耿瑜平（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州，450003）

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某土石壩心墻變形及滲漏分析研究

耿瑜平（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州，450003）

高土石壩初蓄期控制庫水位抬升速率是確保壩體心墻變形穩(wěn)定的重要措施，通過對大壩心墻不同部位變形和滲流的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為庫水位過快的抬升速率將導(dǎo)致壩體心墻變形過大，過大的心墻變形會降低土體內(nèi)的有效應(yīng)力，在庫水位作用下易產(chǎn)生水力劈裂，造成壩體心墻局部滲漏。

土石壩；心墻；變形；滲流

土石壩是目前壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展最快的一種壩型［1］。其中土質(zhì)防滲體分區(qū)壩是高、中壩中最常用的壩型，包括黏土心墻壩和黏土斜墻壩。對于高土石壩，初蓄期控制庫水位抬升速率可確保壩體心墻變形穩(wěn)定，防止壩體心墻變形過大，降低土體內(nèi)的有效應(yīng)力，減少產(chǎn)生水力劈裂［2］，對大壩的穩(wěn)定性和安全性將產(chǎn)生重要影響。

1　工程概況

某水電站采用高壩引水式開發(fā)，壩型為礫石土心墻堆石壩，壩高147 m，壩頂高程2 138 m，水庫正常蓄水位2 133 m，正常蓄水位以下庫容5.35億m3，死水位2 063 m，調(diào)節(jié)庫容4.43億m3，屬高壩、大型水庫。引水隧洞經(jīng)左岸長約16 km引水至下游地面廠房發(fā)電，利用水頭260 m，裝機(jī)規(guī)模42.6萬kW。

2　監(jiān)測設(shè)備布置

為了觀測壩體在施工及運(yùn)行期的變形和滲流情況，在壩體0+123、0+244和0+320布置了3個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面在2 031 m、2 048 m、2 078 m 和2 108 m高程各布設(shè)有一組水管沉降儀和一組引張線水平位移計（其中一支水管沉降儀測點和一支水平位移計測點布置在心墻內(nèi)距下游反濾層1 m處），在心墻上下游側(cè)、反濾料區(qū)和過渡料區(qū)的2 031 m、2 048 m、2 078 m和2 108 m高程各布設(shè)有一支滲壓計，在0+123和0+320斷面2 048 m高程和0+244斷面2031m高程心墻中部各布設(shè)有一支滲壓計。

3　壩體心墻變形及滲流

該工程自2011年3月15日水庫蓄水至2012年6月底（期間庫水位最高到達(dá)2 102.98 m高程），大壩運(yùn)行一直較為正常。2012年6月底～7月7日，受上游降雨影響，庫水位在8 d內(nèi)從2 102.98 m高程快速抬升至2 123.92 m高程（其中7月1日抬升4.39 m），7月7日開始陸續(xù)在壩頂出現(xiàn)沿壩軸線方向的裂縫，內(nèi)外觀變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn)壩體變形速率陡增，7月12日下游壩面0+244斷面2 108 m高程觀測房內(nèi)水管沉降儀保護(hù)管開始出現(xiàn)滲水。現(xiàn)根據(jù)監(jiān)測成果對壩體變形和滲流進(jìn)行分析。

圖1　壩體典型剖面圖Fig.1 Typical cross section of the dam

3.1壩體心墻沉降變形

圖2　心墻監(jiān)測成果圖Fig.2 Monitoring result of the core wall

大壩施工初蓄期間，庫水位從2011年3月23 日2 019.05 m開始上升，同期壩體從2 111 m高程繼續(xù)填筑，壩體心墻受庫水位抬升及壩體填筑影響，沉降明顯。2011年5月11日壩體填筑到2 136 m高程，庫水位上升到2 072.8 m高程，期間0+123、0+244和0+320測點心墻沉降量分別為134 mm、169 mm和243 mm，平均沉降速率為3.00 mm/d、3.45 mm/d和4.96 mm/d。2011年11月16日庫水位抬升至最高水位2 102.92 m，期間三個測點心墻沉降量分別為161.4 mm、289.0 mm和171.1 mm，平均沉降速率為0.85 mm/d、1.53 mm/d和0.91 mm/d。2012年4月10日庫水位下降至最低水位2 069.35 m，庫水位完成初次抬升回落過程，期間三個測點心墻沉降量分別為71.8 mm、123.1 mm和112.2 mm，平均沉降速率為0.49 mm/d、0.84 mm/d和0.76 mm/d，心墻沉降速率呈逐漸減小趨勢。

