美国史密斯兰德水电站洪水影响监测

[] C.H.

正在建设中的史密斯兰德(Smithland)水电站位于美国肯塔基州俄亥俄河左岸、史密斯兰德闸坝处，装机72 MW，现有闸坝由美国陆军工程师兵团(USACE)拥有和管理，由混凝土闸坝段和蜂窝板桩堰段组成。水电站建成后，将由联邦能源管理委员会(FERC)管理，是一座径流式水电站。需要修建顺河向围堰，开挖30 m深的基坑，基坑四周设置膨润土水泥(SCB)防渗墙，并进行大范围排水。围堰和基坑开挖已经按设计建造合同展开。

为了确保施工期围堰开挖的安全和稳定性，安装了整套的监测系统，安排人员每天对围堰进行安全巡查。2011年春季，发生的特大洪水导致河水位上涨，围堰面临漫顶威胁。在基坑下游围堰设计有应急溢洪道，是在主洪峰到来几周之前建成的，在USACE的指挥下，打开了围堰上的应急溢洪道，采取主动淹没基坑的方法，避免了洪水可能造成的灾害。

在突发洪水、基坑淹没和后续的基坑排水过程中，需要大坝管理者、业主工程师和设计建造团队之间的密切配合，也需要加强大坝安全监测。

场地地层由表层的粉质黏土、中部砂层和下部砂砾石层构成。在中部砂层和下部砂砾石层中，分布有厚度不等、不连续的黏土夹层。下伏基岩为喀斯特化灰岩。

基坑开挖前，先修建SCB防渗墙。在基坑周围修建围堰，围堰的顶部高程106 m，设计基坑底高程74 m。设计基坑边坡坡比1∶2.5，有时因施工需要局部边坡较陡。

1 排水与监测系统

在SCB防渗墙围定的区域内，为了安全有效地开展基坑开挖工作，设计了排水系统，第1圈排水井在37 m×46 m范围周边布设，第2圈排水井在28 m×30 m范围周边布设，排水系统是在现场抽水试验和岩土钻孔结果的基础上设计的。在主动淹没基坑后的排水过程中，排水系统持续排水量为750～950 L/s，最大排水量约为1 260 L/s。

为使渗压计临界值满足基坑开挖的需要，并能实时监控边坡稳定条件，设计了一套监测系统，包括：34个振弦式渗压计，一般成对布置，上、下各一个；10个钻孔原位传感测斜仪，间距3 m；自动测量系统，由一个基站和安装在基坑周围的34块棱镜组成，用于测量边坡位移；相关的数据记录、无线传输硬件，可以将监测数据自动上传到在线数据库，实现远程访问，便于查看任何仪器监测到的数据和数据实时曲线。系统用电由电池提供，电池定期更换以维持系统正常运转。

监测人员根据设计数据和历史情况及时检查对比监测数据，并将堤岸和人工开挖边坡作为一个整体来考虑稳定性。

LB法和Yoder法处理下的植被混凝土团聚体GMD和MWD平均值大小顺序均呈现为草灌乔植被>草灌植被>草本植被。植被的正向演替，促进了土壤的团聚作用，增强了植被混凝土抗蚀性能。LB法中SW模拟了黏土在轻降雨作用下的膨胀作用，FW对应暴雨或灌溉过程中土壤的崩解过程，WS则模拟了机械破碎过程。MWD和GMD值基本表现为SW>FW>WS，表明植被混凝土受到机械扰动作用破坏最大，其次为暴雨和灌溉的作用，在轻降雨作用下团聚体破碎程度最低。因此，对植被混凝土边坡应施用滴灌并重视雨季的有效防护，以提高植被混凝土边坡的抗侵蚀性和稳定性。

除了每天对监测数据进行整理分析，提出日报外，监测工程师每天(或更频繁)还要对边坡稳定性、监测仪器情况、施工活动进行巡查，取得的任何监测数据都要与曾经参加过边坡设计的经验丰富的技术人员进行讨论交流。

2 2011年突发洪水

2011年春，俄亥俄和密西西比河流域发生特大洪水，在史密斯兰德项目场地，洪水漫过了进出场道路，城镇和道路局部被淹，不得不采取主动淹没基坑的措施来保护基坑开挖的安全，直接影响了3月中旬到6月初的工作。该项目设计有带闸门的应急防洪建筑物，并且已经开始建设，但是当洪水到达时，基坑还处于开挖初期，应急防洪建筑物还没有建成。

