土工膜软岩堆石坝变形监测研究

商永喜，戴妙林，吴玉江，张 翼，沈长松

(1.河海大学，江苏 南京 210098；2.南欧江流域发电有限公司，老挝 琅勃拉邦；3.中国电建集团海外投资有限公司，北京 100048)

0 前 言

土石坝和堆石坝因其具有就地取材、适应地基变形能力强等优点，被越来越多地应用到实际工程中。随着筑坝技术的提升与设计施工技术的进步，在一些土料和石料性质较差的地区，人们也开始尝试建立土石坝和堆石坝。由于土石坝和堆石坝适应地基变形能力较强，传统的钢筋混凝土面板已不能适应其变化，易产生混凝土面板与上游坝面脱开以及坝面出现裂缝的情况；黏土心墙坝能较好适应坝体变形，但在土石材料较差地区，黏土的获取以及施工的周期，都会是影响此类坝型选择的障碍[1-3]；土工膜防渗堆石坝既有能适应坝体和坝基变形的能力，又在材料的获取运输以及施工繁琐程度上比黏土心墙坝方便，因此土工膜面板堆石坝越来越受到人们青睐。目前为止，在我国投资和已经建成的大坝中，利用土工膜防渗的大坝一般坝高较低，而类似于南欧江六级大坝这样软岩填筑比例高、坝高超过80 m，且土工膜作为防渗体直接铺设于大坝上游坝面的筑坝形式，是绝无仅有的[4]。因此准确掌握软岩填筑的土工膜防渗堆石坝变形特性以及坝体变形规律是十分重要的。这不仅对南欧江六级大坝的正常运行有重要作用，而且对之后同类型大坝的建设能提供有益的借鉴。

有限元计算作为传统水工数值计算模拟方法，在各种大型水利工程中扮演着重要角色。其计算结果一方面对水工设计有重要参考价值，另一方面与监测结果对比，能有效优化同类工程中有限元参数的选择，为之后工程提供便利。南欧江六级大坝作为国内投资在建的首座土工膜防渗高软岩堆石坝，其有限元计算材料参数的选择较传统大坝少，因此，通过与实际监测资料对比，能够优化有限元计算参数。

1 工程监测概况及数值计算模型

1.1 工程概况

南欧江六级电站位于老挝丰沙里省境内，是南欧江一库七级自上而下的第二级，为径流式开发，以发电为主，工程等别为二等大型工程。南欧江六级大坝主体为复合土工膜面板堆石坝，坝高85 m，坝顶长362 m。坝体总填筑方量为193万m3，其中板岩填筑方量为157万m3，软岩填筑比例高达81%。大坝沿坝轴线剖面如图1所示。

南欧江六级初始蓄水日为2015年10月8日，经过半个月的持续蓄水，于2015年10月23日蓄至死水位490 m，至2016年2月18日蓄至正常水位510 m，之后上游库水位在死水位至正常水位之间波动(见表1)。蓄水过程线如图2所示，坝体分区填筑示意见图3。

图1 土工膜防渗堆石坝沿坝轴线剖面

表1 大坝填筑及土工膜铺设统计

图2 上游库水位变化过程线

图3 坝体分区填筑示意

1.2 监测概况

南欧江六级安全监测系统较为完善，工程的5个主要部分——复合土工膜面板堆石坝、导流洞、溢洪道与放空洞、引水系统和发电厂，均有埋设相关的安全监测仪器。监测内容涉及表面变形、内部变形、土工膜应力应变、岩体位移，错动和渗流等，用来全方位监控整体工程的安全性态。对于复合土工膜面板堆石坝的内部变形监测，埋设有引张线及水管式沉降仪来测量坝体水平向及竖直向变形。其中，引张线共埋设12支，测点编号为DB-A-H-01～DB-A-H-12；水管式沉降仪共埋设21支，测点编号为DB-A-V-01～DB-A-V-21。对于土工膜受力变形监测，主要用土工膜应变计和土工膜气压计来监测上游土工膜的受力变形以及与上游坝面的贴合情况。其中，土工膜应变计共埋设24支，编号为DB-GS-01～DB-GS-24；土工膜气压计共埋设6支，编号为DB-GA-01～DB-GA-06。

1.3 数值计算模型

有限元计算网格中，坝体网格以空间六面体等参单元为主，在坝建基面等某些部位适当填充空间五面体及四面体单元，以便能更好地适应大坝建基面几何形状的较大波动。此外，在上游坝基设置防渗帷幕单元，并单独考虑其上受到的水荷载。整个计算域共剖分节点23 846个，单元67 606个，有限单元网格如图4所示。

图4 有限元计算网格模型

有限元计算中本构模型关系采用Duncan-chang E-B模型，坝基岩体采用弹性模型。考虑到坝体材料较软，根据经验，将实验建议值进行了适当的降低。各种堆石料的本构模型计算参数如表2所示，土工膜计算参数如表3所示。

