下部1/3、上部2/3 高程處的沉降值大,且在心墻填筑時(shí)的變形速率明顯較其他部位快,與高心墻壩變形數(shù)值計(jì)算的規(guī)律相同。

3.3 模型應(yīng)用與分析

選取大壩心墻典型測(cè)點(diǎn)施工期沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（含施工填筑過(guò)程信息）,作為沉降分析模型的輸入數(shù)據(jù),見(jiàn)圖4。

采用傳統(tǒng)模型及改進(jìn)模型對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變形數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合與預(yù)測(cè),對(duì)比見(jiàn)圖5～圖6。

圖5 模型擬合情況

圖6 模型預(yù)測(cè)情況

施工填筑期沉降推薦模型及改進(jìn)模型的對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 施工填筑期沉降推薦模型及改進(jìn)模型對(duì)比分析表

對(duì)比分析表1 數(shù)據(jù)及圖5～圖6 可知：

（1）運(yùn)用傳統(tǒng)模型對(duì)三個(gè)不同剖面不同高程處沉降變形數(shù)據(jù)分析,模型擬合數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.998、0.994、0.981,最大誤差分別為1.77 cm、2.91 cm、4.45 cm；預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的復(fù)相關(guān)系數(shù)R 為0.953、0.961、0.964,最大預(yù)測(cè)誤差值為10.61 cm、9.90 cm、9.00 cm,預(yù)測(cè)精度不高,可以基本滿足心墻施工期沉降值的預(yù)測(cè)精度。

（2）以0+693.74 剖面1/3 壩高處測(cè)點(diǎn)1997/7/10～2000/3/18 資料為典型代表基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立施工的沉降統(tǒng)計(jì)分析模型,通過(guò)逐步回歸計(jì)算得到施工期沉降統(tǒng)計(jì)模型的表達(dá)式為：

擬合數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.9994、0.9971、0.9957,最大誤差為1.38 cm、1.20 cm、1.66 cm,典型最大誤差率為：1.3842/72.861=1.9%＜5.0%,說(shuō)明擬合效果較好。

（3）應(yīng)用改進(jìn)沉降統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值,預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.9714、0.985、0.963,最大誤差為3.82 cm、7.36 cm、1.17 cm,典型最大誤差率為：3.8255/97.196=3.9%＜5.0%,說(shuō)明采用施工期沉降統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)效果較好,完全可滿足施工期沉降預(yù)測(cè)的要求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合高土石壩心墻沉降變形機(jī)理對(duì)傳統(tǒng)的沉降分析統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行改進(jìn),考慮土體材料在自重荷載作用下發(fā)生的流變變化、上部分層填筑時(shí)不同填筑層厚在不同時(shí)間點(diǎn)作用荷載下引起的位移變化等因素,提出了改進(jìn)的心墻沉降變形分析統(tǒng)計(jì)模型,并結(jié)合工程實(shí)例中對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合及預(yù)測(cè)分析。

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)模型和改進(jìn)模型的對(duì)比分析可知：改進(jìn)模型相比推薦模型的擬合及預(yù)測(cè)復(fù)相關(guān)系數(shù)更大,說(shuō)明擬合及預(yù)測(cè)趨勢(shì)更符合實(shí)際、最大誤差率也小,預(yù)測(cè)情況更好；同時(shí)物理意義更加明確,更加符合土石體材料的變形特征；同時(shí)對(duì)實(shí)際土石壩工程施工期數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析對(duì)比得到改進(jìn)模型更加具有工程應(yīng)用價(jià)值,能對(duì)心墻沉降變形進(jìn)行更高精度的預(yù)測(cè)分析,可為高土石壩心墻沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析提供新的模型工具。