張安平，王曙華

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院規(guī)劃設(shè)計(jì)分院，四川 德陽(yáng)，618000)

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瀝青混凝土心墻堆石壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)分析

張安平，王曙華

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院規(guī)劃設(shè)計(jì)分院，四川 德陽(yáng)，618000)

通過(guò)四川省萬(wàn)源市寨子河水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)備的布置，簡(jiǎn)述土石壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)備布置的依據(jù)、方法、監(jiān)測(cè)設(shè)備選擇、數(shù)據(jù)采集整理等工作內(nèi)容，淺析了不同級(jí)別及材料分區(qū)的瀝青混凝土堆石壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

寨子河水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè) 滲流監(jiān)測(cè) 表面變形監(jiān)測(cè) 內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)

1 概述

壩體監(jiān)測(cè)是土石壩設(shè)計(jì)、水工監(jiān)測(cè)的重要組成部分。根據(jù)國(guó)內(nèi)的研究經(jīng)驗(yàn)，土石壩任何形式的破壞，都不是偶然發(fā)生的，而是一個(gè)由量變到質(zhì)變的發(fā)展過(guò)程。壩體監(jiān)測(cè)的主要目的就在于監(jiān)督其量變過(guò)程，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)資料的整理分析，了解它的工作狀態(tài)，掌握其發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)是否能及時(shí)作出判斷，以便在必要的時(shí)候制定必要的工程措施，確保壩體在施工過(guò)程中及運(yùn)行期的安全。

土石壩安全監(jiān)測(cè)主要包括：變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)和地震監(jiān)測(cè)等。根據(jù)不同級(jí)別及高度的土石壩，應(yīng)設(shè)置以下監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：

(1)1級(jí)、2級(jí)高壩應(yīng)設(shè)置以下監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：

①壩面處垂直位移，水平位移和接縫位移；

②壩基沉降；

③壩體內(nèi)部垂直位移；

④滲透流量、滲透水透明度和水質(zhì)。

(2)根據(jù)工程具體情況，1級(jí)、2級(jí)高壩可增加以下專門性檢測(cè)項(xiàng)目：

①壩體內(nèi)部水平位移；

②壩體內(nèi)部土體的應(yīng)力應(yīng)變；

③壩體與其他建筑物接觸面的土壓力；

④混凝土防滲墻、鋼筋混凝土及瀝青混凝土防滲體的應(yīng)力和應(yīng)變；

⑤地震；

⑥岸坡穩(wěn)定；

⑦其他(如波浪、水庫(kù)水質(zhì)污染等)。

(3)3級(jí)壩及4級(jí)、5級(jí)壩高大于30m的壩應(yīng)設(shè)置下列監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：

①壩面垂直位移和水平位移；

②滲流量；

③根據(jù)具體情況監(jiān)測(cè)壩體和壩基的空隙水壓力計(jì)壩體的浸潤(rùn)線。

目前我省在建的中型水庫(kù)大部分為當(dāng)?shù)夭牧蠅巍潦瘔危髩畏罎B體主要采用瀝青混凝土心墻、黏土心墻、鋼筋混凝土面板三種形式，其中以瀝青混凝土心墻防滲居多。為保證工程安全，實(shí)時(shí)掌握大壩變形及滲流變化的情況，布置安全監(jiān)測(cè)設(shè)備是十分必要的。

現(xiàn)以四川省萬(wàn)源市寨子河水庫(kù)工程(2級(jí)高壩)大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)備的布置方案，分析大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)備在中、高土石壩中的應(yīng)用。

2 寨子河水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)布置方案

2.1 攔河大壩結(jié)構(gòu)形式

寨子河水庫(kù)瀝青混凝土心墻堆石壩壩頂高程880.00m，壩頂寬10.0m，最大壩高95.20m，壩頂軸線長(zhǎng)227.00m。瀝青混凝土心墻位于壩軸線上游2.00m處，高程840.00m～880.00m厚度為0.50m，高程814.00m～840.00m厚度為0.60m，高程788.00m～814.00m厚度為0.70m，高程788.00m以下至心墻底部787.00m為擴(kuò)大段，心墻與基礎(chǔ)接合部設(shè)置寬8.0m、厚1.0m的C20混凝土基座作為帷幕灌漿和固結(jié)灌漿的蓋板。瀝青混凝土心墻底部從寬0.7m擴(kuò)大到寬1.4m與混凝土基座連接。上、下游壩殼均采用新鮮灰?guī)r碾壓石渣料填筑，上游壩坡1∶1.70，下游壩坡1∶1.25。下游壩坡設(shè)七級(jí)馬道，馬道寬7.0m。大壩橫剖面如圖1所示：

