深厚覆盖层上高砾石土心墙堆石坝变形监测分析

冯 蕊，何蕴龙

（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

1 引 言

土石坝因其在结构、取材、适应地基变形等方面的优点成为我国水电事业蓬勃发展的西南地区优先考虑和采用的坝型。随着碾压技术的提高和土力学理论的发展，心墙防渗料不再严格地限于黏土、壤土等细粒土，多采用风化料或掺砾混合土料这类宽级配料。 我国西部地区河流中深厚覆盖层普遍发育，坝体往往建于深厚覆盖层上，目前在建和拟建坝高100～200 m 量级的土石坝已有10座以上[1]，甚至有些300 m以上的高坝也在规划中，但在高砾石土心墙堆石坝迅猛发展的同时也出现了一些亟待解决的问题诸如坝体变形预测与控制等。

土石料是一种典型的散粒体材料，其多样性和复杂性决定了土石坝应力变形所受的影响因素甚多而且复杂，尤其是在水库蓄水之后。另外，除了施工期和蓄水期的加载变形外，坝体的蠕变和湿化作用引起的变形也是土石坝变形的重要部分[2]。工程经验表明，过大的后期变形通常是导致土石坝裂缝等破坏现象的主要原因[3]。无论是从理论方面还是从试验、数值模拟等方面都有不同学者采用不同的方法进行了研究，研究结论有差异[3－10]，因此需要对这类土石坝的变形及应力规律有一个清晰完整的认识，坝体的监测资料是正确认识坝体的变形规律重要的依据。

关于深厚覆盖层上的砾石土心墙堆石坝的监测资料较少，本文分析了建在深厚覆盖层上的百米级高砾石土心墙堆石坝硗碛大坝的监测资料，并对在坝高、覆盖层深度以及河谷宽度、监测布置等方面都与硗碛大坝具有相似性的毛尔盖大坝进行对比。在施工期和运行期对两座大坝都进行了监测，虽然监测资料不十分全面，但基本上反映出不同时期的变形规律，通过对比分析两座大坝的监测信息，探讨了坝体变形的规律性以及影响因素，分析结果对同类坝型具有参考意义。

2 工程概况及监测设计

2.1 工程概况

硗碛工程位于雅安市宝兴县东河上游河段，为砾石土心墙堆石坝，最大坝高 125.50 m，坝顶长439.80 m。坝体位于深厚覆盖层上，坝基混凝土防渗墙嵌入基岩2.0 m，最大深度为70.5 m。大坝结构图如图1所示。

图1 硗碛大坝结构(单位:m)Fig.1 Structural diagram of Yaoji dam(unit:m)

2.2 监测设计

硗碛大坝安全监测系统比较完整，涉及渗流、变形、位错、应力、应变等信息，用来监测大坝主体、廊道和防渗墙的安全性态，表1为坝体填筑和蓄水特征。本文对典型剖面（纵0+215.00 m）主要就坝体和心墙的的变形监测结果进行分析。心墙中央布置固定式测斜仪，共7个测点，自上向下编号为IN1～IN7，埋设高程分别为2124、2112、2100、2090、2078、2064、2049 m。下游堆石体布置水平位移计，编号为H9～H23。沉降仪与水平位移计组合布置、埋设位置、方法相同，编号为V9～V23，具体位置如图2和表2所示，具体过程可见表1和图3中的坝体填筑和蓄水过程线。

图2 硗碛大坝监测仪器布置(单位:m)Fig.2 Layout of monitoring instruments of Yaoji dam(unit:m)

