基于深厚覆盖层的面板堆石坝沉降变形规律分析

熊成林，邓 伟，姜 龙

（1.中国水利水电科学研究院 工程安全监测中心，北京 100048；2.北京中水科工程总公司，北京 100038；3.淮河水利委员会 水利水电工程技术研究中心，安徽 蚌埠 233001）

基于深厚覆盖层的面板堆石坝沉降变形规律分析

熊成林1，2，邓 伟3，姜 龙1，2

（1.中国水利水电科学研究院 工程安全监测中心，北京 100048；2.北京中水科工程总公司，北京 100038；3.淮河水利委员会 水利水电工程技术研究中心，安徽 蚌埠 233001）

本文依托河口村水库工程安全监测项目，通过坝基、坝体沉降变形监测资料分析，系统地研究深厚覆盖层面板堆石坝沉降变形变化规律。成果表明：（1）坝基和坝体沉降填筑期随填筑高度增加而增大，静置期随时间增加而增大，整体呈先增加而后减小直至趋于零的趋势；（2）坝基和坝体沉降趋稳，主要受坝基地质情况和坝体填筑高程影响；（3）堆石坝沉降整体与坝型呈不对称分布，其最大沉降量约占坝高的0.72%，符合一般土石坝沉降变形规律。监测成果为保证大坝填料、混凝土面板施工以及评价大坝安全性状提供科学依据，亦可为类似工程提供借鉴和参考。

面板堆石坝；深厚覆盖层；监测；沉降变形

1 工程概况

河口村水库位于黄河一级支流沁河最后一段峡谷出口处，工程规模为大（2）型，是以防洪、供水为主，兼顾灌溉、发电、改善河道基流等综合利用的大型水利工程，也是黄河下游防洪工程体系的重要组成部分。河口村水库坝址区位于吓魂潭与河口滩之间，平面上呈反“S”形展布，河谷为“U”型谷。坝址区谷坡覆盖层较薄，谷底覆盖层较厚，且分布4条间断的黏性土层，出露地层有太古界登封群、中元古界汝阳群、古生界寒武系及第四系。坝址区地质构造为馒头组下部发育一褶皱层，以及逆断层（F9、F10、F12）和正断层（F1）等。坝址区存在单斜构造双层含水层区、龟头山褶皱断裂混合透水层区、断层密集带低水位区及河床砂卵石含水层及基岩浅层风化区［1］。

鉴于河口村水库面板堆石坝位于深厚覆盖层之上，并结合坝基处理情况，进行了坝基和坝体沉降变形监测方案及施工。该监测成果能及时、可靠地反馈面板堆石坝设计和施工，为施工期、运行期水库安全运行提供科学依据。

2 工程设计及施工

2.1 工程设计 河口村水库工程由混凝土面板堆石坝、1#泄洪洞、2#泄洪洞、引水发电洞、溢洪道及水电站等组成，其中混凝土面板堆石坝坝基为深厚覆盖层黏性土，坝体采用上游为级配料、下游为非级配料填筑。坝基覆盖层一般厚度30m，最大厚度为40 m，岩性为含漂石及泥的砂卵石层，夹4层连续性不强的黏性土及若干个砂层透镜体。结合河口村水库工程勘测成果和面板堆石坝工程特点，坝体填筑按上游区为主堆料和下游区为次堆料，坝基开挖和处理为上游核心区为高压旋喷桩和下游覆盖层局部或表层清除。

上游主堆料区坝基（D0+00—D0+50）为高压旋喷桩处理，间距从上至下逐渐密疏，在1.6～2.4m之间，坝基（D0+50—D0+180）为挖除换填区，挖除覆盖层表层及浅层透镜体，置换级配碎石；下游次堆料区坝基（D0+180—D0+364）表层局部挖除，坝后压坡区为原始地貌。具体处理情况见图1。

图1 面板堆石坝坝基处理情况

2.2 工程施工 坝基覆盖层开挖处理情况，坝轴线上游至防渗墙之间基础由原河床175.0m高程挖至165.0m高程，并对防渗墙、连接板、趾板及防渗墙下游50m范围基础采用高压旋喷桩进行了专门加固处理；坝轴线下游次堆区覆盖层基础开挖至170.0 m高程，但在坝下0+000—0+180靠近右岸岸坡部位发现有较厚的黏性土层及砂层透镜体，且有向左岸延伸的趋势，该层黏性土并未完全挖除。

