特高堆石坝心墙监测廊道设计关键技术初步研究

韩朝军，程瑞林，湛正刚，慕洪友，张丙印，于玉贞

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)

心墙变形监测是高心墙堆石坝的一项重要监测内容，对实时掌握大坝施工及运行性状具有关键作用。传统的心墙变形监测技术措施，通常是在心墙内埋设水管式沉降仪、电磁式沉降仪、引张线水平位移计、测斜管等监测仪器，这些方法对中低坝的适应性好，但对于300 m级特高坝，管线长度、测量深度、测量精度、仪器损坏率等均超过了最佳使用条件，监测技术的可靠性亟待改进[1-2]。

研究表明，在坝体心墙内分层布置纵向混凝土监测廊道，为上述问题的解决提供了一种新途径。该技术的主要优势是：①监测廊道内分层分段布置监测仪器，可缩短管线牵引长度，降低仪器损坏率、提高测读精度；②运行期方便坝内巡视检查，及时维修损坏仪器；③廊道自身可承担一定的监测任务，与传统仪器相互校验，提高监测结果的可靠性；④可兼作观测房使用，提前形成测站，便于自动化监测早日实现；⑤通过放空设施降低库水位，为心墙检修创造条件。

表1 国外特高堆石坝坝内监测廊道布置情况[7-9]

注：罗贡坝在建。

为此，本文以国内某特高心墙堆石坝为例，探讨在心墙内布置监测廊道的可行性，并对关键技术问题及对策措施进行了初步研究，以期推动该技术进步，为同类工程提供借鉴。

1 堆石坝监测廊道工程应用现状

据调研[3-6]，堆石坝坝内廊道多见于深厚覆盖层上的工程，如国内长河坝、瀑布沟、黄金坪、硗碛水电站等，其主要用途是作为心墙底部的灌浆廊道；用作监测目的主要有国外的努列克坝、罗贡坝及特里坝等，如表1所示。

从理论上讲，深厚覆盖层上坝内灌浆廊道底部有混凝土防渗墙顶托，这将大大降低廊道与覆盖层的变形协调控制难度，但从硗碛、瀑布沟、黄金坪等工程的运行情况来看，蓄水后均发生了廊道结构缝漏水问题[6，11]。另外，近十多年来我国开展的300 m级高面板堆石坝适应性及关键技术研究，也提出了土石坝监测廊道的思想[10]，但至今仍无已建工程。国外虽有300 m级特高坝心墙监测廊道经验，但3座坝各有特点：罗贡坝至今未建成；努列克坝施工期达20年，廊道适应坝体变形的时间充足，是当代工程无法与之相提并论的；印度特里坝廊道运行情况鲜有报道。总的来说，在堆石坝内设置监测廊道，国内外可供借鉴的经验不多，工程设计难度大。

2 主要技术难点及对策措施

2.1 特高堆石坝心墙监测廊道设计

为解决高堆石坝变形监测的适应性问题，国内某特高心墙堆石坝拟在心墙内设置纵向监测廊道。廊道沿心墙坝轴中心线布置为两层，其中，河床中心部位的上下层廊道底板高程为2 812、2 722 m，大致位于2/3坝高和1/3坝高处，廊道断面形式为城门洞型，预制钢筋混凝土结构，断面尺寸为3.0 m×3.5 m(宽×高)，廊道壁厚0.5 m，见图1。

图1 心墙监测廊道布置(高程：m)

2.2 存在的问题分析

工程经验表明，心墙监测廊道为典型的三向受力结构，在承受土压力、水压力等外荷载作用下，将产生由两岸指向河谷的坝轴向变形、垂直向下和指向下游的挠曲变形。根据三维有限元计算结果，坝体中部最大沉降约3～5 m，心墙与岸坡之间最大剪切变形接近1 m；廊道外壁承受1～3 MPa的土应力和0.5～2.5 MPa的心墙渗透孔隙水压力。因此，廊道设计需解决以下几个关键问题：

