瀑布沟砾石土心墙堆石坝变形分析

李 鹏 文 豪

（1.国电大渡河流域水电开发有限公司，成都 610041；2.国电大渡河公司库坝管理中心，四川乐山 614900）

1 工程概况

瀑布沟水电站位于大渡河中游，跨四川省西部汉源县和甘洛县两县境.枢纽区位于瓦山断块西侧大渡河由北向南急转向东流的“L”型河湾地段，河流深切，呈“V”型峡谷地貌.右岸为河流凹岸，主河床偏向右岸，坡度一般40～45°；左岸为河流凸岸，东西向岸坡相对较陡，平均坡度大于60°.河床覆盖层厚度一般40～60m，最厚70～80m，由老到新堆积顺序为第①层漂卵石层（Q32）、第②层卵砾石层（Q41－1）、第③层含漂卵石夹透镜状砂层（Q41－2）、第④层漂（块）卵石层（Q42）［1］.瀑布沟砾石土心墙堆石坝坝轴线走向为N29°E，坝顶高程856.00m，底高程670.00m，最大坝高186m，坝顶长540.5m，上游坝坡1∶2和1∶2.25，下游坝坡1∶1.8，坝顶宽度14m，底宽96.0m.心墙顶高程854.00m，顶宽4m，上、下游侧坡度均为1∶0.25.心墙上、下游侧各设二层反滤层，层厚上游均为4.0m，下游均为6.0m.水库正常蓄水位850.00 m，校核洪水位853.78m.坝体断面主要分为4个区，即砾石土心墙、反滤层、过渡层和堆石区；围堰与坝体堆石部分结合.大坝抗震设防烈度为8度［1］.

瀑布沟水电站于2004年3月30日正式开工，2005年11月22日实现河道截流.2009年11月1日2号导流洞下闸，水库开始蓄水，12月13日蓄水至死水位（790m高程）.自2010年5月8日开始二期蓄水，至2010年10月13日水库蓄水位已达到正常水位850.00m高程，创造了大型水库一个汛期蓄水至正常高水位的新纪录.以后每年均消落至死水位并蓄水至正常蓄水位.

2 变形监测布置方案［2－3］

在坝体表面布置104个位移标点，既作水平位移观测又作沉陷观测，分别在大坝坝顶0－005.00和坝顶0＋005.00及坝0＋000.00桩号、下游坝面在806 m、756m、731m高程平行坝轴线方向及上游795m高程马道各布设一条监测断面.

在坝体内部布置了4个变形监测断面（桩号分别为0＋128.00m、0＋240.00m、0＋310.00m和0＋431.00m），在各断面806.00m、758.00m、731.00m高程的心墙防渗体下游坝坡反滤层、过渡层、堆石体中分别布设引张线式水平位移计（CH）和水管沉降仪（VE），用以监测坝体内部分层水平位移和沉降位移.典型断面变形监测布置图如图1所示.

图1 砾石土心墙坝典型断面变形监测点布置图（0＋240.00）

3 变形监测资料分析

3.1 坝体外部变形分析

图2～4为大坝外部观测点最后一次测值的空间分布图，其中上游795m马道的测值是二期蓄水前（2010年5月）的数据，其它部位是最近观测数据（2012年10月）.其中，水平位移向下游、向左岸为正，反之为负；垂直位移下沉为正，反之为负.

图2 大坝左右岸方向测值分布曲线图

图3 大坝顺河向测值分布曲线图

图4 大坝铅直向测值分布曲线图

由图可知，在左右岸方向，大坝左岸向右变形，最大变形为196.00mm（桩号0＋128.00m，坝轴距0～005.00m）；右岸向左变形，最大变形为214.77mm（桩号0＋431.00m，坝轴距0～005.00m）.在顺河向方向，上游坝体向上游变形，最大位移为209.31mm（桩号0＋078m，坝轴距0～005.00m）；下游坝体向下游变形，最大累积位移为569.88mm（桩号0＋501.00m，坝轴距0＋116.00m）.在铅直方向上，坝体整体沉降，最大累计沉降为1 055.21mm（桩号0＋240.00m，坝轴线上游0～005.00m处）.

总体来看，左右岸方向坝体呈沉降、压缩变形，且右岸变形比左岸大，主要是右岸岸坡较陡；顺河向方向坝体整体呈沉降、扩展变形，且上游变形比下游大，主要是因为上游坝体受库水位影响产生湿化变形；铅直方向上，坝体整体沉降，且随着高程的增加，变形也不断增加，主要是坝高沉降累计所致.坝体外部变形符合土石坝变形规律，整体变形正常.

