油啥水庫混凝土面板堆石壩施工期沉降變形分析

劉田珂，孫 彪

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

面板堆石壩內部的沉降是影響面板變形和壩體整體防滲結構的主要原因，由于影響壩體沉降的因素較多，導致壩體沉降的規律也有所不同，并且在壩體填筑施工期間，隨著壩體填筑高度的上升以及下層填筑料的逐漸壓實趨穩，面板堆石壩大約會完成75%～90%的沉降量[1-2]，因此壩體沉降監測也是施工期的重點監測項目之一。沉降量的大小，不僅直接影響到大壩后期面板的施工，也關系到面板的強度標準，壩體穩定以及大壩周邊縫的止水防滲要求[3]。所以，通過收集、統計以及分析施工期間大壩沉降監測的原始數據，對于分析壩體的沉降變形和沉降分布規律來評價大壩的填筑質量，判斷壩體內部分區是否出現變形起著關鍵的作用。

1 工程概述

油啥水庫位于黔西南布依族苗族自治州望謨縣樂旺鎮，河流為紅水河一級左支流桑郎河。是一座以防洪為主，結合灌溉、供水、發電的Ⅲ等中型工程，壩址以上控制流域面積264km2，多年平均年徑流量1.48億m3，正常蓄水位799.0m，正常蓄水位庫容為1141萬m3，總庫容為1205萬m3。該工程總布置分為水源工程和引水工程，主要由混凝土面板堆石壩和右岸洞式溢洪道、右岸泄洪洞和左岸引水發電系統+輸水管道等建筑物組成。

本工程擋水建筑物面板堆石壩高程801.5m，最大壩高91.5m，壩軸線長度258.66m，壩頂寬度10.0m，大壩上游面板坡比為1∶1.4，下游綜合壩坡1∶1.692。大壩從上游向下游依次分為蓋重區、墊層區、特殊墊層區、過渡區、主堆石區、次堆石區以及干砌石護坡。油啥水庫大壩主體填筑主要分3期完成，2022年1月20日大壩填筑至728m高程；2022年4月15日大壩填筑至當年度汛高程749m高程；2022年8月28日大壩填筑至800.5m高程，完成大壩封頂。

2 工程觀測設備布置

由于施工期內面板堆石壩的應力與變形的影響因素復雜多變，包括外因與內因[4]。根據SL 60—94《土石壩安全監測技術規范》和DL/T 5211—2005《大壩安全監測自動化技術規范》規范要求，結合油啥水庫工程現場實際情況，水庫大壩整體監測儀器包括31個水管式沉降儀，水平位移計7組，壩頂臨時沉降點10個，主要監測大壩施工期和運行期的內部沉降和表面沉降。施工期大壩填筑封頂后6個月主要監測大壩的沉降數據，來驗證大壩填筑施工質量和設計是否達到要求，確保大壩安全運行和后續混凝土面板的正常施工。

結合大壩內部沉降觀測點布置位置和大壩受力特點，油啥水庫大壩內外布置了一套齊全的安全監測系統。其中大壩沉降安全監測主要分為壩右0+065.00、0+020.00和壩左0+045.00的3個監測橫斷面，采用水管式沉降儀監測大壩內部沉降。其中壩右0+065.00和壩右0+020.00橫斷面，按照高程735.0、760.0和780.0m分3層對大壩進行內部觀測，其中觀測點的個數分別為7、5和3個；壩左0+045.00橫斷面，按照高程780.0m分一層對大壩進行觀測，其中觀測點的個數為3個。其中壩右0+065.00大壩內部監測儀器布置如圖1所示。

圖1 水庫大壩內部沉降變形監測(橫截面壩右0+065.00)