圖1 寨子河大壩橫剖面

2.2 大壩監(jiān)測(cè)設(shè)備的布置依據(jù)

由于寨子河大壩高95.20m，屬于2級(jí)高壩，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理性及大壩結(jié)構(gòu)形式的安全性，以大壩應(yīng)力應(yīng)變?nèi)S分析計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，按照SL551-2012《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，布置了大壩滲流及變形監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2.3 大壩滲流監(jiān)測(cè)設(shè)備布置方案

寨子河水庫(kù)攔河大壩壩殼料采用新鮮灰?guī)r堆石料，滲透系數(shù)為1.0×10-1cm/s，屬?gòu)?qiáng)透水材料。防滲體采用瀝青混凝土心墻，滲透系數(shù)為<1.0×10-8cm/s，屬不透水材料。根據(jù)水庫(kù)蓄水至校核水位時(shí)壩體空隙水壓力計(jì)算結(jié)果，心墻上游壩體空隙水壓力隨壩前水深的增加而增大，且基本上與壩前水頭值一致。心墻下游壩體高程807.00m以上空隙水壓力基本為零，高程807.00m以下空隙水壓力介于0～200KPa之間。整個(gè)大壩填筑為全斷面填筑施工上升，不存在因分區(qū)填筑合攏施工的薄弱環(huán)節(jié)。大壩心墻基礎(chǔ)做了帷幕灌漿，帷幕灌漿控制深度及防滲指標(biāo)為q≤3Lu，防滲效果好。大壩心墻基礎(chǔ)及壩殼料基礎(chǔ)均為灰?guī)r，且無(wú)溶洞等地質(zhì)缺陷，所以大壩滲流監(jiān)測(cè)重點(diǎn)在于對(duì)大壩下游堆石壩體空隙水壓力的監(jiān)測(cè)，選取河床最大壩體橫斷面—壩橫0+143.00作為監(jiān)測(cè)斷面即可滿足要求。

在壩橫0+143.00斷面上游側(cè)，距正常蓄水位877.50m以上1.0m(壩縱0-007.30處)布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)；分別在心墻下游側(cè)壩縱0+005.00、壩縱0+035.00、壩縱0+077.00、壩縱0+125.00處各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。大壩滲流監(jiān)測(cè)詳細(xì)布置見圖2。

圖2 大壩滲流監(jiān)測(cè)布置

壩體滲透壓力監(jiān)測(cè)均采用管埋Φ110mm鋼管，內(nèi)置VWP振弦式滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)。滲壓計(jì)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)壩體內(nèi)預(yù)埋的電纜實(shí)時(shí)傳送至樞紐中控室。

大壩滲漏量觀測(cè)通過(guò)設(shè)置壩后的三角量水堰進(jìn)行。

2.4 大壩變形監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

2.4.1 大壩變形監(jiān)測(cè)重點(diǎn)部位的確定

寨子河水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)包括大壩表面變形監(jiān)測(cè)和壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)。壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)又包括壩殼料填筑體變形監(jiān)測(cè)及瀝青心墻防滲系統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)，其中心墻防滲體變形監(jiān)測(cè)為整個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的重中之重。