表1　心墻平均沉降速率統(tǒng)計表（單位：mm/d）Table 1 Statistics of the average settlement velocity of the core wall

2012年4月11日庫水位開始第二次抬升，2012 年6月29日水位為2 102.98 m，平均抬升速率為0.43 m/d，期間2 078 m高程三個測點平均沉降速率為0.17 mm/d、0.58 mm/d和0.24 mm/d，2 108 m高程三個測點平均沉降速率為0.21 mm/d、0.18 mm/d 和0.22 mm/d。6月30日～7月7日，受上游降雨影響庫水位在8 d內(nèi)從2 102.98 m高程快速抬升至2 123.92 m高程（其中7月1日抬升4.39 m），平均抬升速率為2.62 m/d，監(jiān)測反映心墻出現(xiàn)明顯沉降，壩頂出現(xiàn)沿壩軸線方向的裂縫。至7月15日水位抬升至2 124.58 m高程，期間2 078 m高程三個測點平均沉降速率為2.80 mm/d、3.87 mm/d和1.07 mm/d，2 108 m高程三個測點平均沉降速率為2.72 mm/d、 9.57 mm/d和4.85 mm/d。7月12日開始下游壩面2 108 m高程和2 078 m高程觀測房內(nèi)水管沉降儀保護(hù)管陸續(xù)開始出現(xiàn)滲水。7月16日～11月30日，庫水位在2 124～2 133 m高位運(yùn)行，期間2 078 m高程三個測點平均沉降速率為0.53 mm/d、0.39 mm/d 和0.10 mm/d，2 108 m高程三個測點平均沉降速率為0.90 mm/d、1.05 mm/d和0.58 mm/d。12月1日庫水位開始回落，2013年4月12日回落到最低水位2 063.46 m高程，期間2 078 m高程三個測點平均沉降速率為0.39mm/d、0.39mm/d和0.55 mm/d，2 108 m高程三個測點平均沉降速率為0.75 mm/d、0.81 mm/d 和0.66 mm/d。

2013年4月13日庫水位從2 063.46 m高程開始第三次抬升，11月25日達(dá)到最高水位2128.10 m高程，其后開始回落，2014年3月31日回落到最低水位2 068.82 m高程，期間心墻沉降比較平穩(wěn)，2 078 m高程三個測點平均沉降速率為0.12 mm/d、0.14 mm/d和0.01 mm/d，2 108 m高程三個測點平均沉降速率為0.09 mm/d、0.01 mm/d和0.11 mm/d。

2014年4月1日庫水位從2 068.82 m高程開始第四次抬升，10月21日達(dá)到最高水位2 133.00 m高程，其后開始回落，2015年3月1日回落到最低水位2 085.95 m高程，期間心墻沉降比較平穩(wěn)，2 078 m高程三個測點平均沉降速率為0.14 mm/d、0.07 mm/d 和0.05 mm/d，2 108 m高程三個測點平均沉降速率為0.23 mm/d、0.14 mm/d和0.14 mm/d。

（1）初蓄期受壩體填筑和蓄水影響，心墻沉降變形明顯，施工初蓄期主要受壩體填筑上覆荷載增加影響，初蓄期主要與庫水位抬升及下降高度、速率相關(guān)。

（2）初蓄期水位抬升速率過快易造成壩體心墻變形異常，由于初蓄期高高程壩體心墻土體尚未充分固結(jié)，心墻變形過大會降低土體內(nèi)的有效應(yīng)力，在庫水位作用下易產(chǎn)生水力劈裂造成壩體心墻局部滲漏。

（3）初蓄期心墻沉降變形總體特征為心墻上部沉降速率大于中下部，壩體中部沉降速率大于壩體兩側(cè)，心墻經(jīng)歷2次庫水位抬升回落過程后，沉降變形速率基本穩(wěn)定。