3 施工期沉降分析

混凝土面板堆石壩在施工期間，壩體會隨著堆石體的填筑和時間效應完成大部分沉降變形[5]，而堆石壩的變形分為3個分量，即豎向方向的沉降變形、上下游方向水平變形和壩軸線方向的變形，施工期在各種荷載的作用下，其中壩體豎向方向的沉降變形尤為重要，關系到壩體填筑澆筑時間、周邊縫變形、防滲結構的安全以及面板分期澆筑的時間等[6-7]，與大壩整體安全、穩定密切相關，因此，油啥水庫大壩堆石體的沉降監測是大壩填筑施工過程中的重中之重，是保證大壩整體工程安全順利完工的關鍵。以下將主要運用統計分析法，在時間和空間上分析大壩壩體在施工期垂直荷載作用下的沉降變形情況。

3.1 壩體沉降數據分析

3.1.1壩右730m高程

根據圖1，大壩監測VR1測點位置位于大壩壩右730.00m高程，水平橫向布置一共7個測點，各測點樁號見表1。

表1 壩右橫截面各測點累計沉降數值

大壩從2022年1月開始填筑，4月達到749度汛高程，8月大壩封頂，3月完成730高程的監測設施布置并開始監測大壩沉降，如圖2所示。

圖2 壩右0+065.00斷面730m高程大壩監測沉降數據

根據圖2從時間分析，隨著大壩填筑高程逐漸升高至壩頂，壩體沉降量也逐步增大，大壩填筑封頂3個月后沉降量累計達到最大值，最后逐漸趨于收斂；根據表1從空間分析，735.00m高程壩體累計最大沉降量78～335mm，位于壩縱0+000.00(壩軸線)附近沉降量變化較大，相反距離壩軸線最遠兩個測點的沉降量較小，大壩上游側沉降量大于下游側壩體沉降。壩體最大沉降量335mm位于735.00m高程，位于壩高的1/3位置，沉降值約為壩高的0.37%。以上大壩內部變形規律符合混凝土面板堆石壩壩體沉降變形一般規律[8]，各測點沉降受上覆壩體填筑高度影響大，受時間影響相對較小。

3.1.2壩右760m高程

大壩監測VR2測點位置位于大壩壩右760.00m高程，水平橫向布置一共5個測點，各測點樁號見表2。

表2 壩右橫截面各測點累計沉降數值

根據圖3從時間分析，當大壩填筑高程逐漸升高至壩頂，壩體沉降量逐步增大，最后逐漸趨于收斂；根據表2從空間分析，760.00m高程壩體累計最大沉降量160～270mm，且位于壩縱0+000.00(壩軸線)左右兩個測點沉降量變化較大，距離壩軸線最遠兩個測點的沉降量較小，同樣大壩上游側沉降量大于下游側壩體沉降，760.00m高程大壩內部變形規律735.00m高程大壩變形規律一樣，但是各測點沉降受上覆壩體填筑高度影響不大，主要受時間影響相對較大。

圖3 壩右0+065.00斷面760m高程大壩監測沉降數據

3.1.3壩右780m高程

大壩監測VR3測點位置位于大壩壩右780.00m高程，水平橫向布置一共3個測點，各測點樁號見表3。

表3 壩右橫截面各測點累計沉降數值

根據圖4從時間分析，此時大壩已填筑至壩頂高程，壩體沉降量在1～2個月內先逐步增大，后逐漸趨于穩定收斂；根據表3從空間分析，780.00m高程壩體累計最大沉降量40～163mm，位于壩縱0+000.00(壩軸線)上游側沉降大于下游側壩體沉降，780.00m高程大壩內部變形規律同735.00、760.00m高程大壩變形規律一樣，各測點沉降受上覆壩體填筑高度影響不大，主要受時間影響相對較大。

圖4 壩右0+065.00斷面780m高程大壩監測沉降數據

3.2 壩體沉降影響因素分析

通過上述分析，壩體沉降值主要受大壩填筑高度和時間的影響，不同高程、不同位置測點的沉降量有所不同，主要表現在壩軸線附近沉降量較大，兩端較小，大壩上游側沉降量大于大壩下游側沉降量，總體變化符合混凝土面板堆石壩沉降變化規律。除此之外，760.00m高程VR2-1、VR2-3和VR2-4測點所在墊層區、壩軸線和下游次堆石區的大壩沉降規律如圖5所示。

