恰甫其海水庫黏土心墻壩沉降變形規律及施工質量評價

0大壩監測方案新疆海水庫是一座粘土墻水庫。最大水庫高108m，最大水庫長度182m，最大水庫寬12.0m，上游水庫1.2.5m，下游綜合水庫1.2.33，布置9。大壩于2003年9月開始施工,至2005年6月初建成,6月底蓄水,8月底發電運行。該工程設有變形、滲流、土壓力等監測項目,安裝埋設了沉降管(磁環144個)、測斜管、體應變計、滲壓計、測壓管、土壓力計、庫水溫度計等監測儀器設備共317支(套),除表面變形監測使用全站儀和電子水準儀外,包括電磁沉降管和測斜等監測項目都已實現自動化監測。由于心墻土料為風積黃土,抗沖蝕能力低并處于強震區,因此,大壩重點監測項目為變形(沉降)和滲流監測。本文初步分析了大壩施工期及運行期的沉降變形規律和滲流情況,研究成果對大壩施工質量評價具有一定意義,得出的黏土心墻和壩殼料沉降變形規律、最大沉降量及其占壩高的百分比以及傾度等特征值,對其他類似工程具有重要參考價值。1壩體沉降管和設施布置壩體共設置0+060,0+123.5,0+175,0+223,0+270等5個監測斷面,每個斷面在距壩軸上游3m的位置各布設一個沉降管,編號依次為CH8,CH6,CH1,CH5,CH7,每個沉降管從趾板向上每隔5m設一個電磁式沉降環,用于監測大壩心墻的沉降。其中,0+175斷面為主監測斷面,該斷面共埋設4個點位的沉降管,除了位于大壩心墻的CH1外,分別在距壩軸線下游67m和117m、上游55.5m處布置3個點位的沉降管CH2,CH3,CH4,用于監測該斷面壩殼料的沉降。點位布置如圖1所示。筑壩高度、庫水位與心墻、壩殼料(上述5個監測斷面)的沉降量過程線如圖2所示。1.1心墻體固結沉降量施工期監測成果表明,黏土心墻最大沉降量發生在筑壩高度的1/2~1/3,隨著筑壩高度的增加,最大沉降量的位置逐步上移。這一規律說明,當某層面位置的填土達到一定高度時,該層面以下的土層進一步被壓實而逐漸趨于穩定。如圖3所示,心墻最大沉降量發生在主河床斷面,即0+123斷面至0+175斷面范圍內。由圖2可以看出,施工期心墻的最大沉降量發生在0+175斷面及0+123.5斷面,其單點最大沉降量為422mm,占壩高的0.39%;蓄水1年后,心墻0+060斷面至0+270斷面間單點最大沉降量為455mm,占壩高的0.42%,最大沉降量增加了33mm,占壩高的0.031%;蓄水近4年(2009年4月中旬)后,心墻單點最大沉降量為478mm,占壩高的0.44%,最大沉降量增加56mm,占壩高的0.052%。可見,蓄水對大壩心墻的沉降量影響不大,說明由于施工碾壓機械壓實功能的增強,使心墻土體的固結沉降在施工期已基本完成。0+175與0+123斷面的傾度為0.01%~0.18%,遠小于1%,說明心墻沉降比較小而且均勻。1.2壩高lm的壩高施工期壩殼料最大沉降量位于為0+175斷面的CH4測點,該處最大填筑高度為82.0m,最大單點沉降量為212mm,占壩高的0.258%。該斷面CH2和CH3點處的最大單點沉降量分別為121mm和94mm,占壩高的0.135%和0.140%。由此表明,壩殼料的沉降量小于黏土心墻的沉降量;CH4位于心墻上游,其沉降量相對偏大與長期浸泡有關。蓄水1年后,壩殼料CH2和CH3點處的最大單點沉降量分別為139mm和115mm,占壩高的0.156%和0.172%,沉降量分別增加了18mm和21mm,占壩高的0.020%和0.031%(CH4蓄水后被水淹沒);蓄水近4年后,沉降量分別為144mm和127mm,占壩高的0.026%和0.049%,沉降量分別增加了23mm和33mm。說明壩殼料碾壓較密實,蓄水對大壩壩殼料的沉降量影響也不大。2壩體基礎滲壓計大壩共設置了0+060,0+123.5,0+175,0+223,0+270等5個滲流監測斷面和左、右岸繞壩滲流測壓管(左、右岸各4根)。在各斷面基礎帷幕前、后及不同高程的心墻中布置了滲壓計,在0+175斷面布設4根測壓管,其中2根在黏土心墻中,2根在壩殼料中。