蜀山大闸原型观测资料分析及建议

2011-02-10方浙东

水利建设与管理 2011年5期

方浙东

（蜀山大闸管理处余姚 315400）

1 概述

蜀山大闸位于浙江省余姚市凤山街道姜家塔村，距余姚城区约10km。水闸建设规模为中型，Ⅲ级建筑物，水闸共有钢板闸门8孔，每孔净宽12m，总宽96m。设计洪水标准为20年一遇，相应洪水位2.81m，设计洪水流量393m3/s；校核洪水标准为50年一遇，相应洪水位3.07m，校核洪水流量556m3/s。蜀山大闸位于姚江干流中段的姚江平原低洼地段，不但是姚江流域的水利枢纽，而且是杭甬运河的骨干工程。蜀山大闸是当时浙江省水利航运综合工程中规模最大、标准最高、自动化设施最齐全的工程设施，被列为浙江省和宁波市的重点工程。

大闸的建造过程中，成功解决了南方深淤泥地质条件下的基础处理难题，解决了大跨度水闸闸底板、闸墩内力过大问题等，对建设软土地基大净宽连续多孔闸技术进行了成功探索。大闸建成投入运行后，管理单位将工程的观测作为主要工作内容之一，同时对观测资料进行了分析研究，不但对确保大闸运行安全，而且对南方同类水闸的管理以及设计，均具有十分重要的现实意义和借鉴作用。

2 观测项目及资料情况

2.1 观测项目

针对大闸特点，观测工作主要包括渗流观测和变形观测两个方面。

a.渗流观测项目包括上游护坦渗流、上游铺盖渗流、闸基渗流、消力池渗流、下游海漫及水闸右岸的绕渗等。

b.变形观测项目包括闸墩的分缝变形观测及水闸上游平台表面沉降和水平位移观测。

2.2 资料和仪器布设情况

本文主要对余姚市城区蜀山大闸2008年12月21日～2010年12月29日的观测资料进行分析。观测仪器的具体数量见表1。

3 观测资料的整理

3.1 孔隙水压力计

孔隙水压力按下式计算：

式中f0——初始频率，Hz；

K——传感器系数，10-4kPa/Hz2；

fi——实测频率，Hz。

3.2 测缝计

位移按下式计算：

式中V0——初始读数，mV；

Vi——实测读数，mV；

K0——传感器系数，0.05mm/mV。

4 资料分析

根据蜀山大闸提供的观测资料，针对大闸工程安全，对渗流安全、分缝变形、位移变化进行全面系统的分析。

4.1 渗流分析

4.1.1 上游护坦

a.孔隙水压力总体运行平稳，随上游水位波动而有所波动，但两者之间并不完全一致。最高水位日的孔压水位并非最大值，最低水位日的孔压水位并非最小值。这是由于地基土的滲透系数较小，测得的孔隙水压力有滞后所致。

表1 大闸监测仪器布置情况

b.孔压变化值与水位变化值之间并非存在线性关系，例如最高水位与最低水位相差1.27m，而同期孔压变化在0.46～0.81m之间，均值为0.57m。

c.最大孔隙水压力发生在GK15测点，2009年1月31日为92.3kPa，对应孔隙水压力水位为5.03m，比同期上游水位高3.70m。造成测点孔压水位与通水水位不一致的原因在于超静孔隙水压力，由于测点周围为淤泥质粘土，滲透系数相当低，因此超静孔隙水压力消散速度很慢。最小孔隙水压力发生在GK22测点，2009年10月7日为52.3kPa，对应孔隙水压力水位为1.03m，比同期上游水位低0.10m，孔压水位与通水水位基本一致。

d.本分析时段截止日水位与上时段末水位相比下降了0.12m，而测点孔压变化表现为有正有负，大小分别为-0.69m、0.24m、0.07m 和-0.25m，变化值都不大，表明地基处于稳定状态，没有出现异常情况。

