深厚覆蓋層混凝土建筑物的穩定性分析

陳洪志

（江西應用工程職業學院，江西 萍鄉 337042）

0 引言

當混凝土建筑物處于深厚覆蓋層的條件下，很容易出現變形和滲漏等問題，會對其穩定性和耐久性產生不利影響。對于此類混凝土建筑物，相關單位需要做好變形監測工作，運用合理的變形監測技術，以便及時發現建筑物變形過大或危及安全的變形問題。通過這樣的變形分析，可以為處于深厚覆蓋層條件下的混凝土建筑物的質量和安全提供良好保障。

某水電站中的永久性閘壩基礎建設在深厚覆蓋層中，其防滲墻為塑性混凝土結構，長度是589.2m，寬度是1.0m，最大深度是65.1m。該水電站的主要任務是發電，兼顧航運和灌溉等任務，其正常蓄水位是432.0m，水庫總容積是4867萬m3。總裝機容量是480MW，壩壅水高度是15.5m，銜接上游水電站。水電站廠房為河床式，后接9015m長度的長尾水渠。該工程中，塑性混凝土防滲墻設置在閘室前端，與閘壩軸線平行布置，左端連接面板壩防滲墻，右端連接廠房防滲帷幕，閘室間和連接板墊層應用的是C15混凝土。在閘底和連接板之間、連接板和墻體之間均設置一道橡膠止水和一道銅止水，從而形成一個封閉形式的防滲體。為確保此項工程的應用質量，提升其安全性，本文特對其閘壩、閘基揚壓力和閘室穩定性、塑性混凝土防滲墻變形等進行監測。

1 工程的變形分析

1.1 閘壩變形

1.1.1 變形監測的必要性

下閘蓄水后發現，該閘壩頂部順水流向具有較小的水平變位，其中，5#閘室的水平變位最大。閘室頂部順軸向水平變位，由于地基存在差異，使得整體的變位朝向右岸，且其變位會在溫升時變大，其最大變位是6mm。同時，因為廠房在巖基上建立，1#～5#閘室地基為人工回填的砂礫石，6#～10#閘室和面板壩地基是天然砂礫覆蓋層。經工程計算確定，其沉降量最大值應控制在12.0cm以內，相鄰部位沉降差最大值應控制在1.0cm以內。

1.1.2 變形情況分析

為了實現閘壩變形的科學監測，特在閘室上下游布設了監測點。經監測發現，該工程中的閘室沉降和不均勻沉降均超過了計算值，主要為強烈沉降和不均勻沉降變形。以下是主要的變形監測結果：

（1）地基為人工回填砂礫石的1#閘室頂部沉降量最大，其上游LS37 監測點處的沉降值為111mm，下游LS38監測點位置的沉降值為174.2mm，后部比前部沉降大，整體閘室微傾向于下游。經進一步監測發現，蓄水3年以來，此處的沉降變形并未收斂。

（2）1#和2#閘室屬于一個單元，其監測點均布設在閘室頂部。其中，1#閘室的LS37 監測點測值比2#閘室LS39 監測點大50.7mm，由此判斷該單元閘室右側比左側沉降大，整體閘室微傾向于右側。

（3）因同一個單元閘室略微朝右，并傾斜向下游，所以其底板鋼筋應力變化較大，即1#和2#閘室單元底板上方右側的鋼筋受壓。經監測可知其右側鋼筋應力值是20MPa，左側鋼筋拉應力是25MPa；臨近中墩底板的拉應力最大值是20MPa。1#孔中部底板應力值為0～25MPa之間，2#孔中部底板應力值在-15～5MPa 之間。鋼筋應力雖然沒有超出本次設計允許范圍，但是同一單元中的左右兩側底板上方卻存在應力不平衡情況，經實地勘察發現，右邊墩上的兩只鋼筋計已經損壞[1]。

（4）因為基巖上部的廠房具有較小沉降變形情況，所以1#閘室右邊墻和4#廠房左邊墻的沉降差較大，經監測發現其上游沉降差為105mm，下游沉降差為130mm。

（5）閘室頂部門機和廠房頂部門機互相對立，雖然閘壩之間的不均勻沉降已使門機軌道發生變形，但并未對兩臺門機產生過大影響，閘門依然可以正常開啟和關閉。

2.2 閘基揚壓力和閘室穩定性分析

2.2.1 閘基揚壓力分析

為合理監測閘基揚壓力，該項目中，特將P4-1 與P4-2兩個滲壓計分別布設在了塑性混凝土防滲墻的前后，并將UP1、UP2以及UP3測壓管布設在下游，其埋設高程是409.50m。在2022 年7 月，閘基上游水位是426.9m，下游水位是418.68m，表1為該項目0+437.8m閘壩剖面滲壓值監測結果.