在0+175斷面心墻后基礎部位壩殼料中也布置了滲壓計,如圖1所示。水庫于2005年6月底開始蓄水,到12月中旬達到本次蓄水的最高水位989.7m高程。2006年至2008年,每年最高庫水位分別為994.8m,995.9m,998.0m。2.10壩體防滲水位上升圖4、圖5所示為0+175斷面滲透水位過程線。由圖4、圖5可看出,帷幕前鉆孔埋設的S1滲壓計水位完全隨庫水位的變化而變化,其滲透水位比庫水位低7m,帷幕后鉆孔埋設的S2滲壓計的滲透水位比庫水位低40m,帷幕削減水頭達82%,說明0+175斷面帷幕防滲效果良好。其他埋設在基礎面上的滲壓計的滲透水位也都有不同程度上升。埋設在壩殼料基礎面上的S5,S6,S7,S8,S9,UP3,UP4的滲透水位上升了6m左右,達到壩體排水高程915.0m后,都不再隨庫水位的升高而上升。埋設在黏土心墻0+175斷面935.0m高程的S10,S11滲壓計和965.0m高程的S12,S13滲壓計,在蓄水初期測值都沒有變化。在935.0m高程,軸線處S10的滲透水位從2005年10月底開始上升,心墻下游側S11的滲透水位在2006年8月初也開始上升。在965.0m高程,軸線處S12的滲透水位于2006年1月底開始上升,下游側S13的滲透水位到2007年1月初開始上升,上升幅度為1.2m。安裝在黏土心墻壩軸線處907.0m高程的UP1測壓管,蓄水50d后測壓管水位開始上升,UP1與壩軸線處的S10和S12變化規律相同,最高測壓管水位為964.6m。安裝在心墻下游的UP2測壓管的最高水位為956.3m。2.20滲透水位變化0+123斷面與0+175斷面的變化規律基本相同。帷幕前鉆孔埋設的S26滲壓計水位與庫水位的變化一致,而且很接近,比庫水位低6m。帷幕后鉆孔埋設的S27滲壓計的滲透水位比庫水位低32m,削減水頭達81%,說明0+123斷面帷幕防滲效果良好。埋設在基礎面上的S28和S29滲壓計的滲透水位也都有不同程度上升,心墻下游側S29滲壓計滲透水位從2005年8月中旬開始變化,到2006年7月中旬上升了29m,比庫水位低56m左右;埋設在壩殼料基礎面上的S30,S31,S32,因蓄水前就在壩后排水高程915.0m附近,所以蓄水后到2006年7月中旬,其滲透水位基本沒有變化。埋設在黏土心墻0+123斷面940.0m高程的S33,S34滲壓計和965.0m高程的S35,S36滲壓計,在蓄水初期都沒有變化。在940.0m高程,軸線處S33的滲透水位自2005年11月初開始上升,下游側S34的滲透水位自2006年6月中旬開始上升。在965.0m高程,軸線處S35的滲透水位于2006年1月初開始上升,下游側S36在2006年7月底也開始上升,幅度為4.4m。2.30心墻滲壓計的滲透水位0+223斷面帷幕前、后埋設的滲壓計的變化規律與0+175和0+123斷面有所不同。帷幕前鉆孔埋設的S14滲壓計水位隨庫水位的變化而變化,其滲透水位上升了38m,比庫水位低30m左右,遠遠低于0+123斷面(比庫水位低5m)和0+175斷面(比庫水位低7m),這是由于右岸基巖較為完整,裂隙較少。帷幕后鉆孔埋設的S15滲壓計和其他埋設在基礎面上的滲壓計的滲透水位也都有不同程度上升。心墻下游側S17滲壓計的滲透水位從2006年2月中旬開始上升,到7月中旬上升了12m左右;埋設在壩殼料基礎面上的S18,S19,S20,S21,因蓄水前就在壩后排水高程915.0m附近,所以蓄水后其滲透水位基本沒有變化,到2006年7月,只有S20的滲透水位上升了1.5m左右。埋設在黏土心墻0+223斷面945.0m高程的S22,S23滲壓計和965.0m高程的S24,S25滲壓計,在蓄水初期都沒有變化。在945.0m高程,軸線處S22的滲透水位自2005年11月初開始上升,下游側S23的滲透水位自2006年6月中旬開始上升。在965.0m高程,軸線處S24的滲透水位于2006年1月下旬開始上升,下游側S25到2006年8月中旬也開始上升,上升幅度為5.3m。