圖5 VR2-1、VR2-3、VR2-4觀測點沉降過程線

壩軸線的沉降量變化曲線相對于來說則比較穩定，變幅也不大，有一定的規律。而墊層料區和次堆石區的沉降量較大，相較于次堆石區，墊層料區前期變化趨勢較緩，中期變化趨勢較陡，二者沉降量幾乎在同一時段內開始趨于穩定，但是其沉降量的變幅都比較紊亂，其主要原因有3點：①在于大壩填筑過程中，存在一定的填筑順序，先墊層區，再主堆區，后次堆區；②為了重點保障安全度汛目標，大壩實際施工組織采取優先填筑上游迎水面的墊層區和局部主堆石區，形成規范允許的臨時度汛斷面；③次堆區還存在壩后坡公路和干砌石施工的影響，墊層區受壩頂施工機械荷載影響較大，隨著時間的變化而變化。通過對其它典型斷面的數據分析，其它高程和橫截面也有類似的沉降變化規律。

綜上所述，大壩沉降變形主要受堆石料本身性質和堆石填筑重量的影響之外，還與大壩填筑過程中施工組織、施工技術參數、填筑料的各項設計參數如填筑料的級配、鋪料厚度、灑水量、最大干密度、滲透系數等有關，并且主堆石料是大壩承受荷載的主體，也是控制大壩變形的關鍵。油啥水庫大壩在填筑過程中，通過先行開展爆破試驗參數調整和大壩填筑碾壓試驗來控制填筑料的級配，以達到大壩填筑質量的控制，各填筑區域都是嚴格按照大壩填筑施工工藝來施工，由于施工組織原因，填筑施工主要機械設備位于大壩上游側，承受的施工機械荷載遠大于下游側，同時，上游側包括擠壓邊墻、墊層區、過渡區和主堆石區，墊層料級配、孔隙率、干密度要求更高，碾壓遍數更多，從而導致大壩上游區大壩沉降量總體大于下游區，符合混凝土面板堆石壩沉降相關規律。

3.3 比較分析

油啥水庫工程面板堆石壩根據工程實際情況，大壩沉降觀測采用31個水管式沉降儀和7組水平位移計，同時增加壩頂10個臨時沉降觀測點，對大壩沉降規律進行全斷面監測，確保大壩安全、穩定。沉降率是評價壩體穩定性的重要指標，施工期沉降率小于1%表明壩體穩定性較好[9]。

目前，與國內外已建成大壩施工期沉降量相比，其沉降數據見表4。

表4 國內外大壩施工期沉降率比較

本工程自2022年1月1開始填筑，同年3月開始進行大壩沉降監測，截止2023年6月，大壩沉降已趨于穩定，累計最大沉降量335mm，沉降率為0.37%，相較于100m級以下的頭塘水庫和蓮花面板堆石壩穩定性較好；與100m級以上的利斯、安奇卡亞和考蘭壩相比，沉降率相差不大，處于中等偏下的水平。綜合說明，本工程大壩的填筑施工技術還是比較合理可行的。

4 結論

通過對油啥水庫面板堆石施工期大壩沉降部分原始觀測資料的研究分析，該大壩內部沉降值在規范要求的3～6個月內逐漸趨于收斂，大壩穩定性和安全性滿足要求，為大壩后續面板施工、上游鋪蓋施工奠定了堅實的基礎。但也存在些許不足，在大壩填筑過程中，壩后觀測房的施工未能與大壩填筑高度同步進行，且正式開始觀測時間略滯后于填筑進度，初始觀測數據采用的是全站儀測量，影響初期沉降數據采集的連續性，對初始觀測點的數據有一定的影響。因此，通過本文的分析與歸納，可供其他學者對混凝土面板堆石壩施工期沉降變形分析開展進一步的研究。