表1 硗碛大坝填筑蓄水情况Table 1 Filling water storage condition of Yaoji dam

表2 硗碛大坝监测仪器位置Table 2 Position of monitoring instruments of Yaoji dam

3 心墙水平位移监测成果分析

图3为硗碛大坝心墙顺河向实测位移过程线，图4为硗碛大坝各典型时刻位移沿心墙高程的分布情况。从图中可以看出，（1）心墙水平位移受库水位影响显著，并且存在滞后现象。以坝轴线为基准，随着水位上升（下降），心墙向下游（上游）移动。在水库运行的最初 2～3 a内，心墙向上游的位移明显大于向下游的位移,第 2次低水位时向上游的最大位移接近160 mm，远远大于第2次高水位时向下游约50 mm的位移，相对水位有滞后现象，运行期前几年滞后现象明显，水库到达高水位约60 d后位移达到最大值；（2）随着时间的推移向下游的位移逐渐增大，向上游的位移逐渐减小，位移过程线整体向下游移动。2012年（坝体蓄水运行5年）以后心墙位移均指向下游；（3）2011年11月13日水位升至2129.4 m，是年最高水位，此时向下游的最大位移仅26.0 mm，2010年和2012年的最高水位都接近正常蓄水位（2140.0 m），向下游的位移却可达到130 mm，可见10 m的库水位对心墙的位移影响很大；（4）高水位时沿高程的增加向下游的位移从小到大均匀变，低水位时向上游的位移在中下部变化很大，中上部几乎没有变化。

图3 心墙顺河向实测位移过程线Fig.3 Displacements process in up-downstream direction of core

图4 典型时刻心墙位移分布Fig.4 Displacements distribution in core at typical time

现有的工程观测资料显示，粗粒料也会发生类似于黄土的湿化变形，不仅可以抵消土体骨架受浮力影响所产生的上抬膨胀，而且会导致不同程度的沉陷，尤其是初次蓄水时湿化作用更为明显。2008－2011年水库运行的前几年，当水位降至低水位时水荷载减小且作用于心墙底部，上游坝壳和心墙上游侧部分土体发生湿化变形导致坝体下沉，使心墙产生与水压力作用方向相反的向上游的位移，尤其是上部向上游倾斜的趋势更加明显。这种情况下受弯心墙容易产生水平裂缝，并且心墙与坝体之间有产生相互脱离的纵向裂缝的可能，对坝体稳定性也有重大的影响。

堆石料的湿化变形可解释为在建设和运行过程中水库蓄水及水位波动、雨水入侵等使堆石料含水率增加，由于水的润滑作用和矿物颗粒浸水软化，颗粒接触点（面）承载力下降，需要增大接触面积进行应力重分布以维持原来的平衡，从而造成骨架中颗粒向孔隙滑移填充、破碎和位置重新排列。以2009年的位移变化为例来分析，6月份以后，随着水位的不断升高，水压力逐渐增大，同时作用点上移，心墙产生向下游的弹性和塑性变形。由于低水位时向上游的位移相对较大，水荷载的作用首先用于抵消向上游的位移，所以运行初期向下游的位移相对较小。随着水库的运行需要抵消的向上游的位移逐渐减小，所以向下游的位移逐渐增大。

坝体颗粒在不断破碎和孔隙填充中密实度也逐渐增加，湿化作用逐渐减弱，同时向下游的塑性变形也不断积累。所以随着时间的推移，低水位时向上游的变形减小，直至变为向下游的变形，坝体趋于稳定。2011年高水位时10 m的水位差引起约100 mm的位移变化，说明当低水位引起的位移最终仅发展到坝轴线附近时，即坝体的密实度达到一定程度时向下游的位移对水库水位变化十分敏感。

4 坝体内部位移监测成果分析

4.1 水平位移分析

图5为硗碛坝坝体水平位移过程线。结合坝体填筑曲线和水库蓄水过程，以第1次和第2次高水位为界，整个变形过程大体可分为3个阶段:第一阶段，位移约占总位移的70%～80%，主要是水荷载作用下的弹性变形，期间位移增加速度较快，与水荷载存在极好的相关性。第二阶段，水平位移几乎不变，阶段末短时间内出现了一个位移骤增现象，在2110、2085、2061 m高程处位移骤增了约150、75、50 mm。第三阶段，第2次高水位以后的整个运行期，位移基本保持在一个稳定的状态，增长速率很小。

图5 硗碛大坝坝体水平位移过程线Fig.5 Displacements process of Yaoji dam

整个变形阶段2110 m高程处的变形滞后于水位的降落，第1、2次高水位过后都是经过4～5个月位移才达到最大。

坝体的水平位移之所以呈现出这样的规律，可以将其与心墙的水平位移结合起来分析，一方面水库运行的前几年湿化作用比较明显，上游坝壳和心墙部分土体发生沉降和向上游的位移。另一方面水位下降，水荷载减小，心墙向上游变形。两方面共同作用下心墙与下游坝体有脱开的趋势，此时水荷载对下游坝体的影响很小，所以水位从第1次高水位降至低水位再升至第2次高水位的这段时间内，位移几乎不变。第 2次高水位以后心墙向下游移动，一旦心墙与下游坝体接触，在水荷载作用下位移急剧增加，可以初步确定下游坝体的水平位移与上游坝体和心墙的湿化变形有很大关系。