2.40滲透水位上升埋設在0+060斷面960.0m軸線處的S39的滲透水位自2005年12月底開始上升,下游側S40的滲透水位自2006年10月初開始上升,上升幅度為2.6m。埋設在0+270斷面970.0m高程軸線處的S37的滲透水位自2006年2月初開始上升,下游側S38的滲透水位自2006年11月底開始上升,上升幅度為0.9m。2.5壩身滲流場結果分析安裝在左岸壩肩的UP5,UP6,UP7,UP8測壓管,從2005年6月蓄水到2009年4月底,測壓管水位變化不大,只有UP6測壓管水位在每年夏季有所上升,幅度為5.0m左右,初步分析與降雨和附近的斷層有關,而與庫水位關系不大,可基本判斷大壩左岸沒有繞壩滲流。到2009年4月底,安裝在右岸的UP9,UP10,UP11,UP12測壓管水位較左岸變化大,經觀察分析認為右壩肩山體較薄,壩肩處巖層裂隙較發育,測壓管水位受上游庫水位和降雨影響相對明顯。綜上所述,0+175,0+123,0+223這3個主監測斷面的滲流規律基本相同。帷幕前鉆孔埋設的滲壓計的滲透水位與庫水位接近;帷幕后鉆孔埋設的滲壓計的滲透水位比庫水位低30m~50m,在心墻的935.0m~945.0m高程埋設的滲壓計,心墻軸線處測點的滲透水位于2005年10月底都已陸續開始上升,心墻下游側埋設的滲壓計的滲透水位在2006年6月也都陸續開始上升。說明在上述3個斷面的935.0m~945.0m高程,2006年6月初已形成浸潤線,965.0m~970.0m高程到2006年8月中旬(0+175斷面的S13到2007年1月)也基本形成浸潤線。2008年9月中旬,庫水位達到最高值998.0m時,心墻各斷面在935.0m~970.0m高程的滲壓計達到最高滲透水位的時間比最高庫水位滯后45d~60d。壩殼料基礎面埋設的滲壓計的滲透水位上升到壩后排水體高程915.0m后,均不再上升。3壩體中間土壓力計組tu2在大壩黏土心墻0+175和0+223斷面(心墻內935.0m,945.0m,965.0m高程處)埋設10組土壓力計,在0+060和0+270斷面(心墻內960.0m和970.0m高程處)埋設6組土壓力計,共埋設16組,其中2組為三向土壓力計組,14組為二向土壓力計組,用以監測土體應力和土體是否產生拱效應等情況。土壓力過程線如圖6所示。從圖中可以看出,在施工期隨著填土高度的增加,土壓力值不斷增加。在壩體中間2個斷面(0+175和0+223)上,水平方向(承壓面平行壩面)埋設的土壓力計的測值大于上、下游方向(承壓面垂直壩面且朝向上游)埋設的土壓力計,上、下游方向埋設的土壓力計的測值大于左、右岸方向埋設的土壓力計,軸線處埋設的土壓力計的測值大于心墻上、下游側的土壓力計測值。2005年6月底蓄水后,安裝埋設在心墻上游側的土壓力計組的測值完全隨庫水位的升降而變化;壩軸線上游附近的土壓力計組的測值也隨庫水位的上升而上升,但當滲透水到達測點處而使土體飽和時(2005年10月底,935.0m高程上游側,即TU2土壓力計組埋設處的S10測值開始上升),土顆粒的支撐作用減小,土壓力計組的測值也迅速下降。在上層土荷載的作用下,土體進一步密實后,TU2三向土壓力計組3個方向的測值基本相等并同時逐步上升(這時的土壓力測值中包含著部分水壓力),壩軸線下游側安裝埋設的土壓力計組的測值變化不大。蓄水后,黏土心墻斷面上的土壓力分布與施工期不同。在施工期,心墻壩軸線處的土壓力值大于心墻上游側,心墻上游側的土壓力值大于下游側;在運行期,心墻上游側的土壓力值大于心墻壩軸線處,心墻壩軸線處的土壓力值大于心墻下游側,符合正常規律。4壩體沉降量計算1)運行期心墻單點最大沉降量為478mm,占壩高的0.44%,說明心墻沉降量較小,壓實指標設計合理,施工質量良好。2)運行期心墻沉降量增加很少,蓄水對大壩心墻沉降量影響不大。到2009年4月底(蓄水4年)后,心墻0+060至0+270斷面間,最大沉降增量為56mm,占壩高的0.052%,說明心墻的沉降量主要發生在施工期