表1 本項目0+437.8m閘壩剖面滲壓值監測結果

經監測與計算得出，該工程閘基揚壓力折減系數是0.66，超過了無排水條件下的防滲規定（0.45～0.60）。經進一步分析發現，閘基揚壓力之所以超標，是因為該工程中的塑性混凝土防滲墻在閘室前方0-015m位置通過混凝土連接板和閘室底板相連接，防滲墻和連接板之間、連接板和閘室之間都設置了柔性止水。在這樣的情況下，防滲墻自身的防滲性能不僅由其本身決定，也和柔性止水效果緊密相關，尤其是在閘室沉降較大時，柔性止水將起到更重要的作用[2]。

2.2.2 閘壩柔性止水性能分析

通過監測數據可知，在0+437.8m閘壩剖面內，塑性混凝土防滲墻和第一道柔性止水所能達到的防滲效果是76%，但是第二道柔性止水后方的防滲效果則下降到33%。由此可見，這里的防滲墻、墻體和連接板接頭位置已經出現了柔性止水破壞問題。經進一步監測和計算發現，導致這一問題的主要原因是閘室已經發生了17cm的沉降，但是由于厚度是2m 的連接板下方設置的是三角形C15 混凝土結構，使得連接板不能和閘室一起沉降，在閘室沉降量超出止水變形允許范圍后，柔性止水便被撕裂，從而提升了閘基揚壓力。

為實現第二道柔性止水具體工作性態的科學監測，本次監測中，特將J4-4測縫計布置在了0-437.8m壩的連接板和閘室間0+000m 位置。布設好后不足一個月，測縫計便已經失效，說明此處的柔性止水已經撕裂，其止水作用已經喪失。因閘室沉降變形最大值是17.42cm，超出了允許規定（15cm）；1#和2#閘室沉降差是5.07cm，1#閘室和4#廠房的沉降差是13cm，均超出了規定值（5cm）。

2.2.3 閘室抗滑穩定性分析

設計單位按照實際監測到的揚壓力值對閘室進行了抗滑穩定性復核，經相關計算發現，在目前的工況條件下，閘室抗滑穩定性安全系數是1.61，較規定的最低安全系數（1.30）高。由此可判斷，在不出現地震等特殊情況的基礎上，該工程中的閘室依然具有較好的穩定性[3]。

2.3 塑性混凝土防滲墻變形分析

2.3.1 防滲墻受力分析

為實現塑性混凝土防滲墻具體變形情況的科學監測，該項目中，將一套六點測斜儀布設在了0+437.8m壩剖面上的防滲墻里，對其變形情況進行監測。經監測發現，防滲墻在蓄水之前，由于下游的深厚覆蓋層會對其產生較大的擠壓作用，所以整個墻體呈現出朝上游變形的趨勢，其最大變位是22mm。在蓄水之后，由于受到溫度、土壓力、閘室和水壓等的共同作用，整個墻體呈現出朝下游變形的趨勢，其最大變位是15mm。

為確保塑性混凝土防滲墻的穩定性，設計單位特根據監測結果與實際情況對其應力應變進行了計算，表2為該工程中的塑性混凝土防滲墻應力應變計算結果。

表2 塑性混凝土防滲墻應力應變計算結果

通過以上監測結果可知，該項目中的塑性混凝土防滲墻內應力會隨著其彈性模量的增加而增加。在完成施工后，蓄水之前，整個防滲墻都處在受壓狀態，其水平變位最大值是6.9mm，防滲墻底部受壓力最大，但沒有拉應力出現。在蓄水之后，當上游水位達到432m 的情況下，防滲墻水平變位最大值是32.8mm，其上部有拉應力出現，下部依然存在壓應力。在彈性模量是3000MPa的情況下，其上部拉應力最大值是0.04MPa；在彈性模量上升到了3600MPa 的情況下，其上部拉應力最大值是0.07MPa，比拉應力最大允許范圍（0.2～0.3MPa）小。