3.2 坝顶外部变形分析

图5～7为坝顶各点在不同时间的空间分布图.可以看出，一期蓄水后，上游坝坡EL790m以下受水浸泡软化，心墙及上游坝体在顺河向上整体向上游位移；二期蓄水后随库水位升高，坝顶及下游坝坡在顺河向上整体呈现向下游位移，且随库水位变化坝顶变形在顺河向上整体呈现往复变形，并逐渐趋于稳定.左右岸方向和铅直向位移随着时间推移不断增加，并趋于收敛.

图5 坝顶0－5m桩号顺河向位移空间分布图

图6 坝顶0＋5m桩号坝轴线方向位移空间分布图

图7 坝顶0＋0m桩号沉降空间分布图

总体来说，坝顶变形在空间分布符合土石坝变形规律，在时间上虽受库水位变化的影响，但总体趋于收敛，坝体整体运行正常.

3.3 心墙区沉降变形分析

图8～10为典型断面不同高程测环累计沉降时间过程线.由于坝体变形复杂，高程较低的各测环相继堵管，仅824m高程以上的各测环有大坝整体填筑完成后的监测数据.图10中，各观测数据2009年12月10日突然明显增大，11日恢复到原趋势，29日再次明显增大，这主要是观测仪器的调试所致，不影响坝体变形整体规律.

图8 0＋310断面坝轴线累积沉降过程线（下部）

图9 0＋310断面坝轴线累积沉降过程线（中部）

图10 0＋310断面坝轴线累积沉降过程线（上部）

从空间分布来看，EL733m高程以下的沉降量随着高程的增加而增加，EL733m高程以上的沉降量随着高程的增加而减小，说明心墙沉降量最大的部位位于坝体约1／3处；从时间过程来看，各测点沉降测值随填筑高程的升高发展较快，填筑完成后测值发展则相对较为缓慢，说明坝体中下部在蓄水前已基本沉降完毕.

2010年5～10月，水库由死水位蓄水至正常蓄水位，从2010年10月到2011年3月，水位从正常蓄水位缓慢向死水位回落，相应的，2010年6～12月，心墙沉降变形速率加大，2010年12月到2011年4月，心墙沉降变形速率稍有减小，反映了水库水位对心墙沉降变形的影响，且变形有一定的滞后性.2011年5月以后，心墙沉降变形随时间以较为稳定的速率发展，且呈现收敛态势.

3.4 堆石区沉降变形分析

图11～12为不同断面堆石区沉降变形空间分布图.从空间分布来看，下游侧堆石区的最大沉降集中于距坝轴线88m至96m（次堆石区），高程731m到758m之间（坝高1／3处），最大沉降为2 441mm，发生在CH8号测点处（溢0＋240m，坝0＋88m，758m高程）.从时间过程来看，CH8施工区沉降量为2 136.8mm，占总沉降量的87.6%，而运行初期沉降变形已趋于稳定，说明堆石料的沉降主要发生在施工期，蓄水过程对下游堆石区的沉降变形影响较小.

图11 0＋240断面不同高程各测点沉降变形

图12 0＋310断面不同高程各测点沉降变形

从空间分布来看，下游堆石区的沉降变形以次堆石区最大，过渡料区次之，反滤料区较小.考虑到心墙区的土料特性，其沉降变形量肯定大于堆石区，因此，坝体下游变形并不协调，这应是瀑布沟大坝坝顶出现浅表裂缝的主要原因.

4 结 论

以瀑布沟砾石土心墙堆石坝内外观变形监测资料为基础，对其主要监测断面变形特征进行了探讨，主要结论如下：

1）由前述分析可知，坝体监测资料总体规律合理，能够真实地反映大坝的实际运行性态.施工期各测点沉降测值随填筑高程的升高发展较快，运行期随时间发展较慢；水位对沉降变形有影响且有一定的滞后性.

2）坝体沉降整体规律性良好，心墙和堆石区最大沉降均位于坝高1／3处.

3）水库运行后大坝变形符合一般规律，大坝整体呈向下游变形的趋势，向顺河向变形的位移、心墙的竖向位移、堆石的竖向位移等监测值均在一般经验值范围内，且已基本收敛，说明大坝运行正常.

4）下游坝体变形不协调，这是导致瀑布沟大坝坝顶裂缝的主要原因.

［1］ 余学明，何 兰.瀑布沟水电站砾石土心墙堆石坝设计［J］.水力发电，2010，36（6）：39－42.

［2］ 涂扬举，王文涛，陈向浩，等.瀑布沟砾石土心墙堆石坝施工期监测分析［J］.水力发电，2010，36（6）：71－74.

［3］ 邢新元，孙文胜.瀑布沟水电站大坝砾石土心墙施工监测分析［J］.湖北水力发电，2009（4）：42－45.