大壩運(yùn)用壩體材料靜力計(jì)算方法，采用鄧肯—張非線性E-B模型，建立有限元模型模擬了大壩蓄水至校核水位時(shí)大壩水平位移和垂直位移變形情況。

根據(jù)大壩變形等值線圖結(jié)果可以看出，大壩心墻基座下游側(cè)垂直應(yīng)變及水平應(yīng)變均不大，且大壩上下游均采用新鮮灰?guī)r堆石料填筑，心墻兩側(cè)過(guò)渡料也采用新鮮灰?guī)r加工，灰?guī)r堆石料和過(guò)渡料模量數(shù)之比為1.13，且瀝青心墻模量?jī)H為168，適應(yīng)變形性能好，心墻變形與周圍堆石體較為協(xié)調(diào)，未見明顯的應(yīng)力集中和變形突變，所以不會(huì)產(chǎn)生拱效應(yīng)導(dǎo)致心墻拉裂。除非因大壩防滲體有質(zhì)量缺陷，壩體出現(xiàn)管涌等水力破壞，導(dǎo)致下游壩體塌陷甚至滑動(dòng)。

由此可見，大壩表面監(jiān)測(cè)重點(diǎn)為心墻下游壩殼料的變形情況。大壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)重點(diǎn)為瀝青混凝土心墻與壩殼料結(jié)合處、瀝青混凝土心墻與混凝土基座結(jié)合處的應(yīng)力及變形情況。

2.4.2 大壩表面監(jiān)測(cè)設(shè)備的布置

(1)在大壩最大斷面壩橫0+143.00布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中上游壩面正常蓄水位以上1.0m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，下游壩面布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)下游壩面位移變形。

(2)在大壩最大斷面兩側(cè)壩橫0+163.00及壩橫0+083.00處布置兩條監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)下游壩面的位移變形。

(3)每條大壩監(jiān)測(cè)縱斷面靠近壩肩處設(shè)置工作基點(diǎn)及校核基點(diǎn)，選取任意三個(gè)不在同一條直線上的工作基點(diǎn)旁設(shè)置水準(zhǔn)點(diǎn)。工作基點(diǎn)及校核基點(diǎn)基礎(chǔ)須置于穩(wěn)定基巖基礎(chǔ)之上，基點(diǎn)監(jiān)測(cè)墩頂部距離地面距離大于1.20m。寨子河大壩表面監(jiān)測(cè)設(shè)備布置見圖3。

圖3 寨子河水庫(kù)大壩表面監(jiān)測(cè)平面布置

2.4.3 大壩堆石體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

大壩堆石體水平位移采用振弦式水平位移計(jì)監(jiān)測(cè)，豎向位移采用水管式沉降儀監(jiān)測(cè)。振弦式水平位移計(jì)和水管式沉降儀配套成組埋設(shè)。寨子河大壩堆石體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)設(shè)備布置如下：

(1)在大壩最大斷面壩橫0+138.00，高程807.00m(15個(gè)測(cè)點(diǎn))，高程826.00m(11個(gè)測(cè)點(diǎn))，高程845.00m(7個(gè)測(cè)點(diǎn))，高程863.00m(4個(gè)測(cè)點(diǎn))處成組埋設(shè)振弦式水平位移監(jiān)測(cè)計(jì)和水管式沉降儀。

(2)在壩橫0+083.00級(jí)壩橫0+163.00處分層埋設(shè)水平位移計(jì)和水管式沉降儀。埋設(shè)高程及測(cè)點(diǎn)數(shù)量與壩橫0+138.00處相同。

寨子河水庫(kù)大壩堆石填筑體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)設(shè)置布置圖見圖4。

圖4 大壩堆石體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

2.4.4 大壩瀝青混凝土心墻變形監(jiān)測(cè)

瀝青混凝土心墻監(jiān)測(cè)主要包括心墻撓度變形監(jiān)測(cè)及心墻與混凝土基座之間的裂縫監(jiān)測(cè)。心墻發(fā)生變形產(chǎn)生撓度的同時(shí)，心墻與過(guò)渡料之間也會(huì)產(chǎn)生裂縫，所以心墻撓度變形采用固定測(cè)斜儀與錯(cuò)縫計(jì)組合監(jiān)測(cè)，心墻與混凝土基座之間的裂縫采用錯(cuò)縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