2011年5月开始主堆料区坝基高压旋喷桩施工，随后进行坝基开挖和换填，直至2011年12月结束基础处理及下游坝基表层处理施工。

堆石坝填筑情况，首先在坝基上游填筑2m垫层料，其上回填主堆料，至215m高程时分别填筑主堆料和次堆料，形成堆石坝所谓的“金包银”填料方式。

2012年3月开始填筑，至215 m高程前坝上下游填筑高程有所差异，至225.5m填筑高程基本一致，其后同步填筑直至2013年12月主体填筑至286m高程。其具体填筑情况见图2。

图2 河口村水库堆石坝填筑高度

3 监测设计及施工

3.1 监测设计 结合谷底深厚覆盖层和面板堆石坝结构布置情况，工程采取覆盖层挖除、高压旋喷桩等治理措施。依据坝基处理情况和坝体填筑进度，进行监测施工，确保与土建同设计、同施工、同运行。水平固定测斜仪用于监测坝基沉降，振弦式水管沉降仪用于监测坝体沉降，单向测缝计及三向测缝计用于监测防渗墙及连接板、连接板及趾板、趾板及面板和面板间变形，土压力计及应变计用于监测混凝土结构应力及应变情况。为检验治理效果和监测堆石坝受力变形特性，埋设了一套从上游到下游贯通的水平固定测斜仪，用于监测350多米的坝基沉降；埋设了3层从上游到下游贯通的振弦式水管沉降仪，用于监测坝体沉降。其典型监测布置情况见图3［2］。

3.2 监测施工 坝基水平固定测斜仪在173m高程处安装埋设，首先开挖沟槽并整平，再浇筑固定端，然后布设连接杆和保护管，再后调整水平固定测斜仪角度和系统调平，最后布设基准管及配套保护装置。整套监测系统共布置63支仪器，全长364m，安装埋设时间约10 d。

坝体振弦式水管沉降仪在221.5、241.5及260.0m处安装埋设，首先开挖沟槽并整平，再浇筑固定端，然后布设连接管和保护管，再后调整振弦式水管沉降仪角度和系统调平，最后布设水管标尺及配套保护装置。3套监测系统共布置34支仪器，全长460m，安装埋设时间约20 d。

坝基及坝体沉降监测系统安装埋设后，读取初始读数作为基准值，并随填筑高度和时间，测读仪器原始测值，计算相应沉降量［3］，以便反馈设计及填筑施工。

图3 大坝典型监测断面布置

4 安全监测成果分析

4.1 坝基沉降变形特性 为了解大坝坝基沉降变化规律，在坝基（▽173m）埋设了一套水平固定测斜仪。其沉降随时间变化曲线如图4，坝基典型剖面沉降曲线如图5。

图4 坝基沉降随时间变化曲线

图5 坝基剖面沉降曲线

从图4和图5可见，坝基沉降随填筑高度增加而增大，坝上游受高压旋喷桩加固影响而较小，坝下游受覆盖层厚度影响而较大，整体与坝型呈不对称分布。沉降速率与填筑高程较为吻合，呈现先增加而后减小直至趋于零的趋势，最大沉降位置和速率分别在坝下51m处以及填筑至230～250m高程之间，这与坝上游经高压旋喷桩和坝基表层处理有显著关联性，并受大坝整体应力重分布动态调整直接影响［4-5］。填筑至225m高程时，最大沉降变形为461mm（D0-182）；填筑至240m高程时，最大沉降变形为651mm（D0-51）；填筑至286m高程时，最大沉降变形为789mm（D0-51）；填筑至286m高程静置近半年后，沉降变形在一定范围内波动，测值基本稳定。坝基沉降在填筑期主要受坝基地质情况和填筑高程影响，在静置期主要受坝基地质条件和水平固定测斜仪系统误差影响。坝基沉降较好地反馈设计和施工，为控制大坝填筑时间和高程提供科学依据。

4.2 坝体沉降变形特性 为了解大坝坝体沉降变化规律，在坝体（▽223.5m、▽244.5m和▽260.0m）布置了振弦式水管沉降仪。其沉降随时间变化曲线如图6，坝体典型剖面沉降分布曲线如图7。

图6 坝体沉降随时间变化曲线

从图6和图7可见，坝体沉降随填筑高度增加而增大，填筑期增幅较大，静置期增幅较小。坝体沉降在填筑前期受坝基地质情况影响较大，填筑一定厚度后受填料性状影响较大，填筑结束后沉降变形仍持续增加，静置近一年后增幅明显减小。坝体沉降填筑期与填筑范围及高程相关性较好，静置期与坝体填料应力重分布调整有关，呈现先增加而后减小直至趋于零的趋势［6］。坝体沉降较好地反馈设计和施工，为混凝土面板施工提供科学依据。