2.3.2 防滲墻變形分析

為實現該防滲墻具體應變情況及其應力狀態的科學監測，特將5個單向應變計埋設在了0+437.8m閘壩斷面上高度不同的墻體中。經監測發現，除了墻頂埋設的S4-1之外，其他監測點測量到的都是拉應變，整個墻體呈現出的是受拉狀態，且下部較上部的拉應變大，其最大拉應變值可達500μ?，其彈性模量設計值是1500MPa，實際測量值是2600MPa，拉應力測量值是500kPa，超過塑性混凝土拉應力允許值200～300kPa，說明墻體可能已經出現了開裂問題[4]。

3 工程的穩定性及危害性分析

3.1 工程穩定性分析

結合工程監測和實地考察結果來看，該水電站工程項目中的閘壩沉降變位雖然已經超出了規定，但是目前并不會對其正常運行產生不利影響，整體運行和應用效果依然能夠得到保障。其中的1#閘室和2#閘室具有較大的不均勻沉降差，使得其單元傾斜率達到了0.00126，與規定的控制目標已經十分接近，如不加以控制，便很可能使其閘門左右兩側支臂出現受力不均問題；此種問題長時間發展下去，便很可能損壞閘門本身和開啟、關閉系統[5]。因此在該工程項目的后續運維過程中，相關單位應對此進行重點關注，進一步加強其變形監測工作，并以此為依據來合理控制變形問題的發展。

3.2 工程潛在危害分析

經整體的變形監測與計算分析發現，該水電站工程在深厚覆蓋層條件下的混凝土建筑物主要變形危害表現在以下幾個方面：

（1）因其閘壩的整體工作環境較為復雜，閘壩高度和地基應力都比較大，加之深厚覆蓋層分布并不均勻，細砂透鏡體與砂夾卵礫石的承載能力較低，壓縮模量較小，在荷載作用下很容易出現較大的變形問題。另外，其承壓水中的硫酸根離子含量高達1000mg/L以上，對混凝土基礎具有較大的腐蝕性。在這樣的情況下，閘壩便更容易出現沉降變形等問題，從而影響到其整體質量和應用效果。

（2）該工程中的塑性混凝土防滲墻彈性模量比較低，整個墻體對周邊土體變形具有較強的適應能力，整個墻體應力也比較低，這樣便可有效降低防滲失效以及墻體破壞情況的發生幾率。但是在這樣的情況下，塑性混凝土材料強度也比較低。為有效適應此類墻體的低強度、低彈性模量等實際特征，該工程中，特將該防滲墻設置在了閘前方15m位置，通過連接板將其與閘室進行連接。通過這樣的方式，不僅可有效降低墻體壓力，也可以讓墻體對閘室沉降變形具有更高的頂托作用。但是由于受到深厚覆蓋層的荷載作用，墻體將很容易出現較大的沉降變形問題，墻體和連接板位置的止水工作條件也將很容易惡化，從而導致其防滲效果降低。

（3）該水電站項目中的塑性混凝土防滲墻材料中摻加的膨潤土用量為水泥用量的40%，且其抗腐蝕性能、抗滲性能以及耐久性能都并未得到科學驗證。在這樣的情況下，防滲墻的整體應用性能便難以得到良好保障，具體運維中，還需要進一步監測其墻體的耐久性，以便及時發現相應問題，并根據實際情況及時將其中存在的問題解決，從而有效確保其防滲效果和使用壽命[6]。

（4）根據此項工程的實際應用需求，其中的塑性混凝土防滲墻不僅應具備防滲和止水效果，同時其連接板也應該具備足夠好的工作性態。但是由于其連接板和閘室之間設置了三角形的C15混凝土墊層，墊層厚度為4m，這樣就使得連接板對閘室變形情況的適應能力降低，從而增加了閘室間的止水壓力以及連接板的工作壓力，整體防滲墻所具有的防滲效果也將明顯下降。

基于上述問題，相關單位應加強該水電站工程運維過程中的變形監測工作，并根據實際情況及時作出相應的維護處理。必要的情況下，可通過止水修復以及防滲墻修補等措施來保障閘室穩定。

4 結束語

綜上所述，對于深厚覆蓋層條件下的混凝土建筑物而言，科學合理的變形監測工作是提升其運維質量的關鍵措施。基于此，相關單位應根據工程設計和應用需求，結合現場實際情況，將各類監測點設置在適當的位置，以此來實施變形監測。然后將獲取到的變形監測結果作為依據，進一步分析和計算混凝土建筑的穩定性。通過這樣的方式，才可以實現此類混凝土建筑穩定性的科學評估，并明確其主要的影響因素，以便相關單位和工作人員及時采取針對性的措施來加以解決。