由于大壩心墻上下壩殼料材料均一，變形模數(shù)相近，心墻變形主要來(lái)自上游水頭對(duì)心墻的水平推力作用，或者由于管涌現(xiàn)象，下游壩體發(fā)生大的不均勻沉降對(duì)其產(chǎn)生的拉力而出現(xiàn)撓度和裂縫等問(wèn)題，所以監(jiān)測(cè)撓度的固定測(cè)斜儀埋設(shè)于心墻上游側(cè)與過(guò)渡料的結(jié)合處，錯(cuò)縫計(jì)埋設(shè)于瀝青混凝土心墻下游側(cè)。

瀝青心墻與混凝土基座結(jié)合處為大壩灌漿帷幕和瀝青混凝土心墻防滲體的銜接部位，根據(jù)圖5、圖6所示，此部位水平及垂直位移都較大，且出現(xiàn)了輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象。所以在大壩心墻與混凝土底座結(jié)合處，由河床水平段(高程787.00m)開始，沿鉛直方向每升高10.00m布置一個(gè)位錯(cuò)計(jì)，用以檢測(cè)瀝青混凝土心墻和心墻基座之間的裂縫變化情況。

圖5 瀝青混凝土心墻變形監(jiān)測(cè)縱剖面

圖6 瀝青混凝土心墻變形監(jiān)測(cè)縱剖面

3 大壩監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集及整理

大壩壩體滲流監(jiān)測(cè)及壩體內(nèi)部堆石體及心墻變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均通過(guò)埋設(shè)于壩體電纜傳輸至壩后的監(jiān)測(cè)房中，再通過(guò)監(jiān)測(cè)房交換機(jī)傳輸至水庫(kù)樞紐中控室。工程建設(shè)管理單位宜委托具有相應(yīng)專業(yè)資質(zhì)和能力的科研單位與監(jiān)測(cè)設(shè)備供貨單位一起，對(duì)采集的數(shù)據(jù)定期進(jìn)行整理分析，定期向業(yè)主提供觀測(cè)報(bào)告。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)水利項(xiàng)目的投資持續(xù)增加，涉及到公共安全的水庫(kù)大壩，布置合理、經(jīng)濟(jì)的安全監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)保證大壩安全至關(guān)重要。作者通過(guò)分析10多座中型水庫(kù)工程，對(duì)瀝青混凝土心墻堆石壩的安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)要從以下四個(gè)方面考慮：

(1)對(duì)于3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)大壩，材料分區(qū)少，且各區(qū)材料變形模數(shù)變化不大，建議只做滲流監(jiān)測(cè)及大壩表面變形監(jiān)測(cè)。大壩表面變形監(jiān)測(cè)采用在壩面設(shè)置混凝土監(jiān)測(cè)墩，采用視準(zhǔn)線法進(jìn)行監(jiān)測(cè)即可。

(2)對(duì)于3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)大壩，若壩體材料分區(qū)多，又或不同分區(qū)處填筑材料變形模數(shù)差別較大，則除了布置滲流監(jiān)測(cè)設(shè)備和表面監(jiān)測(cè)設(shè)備外，還需布置大壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)設(shè)備。若有科研要求，在大壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)設(shè)備位置再增加與變形監(jiān)測(cè)設(shè)備相配套的應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備。

(3)對(duì)于2級(jí)及2級(jí)以上的大壩，若壩體材料分區(qū)少，且不同分區(qū)處填筑材料變形模數(shù)差別小，則布置滲流監(jiān)測(cè)、大壩表面變形監(jiān)測(cè)，內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)即可滿足要求。若材料分區(qū)多，不同分區(qū)填筑材料模數(shù)差別較大，又或有科研要求，則需在不同材料分區(qū)銜接部位加密布置內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)設(shè)備和應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備。

(4)對(duì)埋設(shè)了大壩內(nèi)部變形及應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備的土石壩，工程建設(shè)管理單位宜委托具有相應(yīng)專業(yè)資質(zhì)和能力的科研單位與監(jiān)測(cè)設(shè)備供貨單位一起，對(duì)采集的數(shù)據(jù)定期進(jìn)行整理分析，并提交分析報(bào)告。

〔1〕SL 725-2016，水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

〔2〕SL 551-2012，土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

〔3〕何勇軍，劉成棟，向 衍等.大壩安全監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化[M].北京：中國(guó)水利水電出版社出版發(fā)行，2008.

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