4.2 沉降分析

图6为硗碛大坝坝体沉降过程线。结合坝体填筑和蓄水过程分析,坝体沉降也可以大致分为3个阶段:第一阶段，大坝主体完工之前。期间坝体沉降与堆石体填筑密切相关，在压实作用和不断增加的上部坝体的自重作用下迅速产生沉降，并且速率很大。同时，水荷载的增加，使颗粒破碎越来越厉害，相互填充速率增加。硗碛沉降主要发生在坝体填筑期，符合一般规律。填筑完成前沉降值占了总沉降值（截止到2014年初）的70%～86%。第二阶段，大坝主体完工至第2次高水位。期间蠕变较快，主要发生的是堆石体蠕变性质的沉降，颗粒破碎和重新排列持续进行，体积收缩，产生沉降。此阶段沉降值约为总沉降值（截止到2014年初）的10%～15%。第三阶段，第2次高水位之后的整个坝体运行期。堆石体的蠕变随时间的延续而减缓，第2次高水位以后堆石料趋于稳定，蠕变效应仍然存在，但是发展较慢，2009年初到2014年初5年时间内沉降以较小的速率继续发展增加了80 mm。

图7为硗碛大坝正常蓄水位（第2次高水位）时的坝体沉降分布。从图中可以看出，由于覆盖层的影响坝体最大沉降值位于2061.0 m高程即1/3坝高，最大为1301 mm，中部最大，向心墙和坝坡处逐渐减小，可能与坝体的碾压质量有关。

5 填筑蓄水过程对坝体变形的影响

图6 硗碛大坝坝体沉降过程线Fig.6 Settlement processes of Yaoji dam

为了对此类坝体的变形规律有一个更准确地认识，选择了与硗碛大坝在坝高、河谷宽度、覆盖层深度以及监测仪器的布置等方面都具有相似性的毛尔盖大坝的监测信息进行对比分析，在对坝体变形的普遍规律进行总结的同时主要对流变作用对坝体变形的影响进行了探讨。毛尔盖大坝位于四川省黑水河中游河段，坝体为砾石土心墙堆石坝，最大坝高见图8、9和表3。限于篇幅，毛尔盖大坝仅列出坝高147.0 m，坝顶长458.5 m。坝体位于深厚覆盖层上，坝基混凝土防渗墙嵌入基岩 1.5 m，最大深度为52.0 m，图8为坝体结构图。毛尔盖大坝的沉降仪和水平位移计组合布置在典型剖面（纵0+244.0 m），如坝体中间2个高程（2048、2078 m）处的位移过程线。对水平位移进行分析，两个坝体的水平位移过程线变形基本相似，如图5和图10(1)所示。以第1、2次高水位两个时间点为界把整个变形过程分为3个阶段；两个坝体的变形存在一定差异，变形的第一阶段，硗碛大坝产生的位移约占总位移的80%，毛尔盖大坝只占20%～50%，同时，毛尔盖大坝起测时间较晚，如果把初始测值时刻以前由坝体填筑引起的水平位移计算进去，所占比例会进一步减小。第二阶段末，短时间内毛尔盖大坝的位移骤增在，2108、2078、2048、2031 m高程处分别为600、400、200、100 mm，而硗碛大坝在2110、2085、2061 m高程处分别约为150、75、50 mm，2组数值在大小上相差很大，与硗碛大坝相比，毛尔盖大坝第1次蓄至高水位引起的变形较小，第2次高水位引起的短时间内变形骤增较大。初步分析发现，主要与坝体湿化变形和流变变形有关。流变变形主要是指颗粒棱角、颗粒之间的局部软弱界面被压碎造成颗粒错动或颗粒本身破坏以及细化颗粒填充滑移孔隙引起的变形。同时堆石体的是一种典型的非线性材料，颗粒的破碎和重新排列都具有时间效应，其应力和应变是时间的函数。所以大坝的变形与施工过程即坝体的填筑和蓄水过程也是密切相关的。两坝体从开始填筑到库水第1次到达高水位均用了主体工程完工时库水位接近正常蓄水位。毛尔盖大坝填筑较快，在坝体施工完成后一段时间内才到达第1次高水位，坝体填筑130.5 m时才开始蓄水，大坝主体完工时水位距离正常蓄水位还有 85.5 m。两坝填筑和蓄水特征见表1、4。