(1)刚性廊道既要适应柔性心墙三向大变形、岸坡剪切变形的要求，又不对周围防渗土体造成接触渗透破坏，这就要求廊道在空间上布置得科学合理。

(2)变形结构缝的设置是保证廊道自身结构安全的关键。

(3)高水头作用对廊道接缝止水系统提出了较高要求。一是适应三向大变形条件，止水结构不被剪切破坏；二是接缝止水材料具有良好的耐久性及可靠性。

2.3 采取的主要关键技术措施

为了解决上述问题，本研究从以下几个方面予以考虑。

(1)为了适应心墙的三向变形，两层廊道均采取沿竖直方向向上、顺河流方向向上游起拱。在竖直方向，上层廊道向上拱起最大高度为6 m，河床中心廊道底板高程为2 812 m，与两岸灌浆隧洞连接的底板高程为2 806 m，自河床中心向两岸的平均纵坡为2.8%～3%；下层廊道向上拱起最大高度为6 m，河床中心廊道底板高程为2 722 m，与两岸灌浆隧洞连接的底板高程为2716 m，自河床中心向两岸的平均纵坡为4.5%～4.6%。在顺水流方向，上层廊道拱向上游2 m，自河床中心向两岸的平均纵坡为0.94%～1%；下层廊道拱向上游2 m，自河床中心向两岸的平均纵坡为1.6%。上层廊道在距两岸70 m范围内，按每隔3 m设置一道变形结构缝，其余部位按每隔5 m设置一道变形结构缝；下层廊道在距两岸50 m范围内，按每隔3 m设置一道变形结构缝，其余部位按每隔5 m设置一道变形结构缝；初拟缝宽20 mm，缝内填充低发泡聚乙烯塑料闭孔板(压缩率达50%)。

(2)考虑到廊道在发生结构破坏时，廊道外壁防渗土料细粒含量被带走，诱发接触渗透破坏，廊道外壁包裹1～2层反滤土工布，土工布与防渗土料之间设置1 m厚的高塑性接触黏土。

(3)监测廊道接缝止水系统平剖示意图见图2。在保障接缝止水系统的可靠性及耐久性方面，采取的主要措施为：①在廊道分缝一端预留二期混凝土，施工期廊道可以自由变形，施工工艺上铜片止水在蓄水前焊接，可降低错位变形对接缝止水剪切破坏的影响；②根据相关工程接缝止水材料抗渗、抗剪破坏试验研究，选用耐久性好的“W”型铜片止水，沿廊道四周双层布置，缝内填充柔性止水材料；③铜片止水鼻子预留较大伸缩度，可适应较大的三向变形能力；④根据三维有限元分析结果，并参照类似工程经验，合理确定廊道受压和受拉区的范围、廊道分缝位置及缝宽；⑤廊道外壁包裹反滤土工布，与高塑性接触黏土料形成连续“堵排结合”渗控系统，可有效降低工程风险；⑥考虑到廊道与两岸连接部位剪切变形相对较大，考虑采用金属波纹管连接。

图2 监测廊道接缝止水系统平剖示意

3 基于有限元方法的结构安全初步研究

3.1 二维渗流特性分析

采用河海大学Autobank7.0软件进行了二维稳定—非稳定渗流分析，研究心墙内设置纵向监测廊道对大坝渗流特性的影响。计算结果表明，在坝内心墙设置纵向监测廊道后，大坝渗流特性并没有产生显著变化，渗流场分布仍符合一般规律；防渗心墙渗透坡降相对较大的区域主要有两个，一是监测廊道顶部接触黏土区，二是心墙下游面出逸处，其中，监测廊道顶部最大渗透坡降5.43，小于接触黏土允许坡降6.0，仍满足渗透稳定要求。由此可见，在监测廊道周边合理设置一定厚度的接触黏土区，可有效提高混凝土与防渗心墙之间的防渗抗渗性，防止接触渗透破坏的发生。

3.2 三维应力变形特性分析

心墙监测廊道与周围土体是典型的非连续接触问题，由于两种材料性质相差较大，在界面两侧常会出现较大的剪应力并发生位移不连续现象，从而导致十分复杂的应力和变形性态[12]。为了分析廊道结构设计的合理性及安全性，采用非连续接触算法[13]和三维精细化模拟方法，研究廊道与心墙土体相互作用下的三维应力变形特性。