4.1.2 上游铺盖

a.孔隙水压力总体上看变化不大，随水位变化而变化，但两者之间的变化值并不完全一致。体现为最高水位日的孔压水位并非最大值，最低水位日的压水位并非最小值。

b.孔压变化值与水位变化值之间不存在线性关系，例如最低水位与截止日水位相差-0.07m，而同期孔压变化在0.62～-0.68m之间，显然两者之间相差较大。造成该现象的原因主要为地基土的滲透系数较小，孔压消散不统一。

c.最大孔隙水压力发生在GK30测点，2009年6月15日为87.5kPa，对应孔隙水压力水位为4.38m，比同期上游水位1.58m高出2.80m。造成测点孔压水位与通水水位不一致的原因与护坦孔隙水压力不一致的原因相同。最小孔隙水压力发生在GK16测点，2009年8月26日为50.0kPa，对应孔隙水压力水位为1.63m，比同期上游水位1.29m高出0.34m，孔压水位与通水水位相差不大。

d.本分析时段截止日水位与上时段末水位相比下降了0.12m，而测点孔压变化表现为有正有负，大小分别为-0.41m、-0.67m和0.44m，变化值都不大，表明地基状态稳定，没有出现异常情况。

e.分析时段末的孔隙水压力比实际水位高出很多，这说明超静孔隙水压力的消散相当缓慢，实际上它与地质情况有关，因为孔隙水压力仪所处位置为淤泥质粘土，渗透性很小，孔压消散需要相当长时间。

4.1.3 闸基底板

a.闸基底板下孔隙水压力的变化比较平稳，规律性较好，孔隙水压力随水位变化而稍有变化，当然两者之间的变化并非一致，表现为：ⓐ最高水位日的孔压水位并非最大值，最低水位日的孔压水位并非最小值；ⓑ孔压变化值与水位变化值之间也没有必然联系，例如最高水位与最低水位相差1.27m，而同期孔压变化在-1.20～0.62m之间，变化值不大。

b.本分析时段截止日水位与上时段末水位相比下降了0.12m，各自对应的上下游水位差仅为0.04m，而测点孔压变化呈现出以下特点：在浅层，孔压变化很小，最大仅为0.24m，在中间层和深层除GK8有所增加外，其余均有明显下降，下降幅度在-0.87～-2.09m之间。表明在大闸运行过程中，地基孔隙水压力仍处于不断消散状态，这一方面体现出闸基的稳定，另一方面体现出闸基的防渗性能良好的特性。GK8有所增加与埋设时孔隙水压力仪穿透粉砂层、与地下水贯通有关。

4.1.4 闸基底板下主观测断面Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ测点的孔隙水压力

断面Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ的变化规律与主观测断面I-I基本一致。在本分析时段截止日水位与上时段末水位相比下降了0.12m、各自对应的上下游水位差仅0.04m的情况下，中间层和深层的孔隙水压力全部表现为下降，并且下降值明显，下降幅度在-1.00～-2.83m之间。这一方面表明闸基防渗情况良好，另一方面也说明随着大闸的稳定运行，地基孔隙水压力仍然在不断消散，闸基处于良好的稳定状态。

4.1.5 水闸右岸绕渗观测点

a.孔隙水压力随水位变化而变化，但两者之间并不完全一致。最高水位日的孔压水位并非最大值，最低水位日的孔压水位并非最小值。

b.孔压变化值与水位变化值之间并非存在线性关系，例如最高水位与最低水位相差1.27m，而同期孔压变化在-0.29～1.12m之间，变化均值为0.45m。

c.本分析时段截止日水位与上时段末水位相比下降了0.12m，各自对应的上下游水位差仅为0.04m，而测点孔压变化表现为有正有负，大小分别为-0.94m、0.02m、-0.04m、0.71m和 0.52m，变化值都不大，表明地基处于稳定状态，没有出现异常情况。

d.孔隙水压力水位与上下游水位差之间没有相关性，即使是在水位差达到最大时，孔隙水压力水位仍呈现出良好的平稳特性，这表明水闸右岸没有绕渗现象。

4.1.6 消力池底观测点

a.孔隙水压力随着水位的增减而同步增减。

b.最大孔隙水压力发生在2009年4月24日，GK12测点处，孔隙水压力为93.3kPa，对应孔隙水压力水位3.43m，比同期下游水位1.17m高2.26m；最小孔隙水压力发生在2009年8月3日，GK40测点处，孔隙水压力为55.9kPa，对应孔隙水压力水位-0.71m，比同期下游水位-0.41m低0.30m。

c.在最低水位日的孔压水位就是最小值，孔隙水压力的变化规律较好，反映出孔隙水压力增加与水位增加值之间基本一致。

4.1.7 下游海漫观测点

可以看出，孔隙水压力随着下游水位的高低而发生变化，并且孔隙水压力增加值与闸水位增加值基本同步。同时，也可以看出，下游海漫段地基透水良好。最大孔隙水压力发生在GK14测点，2009年2月13日对应孔隙水压力水位为3.42m，比同期下游水位1.13m高2.29m。最低孔压水位值全部发生在最低水位日，反映出孔隙水压力增加与水位增加值之间基本一致。