图7 硗碛大坝坝体沉降分布(单位:mm)Fig.7 Settlement distribution of Yaoji dam(unit:mm)

图8 毛尔盖大坝结构(单位:m)Fig.8 Structural of Maoergai dam(unit:m)

图9 毛尔盖大坝监测仪器布置(单位:m)Fig.9 Layout of monitoring instruments of Maoergai dam(unit:m)

表3 毛尔盖大坝监测仪器布置Table 3 Position of monitoring instruments of Maoergai dam

图10 毛尔盖大坝坝体位移过程线Fig.10 Displacement processes of Maoergai dam

表4 毛尔盖大坝填筑蓄水情况Table 4 Process of construction of Maoergai dam

第1次蓄水引起的位移主要是在振动碾压以及水荷载等外力作用下发生的压缩变形，同时伴有颗粒的破碎、相互填充和结构调整。由于硗碛大坝蓄水较早，在施工过程中水荷载就通过心墙传递给下游坝体，外力作用较大，流变作用发展比较充分，所以硗碛大坝这种施工与蓄水几乎同步完成的施工方式使得坝体在第一阶段位移所占的比例较大，约为80%。

第1次蓄水引起的位移对第二阶段的位移有很大的影响，由于硗碛大坝在第一阶段流变变形发展比较充分，堆石体密度增大，孔隙率减小，坝体加载模量增加。所以第2次蓄水后位移骤增值相对较少，而坝体加荷模量较小，第2次蓄水时在水荷载作用下位移增长较多。

对沉降进行分析，坝体主体完工和第2次高水位两个时刻也可以把沉降分为3个阶段。毛尔盖大坝监测资料并不完整，起测时坝体还有30 m即可填筑到坝顶，但填筑完成后的资料可清楚地看到，在大坝主体完成后到水库第1次到达高水位，位移值增加很多，在2031、2048、2078 m高程处(本时间段2108 m高程监测资料不全)沉降值均约增加了200 mm。在第2次蓄水时，2031、2048、2078、2108 m 高程处沉降分别增加约 200、350、500、600 mm。这些数据表明，毛尔盖大坝第2次蓄水产生的位移比硗碛大坝大得多，可用与水平位移相同的原因进行解释，流变效应不仅使水平位移的增加，而且使沉降值也有了大幅的提升。

6 结 论

（1）心墙水平位移以坝轴线为基准，随水位上升（下降）产生向下游（上游）的位移，在开始运行的前几年会出现位移的滞后现象，滞后时间约为60 d，随着时间的推移整个过程线向下游移动，直至运行5 a后不再产生向上游的位移。

（2）心墙位移初步分析是由于上游坝体和心墙部分土体的湿化作用引起的，低水位时水荷载的作用点较低，使心墙有向上游倾斜的趋势,同时心墙受弯以及心墙与坝体之间相互脱离的趋势都会使心墙有产生裂缝的可能。

（3）坝体下游水平位移过程以第1、2次高水位两个时间点为界，可分为3个阶段:第一阶段位移随水位的上升而增加。第二阶段位移变化很小仅在阶段末短时间内有一个位移骤增现象，第2次高水位以后位移处于缓慢增长的稳定状态。这是由于第二阶段心墙向上游移动，与下游坝体有脱开的趋势，位移受水荷载影响较小，一旦心墙与下游坝体接触，在水荷载作用下短时间内会产生位移骤增。

（4）坝体沉降和水平位移一样，以大坝主体完工和第2次高水位两个时间点为界，可分为3个阶段。由于覆盖层影响，硗碛沉降最大位于1/3坝高处，最大值为1301 mm。在第三阶段，即坝体沉降稳定发展阶段，2009年初到2014年初的5 a内，由于堆石体蠕变，沉降持续增加了80 mm。

（5）坝体不同的填筑和蓄水过程，对坝体的位移影响显著。初次蓄水和第2次蓄水引起的位移差均可达到60%～70%。适当提前坝体的蓄水时间，填筑和蓄水同时进行可使流变作用发展较充分，坝体较快达到密实状态，后期变形减小。

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