3.2壩體心墻水平變形

為了觀測壩體心墻水平變形，在壩體0+123、 0+244和0+320布置了3個監(jiān)測斷面，每個斷面在2 031 m、2 048 m、2 078 m和2 108 m高程各布設(shè)了一組引張線水平位移計，第一支水平位移計布置在心墻內(nèi)（距下游反濾層1 m心墻處），2 078 m和2 108 m高程監(jiān)測成果見圖3。

圖3　心墻水平位移監(jiān)測成果圖Fig.3 Monitoring result of horizontal displacement of the core wall

水庫初蓄至2012年6月底間，壩體心墻水平變形速率隨庫水位變化較小，總體趨勢是施工初蓄期大于初蓄抬升期，抬升期大于回落期，壩體中部大于兩側(cè)。

2012年6月底至7月15日水位快速抬升期間，壩體心墻水平變形速率異常增大，2 108 m高程三個監(jiān)測斷面監(jiān)測心墻平均水平變形速率為8.01mm/d、12.3 mm/d和9.97 mm/d，期間最大變形速率為10.63 mm/d（7月15日）、19.50 mm/d和16.60 mm/d （7月12日），2078m高程三個監(jiān)測斷面監(jiān)測心墻平均水平變形速率為5.87 mm/d、6.32 mm/d和5.06 mm/d，期間最大變形速率為8.33 mm/d、12.63 mm/d和8.10 mm/d（7月15日）。

2012年7月16日～11月30日，庫水位在2 124～2 133 m高位運(yùn)行，壩體心墻水平變形速率逐漸減小，2 108 m高程三個監(jiān)測斷面監(jiān)測心墻平均水平變形速率為2.23 mm/d、3.08 mm/d和2.42 mm/d，2 078 m高程三個監(jiān)測斷面監(jiān)測心墻平均水平變形速率為1.86 mm/d、2.47 mm/d和1.60 mm/d。

2012年12月初至2015年3月庫水位變化過程中，監(jiān)測壩體心墻在庫水位下降過程中水平變形均有明顯回彈變形，心墻總體變形特征為逐漸減小趨于穩(wěn)定，壩體中部變形量大于兩側(cè)。

從各測點水平變形量統(tǒng)計分析，2 108 m高程三條引張線各基點變形量占到各測點變形量的90%以上，2 078 m高程三條引張線基點變形量占到各測點變形量的72%以上，2 048 m高程三條引張線基點變形量占到各測點變形量的66%以上，反映壩體在庫水位作用下發(fā)生了“推移”變形，隨著壩體高程增加，“推移”變形作用逐漸增強(qiáng)。

表2　心墻平均水平變形速率統(tǒng)計表（單位：mm/d）Table 2 Statistics of the average velocity of horizontal deformation of the core wall

表3　水平變形量統(tǒng)計表Table 3 Statistics of the horizontal deformation

（1）初蓄期受壩體填筑和蓄水影響，心墻水平變形明顯，填筑完成后心墻平均沉降速率逐漸減小，變形特征為壩體中部變形量大于兩側(cè)。

（2）初蓄期水位抬升速率過快易造成壩體“推移”變形，分析原因為壩體異常沉降導(dǎo)致壩體有效應(yīng)力降低，在庫水推力作用下產(chǎn)生移動變形。

（3）初蓄期心墻水平變形總體特征為心墻上部水平變形速率大于中下部，壩體中部水平變形速率大于壩體兩側(cè)，庫水位抬升期水平變形速率大于水位下降期，庫水位下降過程中心墻水平變形均有明顯回彈變形。

3.3壩體滲流

為了觀測壩體心墻滲流，在壩體0+123、0+244 和0+320布置了3個監(jiān)測斷面，每個斷面在2 031 m、2 048 m、2 078 m和2 108 m高程心墻距上游反濾料1 m處、距下游反濾料1 m處、反濾料區(qū)和過渡料區(qū)各布設(shè)了一只滲壓計。

（1）在庫水位變化過程中，心墻各部位距上游反濾料1 m處埋設(shè)的滲壓計監(jiān)測的水頭壓力均與庫水位關(guān)聯(lián)，換算水頭變化特征與庫水位變化特征一致。