4.2 分缝变形分析

为了解水闸通水后边墩及缝墩的变形情况，在大闸的2个边墩和3个缝墩的上下游两端分别布置了TS型单向测缝计，数量共计10支。

大闸通水以后，分缝变形经过了3个阶段。

第一阶段为大闸通水初期，时间为2007年1月1日～2008年3月11日。该阶段水位比较平稳，没有明显水位差，各点变形量起伏较大，最大张开量为6.40mm。该阶段可以认为是闸体应力应变调整期。

第二阶段为平稳期，时间为2008年3月11日～2009年7月7日。该阶段分缝变形均不大，即使是出现过通水以来最高水位（2007.5.19），其阶段变形仍然不大，最大值仅为3.35mm，最小值为-0.60mm。变形有张开也有闭合，开合量与通水之前的开合量非常接近。

第三阶段为变形开展期，时间为2009年7月7日～2010年12月29日（分析时段末）。该阶段变形主要特征为所有测点变形量明显增大。通过比较可以看出：该阶段上游水位比较平稳，即使是存在明显水位差，但水位差变化与变形的变化之间也没有相关关系。经对水闸管理日记分析后发现，进入7月份以后，各个闸门频繁启闭。据此认为由于闸门的频繁启闭造成闸墩应力状态发生改变，导致变形明显增大。同时，闸门的频繁启闭，也会产生一定振动，从而对变形产生影响。当然是否有其他原因还有待今后在获取大量数据的基础上，作进一步的分析、探讨。

从本分析时段测缝计观测结果可以看出：ⓐ分析时段内上游水位比较平稳，即使是存在明显水位差，但水位差变化与变形的变化之间也没有相关关系；ⓑ本分析时段截止日所有测点的变形均表现为张开，张开量在1.50～5.70mm之间，变形量不大；ⓒ同上分析时段末变形相比较，在本分析时段内所有测点的变形都得到了较好的收缩，最大收缩值达到了6.60mm，表明水闸的运行进入了平稳状态；ⓓ本分析时段内所有测点的变形幅度均不大，最大值出现在缝墩位置TS6测点，其值为8.20mm，同上分析时段变形幅度各值相比呈现出明显的收窄趋势，表明水闸应力状态更趋稳定；ⓔ最大相对变形量在2.8/1000～9.3/1000之间，变形很小。

总之，无论是从大闸分缝变形的绝对值量来讲，还是从相对变形量而言，闸墩变形很小，大闸处于安全状态。

表2 表面位移观测标点观测结果

4.3 位移分析

为了解水闸通水后上游平台表面沉降和水平位移的变形情况，在对应大闸的2个边墩和3个缝墩的上游平台位置分别布置了观测点，数量为8个，观测结果见表2。

从表2可以看出：在两年多的时间内，所有测点均表现垂直位移，即沉降，最大沉降量发生在缝墩4号、5号测点，均为16.00mm，最小沉降发生在边墩1号测点，无沉降。

水平位移观测结果表明：所有测点的水平位移变化量均不大，最大位移变化量发生在7号点，为3.50mm，向西方向（上游）；反方向即向东方向（下游）最大位移变化量发生在1号点，为2.00mm。产生上述现象的原因主要为：2008年初值设置时上下游水位差较大，为1.24m，在水平力作用下，结构发生变形，从而使上游平台整体隆起；2009年测量时上下游水位差减小，为0.48m，水平力的作用减小，结构变形恢复，上游平台变形表现为整体沉降，并稍往上游移动。

同时，从沉降及水平位移观测数值绝对值来看，其值也不大，表明水闸的变形已基本稳定，水闸处于安全状态。