以工程临时建筑物应急预案和工程建议为指导，按照防洪建筑物设计方案，用抛石、砾石和土工布建成应急泄洪槽。工程中与主动淹没基坑相关事件的大事记如下。

(1) 2011年3月11～25日。进场道路和周边地区被淹，进出现场的唯一交通工具是船只。

(2) 2011年4月。在基坑下游侧，用土工织物、土工格栅、防浪石、抛石建成应急泄洪槽。

(3) 2011年4月26日。进场道路被洪水淹没，应急泄洪槽建成，进洪口(增加的边坡防护工程等等)正在施工；现场交通仅依靠船只。

(4) 2011年4月28日。河水位持续上涨；下部渗压计对河水位上涨开始出现反应，上部渗压计不变；两个测斜仪开始记录读数；经与供应商协商确定，1号测斜仪监测数据异常是由于电力供应问题导致的，4号测斜仪是由于传感器故障引起的。

(6) 2011年5月3日。切断现场电源，排水系统闲置，监测仪器靠电池运行；渗压计开始显现基坑淹没的影响，测斜仪无显著变化。

(7) 2011年5月6日。上游洪峰达到105 m；渗压计水位与河水位、基坑水位一致，测斜仪没有显著变化。

(8) 2011年5月12日。河水位降到104.5 m，基坑开始利用排水井和表面泵排水。初期排水速率为0.3 m/d，对基坑边坡内侧进行快速降水条件下稳定性计算后得出，排水速率增加到1 m/d。根据泵的排水能力和其他因素确定基坑内水位实际下降速率，与设定的下降速率不同。

(9) 2011年5月中旬到6月初。基坑进行排水，边坡的日常监测和仪器监控继续进行。边坡破坏仅限于局部黏性土的浅层滑动和表面砂层冲蚀。

(10) 2011年6月8日。基坑排水大部分已经完成，施工道路维修，包括局部缺陷超挖和复填等边坡恢复工作正在进行。排水过程中没有发生较大的边坡位移或破坏。

(11) 2011年6月13日。重启主要建设工作。

3 基坑淹没和排水监测

基坑开始主动淹没与淹没后，围堰和基坑边坡的监测主要是地下土体特性的监测，土体特性决定着边坡稳定分析的临界破坏模式。根据USACE和联邦能源监管委员会的标准，以及过去类似项目的经验，对以下失稳模式进行了分析：通过围堰和边坡的渗透所造成的内部潜蚀，淹没基坑的水导致的过度表面冲刷，细粒土盖层在排水过程中产生的超孔隙水压力导致的边坡失稳，下部黏土透镜体在不排水和超孔隙水压力条件下产生的块体失稳。

4 内部潜蚀

当河水位上涨到接近堰顶，而基坑尚未淹没时，通过围堰断面的水头差较高，内部潜蚀的风险最高。通过修建良好的嵌岩SCB防渗墙能够很好地缓解内部潜蚀风险。从27，28，29号渗压计的监测数据可以清楚地看出防渗墙的防渗效果，29号渗压计位于场地上游防渗墙的外侧，相邻的一对渗压计，27号和28号位于防渗墙内侧。29号渗压计直接反应了上游河水位，而防渗墙内侧的一对渗压计监测到的水位相对稳定，显示水流穿过SCB防渗墙时水位显著降低。分析基坑淹没前后这些渗压计监测数据的变化趋势得出，在基坑即将淹没和淹没后，SCB防渗墙在降低孔隙水压力方面效果显著。最近，SCB防渗墙前后的水位差较大，反映了排水的持续影响。

邻近区域埋设在相同海拔高度、同一土层中的渗压计的测压水位可以监测潜在的渗透破坏。从淹没开始至今，埋设在相同高程的上部渗压计和下部渗压计监测数据具有明显的一致性，说明基坑周围的SCB防渗墙防渗效果很好。在边坡的日常巡视中，只发现细粒土局部有渗水现象，基坑中从未发现显著的渗漏现象。