圖4　心墻上游側(cè)滲壓監(jiān)測成果圖Fig.4 Monitoring result of the seepage pressure upstream the core all

（2）2012年6月底～7月上旬庫水位快速抬升期間，2 108 m高程三個監(jiān)測斷面心墻距下游反濾料1 m處埋設(shè)的滲壓計監(jiān)測到水壓力變化，P47 （0+123斷面安裝高程2 110.8 m）7月6日（庫水位2 121.77 m）監(jiān)測到滲流水頭，7月14日監(jiān)測滲流水頭消失，P73（0+244斷面安裝高程2 109.6 m）7月9日（庫水位2 124.89 m）監(jiān)測到滲流水頭，7月15日監(jiān)測滲流水頭達(dá)到115.3 kPa，10月13日監(jiān)測水頭達(dá)到最大值122.3 kPa后隨庫水位下降而減小，2013年1月30日庫水位降至2 108.27 m時監(jiān)測滲流水頭消失。P94（0+320斷面安裝高程2 110.1 m）7月3日（庫水位2 115.54 m）監(jiān)測到滲流水頭，7月12日監(jiān)測滲流水頭達(dá)到113.6 kPa后逐漸下降減小，2013年1月30日庫水位降至2 108.27 m時監(jiān)測滲流水頭為6.97 kPa（見圖3）。根據(jù)心墻變形和滲流監(jiān)測分析，壩體心墻可能出現(xiàn)局部滲漏。

（3）其他高程心墻下游側(cè)埋設(shè)的滲壓計和反濾料區(qū)、過渡料區(qū)埋設(shè)的滲壓計在監(jiān)測期間均未監(jiān)測到水壓力變化。

（4）為了查明壩體心墻是否出現(xiàn)滲漏，在壩頂心墻部位沿軸線布置施工了10個鉆孔，孔深46 m，孔底高程2 092 m，并進(jìn)行了物探工作，結(jié)果顯示2 114 m高程以上壩體中部心墻普遍存在滲漏（見圖5）。

（5）根據(jù)壩體心墻滲漏情況，采用灌漿法對2 110 m高程以上心墻進(jìn)行了消缺處理，處理完成后，在庫水位2013年和2014年兩次抬升過程中，上述滲壓計均未監(jiān)測到滲流水頭，說明處理后壩體心墻防滲效果良好。

圖5　壩體心墻探測剖面圖Fig.5 Detection section of the core wall

4　結(jié)語

（1）施工期壩體心墻沉降變形主要與上覆荷載變化相關(guān)，初蓄期主要與庫水位抬升及下降高度、速率相關(guān)。

（2）初蓄期心墻水平變形總體特征為心墻上部水平變形速率大于中下部，壩體中部水平變形速率大于壩體兩側(cè)，庫水位抬升期水平變形速率大于水位下降期，庫水位下降過程中心墻水平變形均有明顯回彈變形。

（3）初蓄期水位快速抬升將會造成壩體心墻沉降速率過大和順河向水平“推移”變形，初蓄期壩體心墻土體尚未充分固結(jié)，異常變形會降低土體內(nèi)的有效應(yīng)力，在庫水位作用下易產(chǎn)生水力劈裂，從而造成壩體心墻局部滲漏。

［1］潘家錚.土石壩［M］.北京：水利電力出版社，1981.

［2］朱俊高，王俊杰，張輝.土石壩心墻水力劈裂機(jī)制研究［J］.巖石力學(xué)，2007，28（3）：487-792.

In the early storage period，the control of reservoir rise rate is an important issue for deformation and stability of the core wall.By analysis of the monitoring data on deformation and seepage in different parts of the core wall，conclusion was obtained that the fast rise of reservoir level would cause larger deformation of the core wall，and the deformation of core wall would reduce the effective stress of soil. With the effect of reservoir water，seepage may occur because of hydraulic fracturing.

rockfill dam；core wall；deformation；seepage

TV698.1

B

1671-1092（2016）03-0027-06

2015-12-30

耿瑜平（1963-），男，河南濟(jì)源人，高級工程師，主要從事水電工程安全監(jiān)測工作。

作者郵箱：gyp0624@sina.com

Title：Analysis of deformation and seepage of the core wall in a rockfill dam//by GENG Yu-ping//Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.