3.2.1计算模型

建立大坝及廊道精细化三维有限元模型如图3所示，共计结点178 791个、单元155 635个。

图3 大坝及廊道三维有限元精细化模型

3.2.2计算参数

土石坝料本构模型采用邓肯张E-B模型，计算参数见表2。在混凝土廊道块体之间设置了软接缝，采用双线性软接缝挤压模型进行模拟[13]，参数取值为：填缝初始厚度L0=2 cm，初始挤压模量En0=30 MPa，线性挤压应变εl=0.31，后期挤压模量取与混凝土相同，En混=3×104MPa。廊道块体之间以及廊道与反滤料的接触界面摩擦系数μ均取0.7。

表2 筑坝料邓肯E-B模型计算参数

3.2.3计算结果分析

经分析，得到的主要结论如下：

(1)上、下层廊道的变形规律基本一致，坝轴向位移均由两岸向河谷中央挤压，上层廊道最大坝轴向挤压位移为0.10 m，发生的位置大体位于距两岸65 m处，下层廊道最大坝轴向挤压位移为0.13 m。廊道顺河向水平位移最大值出现在满蓄期，上层廊道最大值为0.36 m，下层廊道最大值为0.35 m。竖向沉降最大值发生在竣工期的河谷中央部位，上层廊道最大值约为0.83 m，下层廊道最大值约为1.25 m。

(2)虽然河谷中央部位计算的沉降值较大，但分布却相对均匀，而靠近两岸部位沉降值虽小，但其不均匀沉降较大。与土体变形相比，廊道的变形相对较小，且主要发生在施工期，这点在特里坝也得到证明；设计考虑廊道在蓄水前焊接这一施工工艺，将大大降低廊道剪切破坏的风险。

(3)上、下层廊道的应力分布规律基本一致。廊道竖墙内侧表面的大主应力值较大，在底角内表面部位存在一定的应力集中，上层廊道应力最大值达到40 MPa，下层廊道最大值达到60 MPa，但该高应力区仅发生在内侧表面底角部位，面积较小、深度不大，可通过优化廊道断面结构型式予以解决。廊道上、下外表面的大主应力值分别为10 MPa和20 MPa。

(4)拉应力主要分布在底板内表面和顶拱内表面，上层廊道最大拉应力值为10 MPa，在靠近两岸部位达到20 MPa；下层廊道最大拉应力值为20 MPa，在靠近两岸位置达到30 MPa。过大的拉应力可能诱发廊道出现张拉裂缝问题，但高拉应力区主要分布在底板和顶拱的内表面，深度相对较浅，该部位可采取加强布置限裂钢筋的措施予以解决。

4 对进一步研究的思考

(1)心墙监测廊道断面有待进一步优化。由上述计算结果可知，廊道底角内表面存在小区域的应力集中问题。鉴于特里坝、乌兹别克斯坦Charavak坝采用圆形断面，且内部采用钢衬，故笔者建议了以下两种廊道断面优化方案，可供今后进一步深入研究，如图4所示。即方案1，仍采用城门洞形，断面尺寸调整为2 m×2.5 m，底角采用圆角，同时内部采用钢衬；方案2，采用圆形断面，内径2.5 m，同时内部采用钢衬。

图4 廊道断面优化设计建议(单位：cm)

(2)结合现场施工条件、廊道接缝部分轴向应力、挤压及张拉变位情况，进一步开展科学的廊道分缝措施研究。

(3)考虑到廊道块体之间、廊道与岸坡连接部位的大剪切变形、高水头及复杂应力条件，接缝止水系统的可靠性及耐久性，有必要开展室内或现场试验加以验证。

5 结 论

(1)为解决300 m级特高堆石坝监测仪器的适应性问题，坝体监测廊道提供了一种新途径。

(2)堆石坝内心墙监测廊道设计需重点解决好三方面的关键技术问题：①刚性廊道与心墙、廊道与岸坡之间的变形适应性及应力安全问题；②廊道周边的防渗抗渗问题，不致形成渗流薄弱面；③接缝止水结构的可靠性及耐久性问题。

(3)基于非连续接触算法的廊道三维精细化有限元模拟方法，为合理评价廊道结构的安全性，把握研究方向，提供了重要参考。

(4)鉴于目前国内外监测廊道的经验不多，在廊道断面优化、科学的廊道块体分缝措施、接缝止水系统的可靠性及耐久性等方面，今后有待进一步深入研究。