5 表面冲刷与边坡失稳

在植被覆盖之前，基坑边坡的砂性土层在暴雨期间表面冲刷严重。通常，强降雨过后，必须对无草区的斜坡进行适当修整。表面冲刷主要发生在应急泄洪槽附近，严格按照临时建筑物应急预案的要求和预先设计的应急防洪建筑物断面尺寸进行施工，可以减轻表面冲刷。在基坑淹没和排水过程中，对应急泄洪槽进行了认真检查，没有发现过水对泄洪槽产生明显的破坏。

场地盖层粉质黏土是人工填土，厚度变化大。下伏砂层，可以自由排水。基坑淹没后，进行的边坡稳定性分析表明，如果上部黏性土在基坑水位下降时不能及时排出所含的水，就极有可能失稳。因为在粉质黏土层中未安装渗压计，因此只能采用岩土勘察所获得的资料进行瞬变渗流分析，确定排水时土体中的孔隙水压力。分析表明，基坑排水时，由于下部砂层的存在，起到了有效的排水作用，在粉质黏土层中超孔隙水压力并未像预计的那样发展。基坑排水时，在粉质黏土层分布范围内，每天都对测斜仪测定的位移曲线进行仔细分析，开展多次现场巡查，没有发现边坡有明显的滑动迹象，但在粉质黏土层和下伏砂层的接触面附近发现有几处浅层潜蚀。

6 下部黏土夹层的块体失稳

设计边坡稳定性计算显示，在不排水条件下，边坡失稳模式是下部黏土夹层的块体失稳。因此在该项目早期，对已有钻孔和试验资料进行了认真研究，补充了部分钻孔以查明黏土夹层的厚度和分布范围。然而补充勘察并未查明下伏黏土夹层的层数及其分布的连续性，因此对基坑开挖边坡进行了设计，假定钻孔中会连续遭遇不排水的黏土夹层，厚度1.5～3.0 m。在黏土夹层不同的分布范围和深度埋设了渗压计。基坑淹没和排水期间场地埋设的渗压计观测数据表明，上部砂层、下部砂砾石层对黏土夹层起到了有效的排水作用，黏土层、砂砾石层中的渗压计监测到的渗压值非常接近，并且具有同步变化特征。在基坑淹没时，仪器读数滞后约1 d，然后快速增长到基坑实际水位。在排水过程中，抽水开始及增加有效抽水量时，SCB防渗墙内的所有渗压计都有明显反应。

在基坑边坡土体中埋设了渗压计和原位倾斜仪，监测边坡土体不同深度的位移情况。在围堰建成后、基坑开挖前，埋设测斜仪。由围堰的附加荷载及排水导致的固结是持续的。

因此，测斜仪测量的初始位移要比在一般预固结场地的大，或者说深部测斜仪的位移量变化较小。4号测斜仪埋设在场地西南角，这里位于历史上的排水渠道，套管安装数周后，再在套管内安装原位测斜仪时发现，由于初始位移量过大，套管已发生破坏。位移增量曲线的左右转折是由于围堰施工和进入基坑的坡道影响造成的，在施工初期，需要在测斜仪埋设处回填土，对斜坡进行切削和回填。

在淹没和排水期，测斜仪没有监测到明显的位移。但在基坑淹没前几天，随着河水位的上涨，现场工程师记录到了两个测斜仪(1号和4号)的位移数值。在对现场进行详细的检查并对记录到位移的两个测斜仪进行核查后，没有发现有其他测斜仪监测到位移，经与测斜仪供应商联系，并对这两个测斜仪进行检查，结果发现4号倾斜仪传感器发生了故障，1号测斜仪供电电压过低导致仪器不能正常工作。这种情况的发生告诫我们，当看到监测数据时，应进行适当的分析，挑选出正确的读数：①对数据的正确性进行核查或重读一次读数；②每个仪器的读数要和其他可用仪器、施工活动、历史监测情况，以及一般感觉等相互应证；③若还不能确定读数的真实性，则应对仪器和场地条件进行严格检查，直到找出导致读数异常的原因。在对监测成果进行分析前，应仔细认真地提供精准的数据，避免项目工作人员无谓的付出，并承受不必要的压力。

7 结 语

2011年初，俄亥俄河发生大洪水后，史密斯兰德水电项目采取了主动淹没基坑的措施，对围堰和基坑区域使用了实时电子仪器进行监测，并对现场进行了详细而频繁的巡查，成功保证了工程建设的安全，并达到了及时有效的复工目的。现在，基坑开挖已经完成，水力发电厂的建设正在进行之中。