图7 坝体典型剖面沉降分布曲线（2015/07/22）

4.3 堆石坝沉降变形特性 依据前文的坝基和坝体沉降变形变化规律，并结合现场施工工况，将大坝D0+140断面布置的水平固定测斜仪、振弦式沉降仪所监测的沉降变形综合分析，堆石坝沉降分布曲线见图8。

图8 堆石坝沉降分布曲线（2015/07/22）

从图8可见，坝基最大沉降773mm（D0-51），坝体最大沉降447mm（D0+82），大坝整体最大沉降1095mm（D0-11）。河口村水库工程堆石坝最大坝高112 m，坝基最大覆盖层厚度40m。综合考虑大坝高度，现阶段大坝整体最大沉降量约占坝高的0.72%，整体沉降变形量符合一般土石坝沉降变形规律［7］。监测成果为保证大坝填料时间间隔、混凝土面板施工时间以及评价大坝安全性状提供科学依据。

5 结论

（1）坝基和坝体沉降填筑期随填筑高度增加而增大，静置期随时间增加而增大，整体呈先增加而后减小直至趋于零的趋势；（2）坝基沉降静置近半年后增幅显著减小，坝体沉降静置近一年后增幅显著减小。这主要受坝基地质情况和坝体填筑高程影响；（3）坝基最大沉降773mm（D0-51），坝体最大沉降447mm（D0+82），大坝整体最大沉降1 095mm（D0-11）。沉降整体与坝型呈不对称分布，其最大沉降量约占坝高的0.72%，符合一般土石坝沉降变形规律。监测成果为保证大坝填料、混凝土面板施工以及评价大坝安全性状提供科学依据。

［1］ 黄河勘测规划设计有限公司.河南省河口村水库工程下闸蓄水安全鉴定设计自检报告［R］.2014.

［2］ 中国水利水电科学研究院.河南省河口村水库工程下闸蓄水安全鉴定安全监测自检报告［R］.2014.

［3］ 土石坝安全监测技术规范：SL 551-20012［S］.

［4］ 艾斌.混凝土面板堆石坝变形及监测问题［J］.大坝与安全，1996（3）：28-33.

［5］ 潘家军，饶锡保，周欣华，等.深厚覆盖层上面板堆石坝新型结构应力变形性状影响因素研究［J］.水利学报，2015，46（S1）：163-167.

［6］ 温续余，徐泽平，邵宇，等.深覆盖层上面板堆石坝的防渗结构形式及其应力变形特征［J］.水利学报，2007，38（2）：211-216.

［7］ 王玉才 .河谷形壮对深覆盖层上面板堆石坝变形的影响［J］.地下空间与工程学报，2013，9（6）：1439-1442.

Analysis on the settlement deformation law of face rock fill dam based on deep overburden

XIONG Chenglin1，2，DENG Wei3，JIANG Long1，2
（1.Engineering Safety Monitoring Center，IWHR，Beijing 100048，China；2.Beijing IWHR Corporation，Beijing 100038，China；3.The Research Centre of Water Resources and Hydropower Engineering Technology of HuaiheWater Resources Comm ission，Bengbu 233001，China）

With the rapid development of national economy and construction，the construction of hydraulic engineering has reached a peak.At the same time，the engineering geological problems encountered become more and more complex.Based on the project of safety monitoring in HeKou Reservoir，this paper systemically studied the settlement deformation law of concrete faced rock fill dam(CFRD)with deep overburden layer by analysis of the settlement deformation data of foundation and dam.Results showed that:① settlement of dam and foundation increased with the filling height during the filling stage and increased with time during the static stage.The settlement increased rapidly at first and then became slow ly and slowly until zero.② Settlement stabilization of dam and foundation were mainly influenced by the geological condition of foundation and filling height.③ the overall settlement distribution of Rockfill dam was asymmetric with dam type，the maximum settlement is about 0.72% of the dam height.It agree with the general law of earth rock dam settlement deformation.The monitoring results provide a scientific basis for dam filling，concrete face slab construction and safety evaluation of dam.It can also provide reference for similar projects.

face rock fill dam；deep overburden；monitor；settlement deformation

TV641.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.02.011

1672-3031（2016）02-0150-05

（责任编辑：王冰伟）

2015-11-05

能成林（1974-），江西临川人，高级工程师，主要从事工程安全监测技术研究。E-mail：xiong-chengling@126.com