表2 三维静力有限元计算参数

表3 土工膜计算参数

2 土工膜面板堆石坝内部变形监测成果分析

2.1 引张线监测资料分析

各测点测值变化过程线如图5所示。从测值过程线可以看出，引张线位于坝上测点测值总体变化规律与上游库水位变化相关性较高，且略滞后于上游库水位的变化。除H-11外，其余引张线坝上测点在蓄水之前向上游变化，蓄水后开始向下游变化。这是由于在蓄水之前，因坝体自重产生了竖直向沉降，导致位于上游测的测点产生了向上游的变形，下游侧测点产生了向下游的变形。蓄水后，在上游水压重的作用下，所有测点开始向下游位移。由于蓄水后，水压力首先抵消堆石体向上游的变形，使测值前期总体略滞后于水库蓄水位，且由于土石材料的蠕变效应，各测点在2016年2月后水位基本变化不大的情况下，还有向下游变化的趋势。H-11由于布设位置较高，前期受自重作用影响较小，受湿化作用明显。由降雨分布图可知，南欧江6级库区在2015年7月和8月降雨量较为丰沛，堆石体由于雨水的入渗使得土骨架中的颗粒产生滑移、破碎等，导致H-11在前期向下游位移较大，随着降雨量减小，测点测值略有恢复；进入2016年后，测值变化与降雨仍存在一定相关性，但测值总体变化范围较小；2017年后，测值受降雨影响总体已趋于稳定。整个过程中与上游库水位的变化相关性较弱。

图5 引张线水平位移测值变化过程线

引张线位于坝轴线处的H-04与H-09测值总体量级及变化幅度均较小，与库水位变化相关性较高。H-12与H-11变化规律基本相同，受下游侧堆石体性质较差及降雨影响较大。引张线布设位置见图6。

引张线位于坝下的各测点自始测日起，均向下游位移，总体与上游库水位变化相关性不高。在蓄水前，各测点向下游位移量及变形速率均较大，这一时期的位移量占总位移量约75%～80%。蓄水之后，测值仍表现为向下游变化，但变化量较小，变形速率也逐渐趋于稳定。造成这种现象的原因可能是下游侧为次堆石区，主要填筑料为软岩，压缩模量及剪切模量均较小，蓄水前坝体不断向上填筑，由于上覆填筑料自重的影响，产生较大的沉降变形。测点总体开始向沉降向及下游向位移，此外，同一时期由于降雨导致的土体湿化变形原因，测点也产生了向下游的位移。蓄水后，由于前期变形完成，上游库水对下游侧测点测值影响较小，各测点虽还在向下游变形，但测值总体变化量及变形速率均较小，测值趋于收敛。

图6 引张线布设位置

2.2 水管式沉降仪监测资料分析

水管式沉降仪共埋设21支仪器，如图7所示，其中圆圈内仪器损坏，现有14支仪器可正常工作。各测点测值变化过程线见图8。不同高程各测点自始测日起均表现为向下沉降，且沉降量逐年增加。各测点沉降过程基本可以分为三个阶段，第一阶段为大坝填筑期，此阶段各测点沉降变形量及变化速率均较大，随着填筑过程的完成，高程较低的测点沉降逐渐趋于收敛，高程较高的测点由于自重作用及蠕变的影响还在向沉降向变形；第二阶段为水库蓄水期，此阶段位于大坝上游侧测点均表现出与库水位变化相关性较高的沉降变化，而位于下游侧的测点在此阶段沉降变化较小，与库水位变化相关性不明显；第三阶段为水库运行期，此阶段各测点沉降变形量及变形速率均较小，但496 m高程及偏下游侧的测点在一定程度上受降雨引起的堆石料的湿化变形，其总体变形量较小，之后可继续观察沉降变化，判断其受降雨湿化影响是否趋于收敛。V-06与V-17在2016年后期损坏，未能明确显示沉降规律，各测点在2016年7月27日及2017年8月22日各测点沉降状态见图9。从图9可以看到，各测点沉降基本表现为坝中部位较大，两侧部分沉降较小，截至2017年8月22日，大坝中部最大沉降为776 mm。位于坝下游侧的测点在496 m高程沉降较上游侧大，原因可能是：坝下游侧为次堆石区由软岩填筑，岩体弹模较小变形较大；2 496 m高程及偏下游侧的测点受降雨湿化影响较其余测点大。

图7 水管式沉降仪布设位置

图8 水管式沉降仪测值过程线

图9 主观测断面沉降(单位：mm)

2.3 坝体位移有限元计算结果与观测值对比分析

竣工期坝体最大断面的水平位移及沉降等值线见图10。上下游向位移以向下游为正，上游为负，竖向以向上抬为正，沉降为负。从图10中可以看出，竣工期蓄水前，在自重荷载作用下，坝体主要产生了向竖向的沉降变形，并因此产生了坝体上游侧向上游位移、下游侧向下游位移的水平向位移变化。计算结果显示，坝体最大向上游位移量为25.1 cm；最大向下游位移量为23.3 cm。坝体最大向上游位移量稍大于向下游位移量。坝体沉降相对于坝轴线近乎呈对称分布，最大沉降发生在坝高1/2稍偏上的部位，最大沉降量为82.5 cm，为最大坝高的0.94%。

图10 竣工期坝体最大断面位移分布(单位：cm)

正常蓄水期坝体最大断面的水平位移及沉降等值线见图11。水库蓄水后，在上游库水压重作用下，坝体的水平位移变化较为明显，上游侧测点向上游位移值明显减小，各测点最大向上游位移值为11 cm，较蓄水前减小了14.1 cm；下游侧测点向下游位移有所增加但增加幅度不大，各测点最大向下游位移值为28.1 cm，较蓄水前增加了4.8 cm。竖向沉降值较蓄水前有所增大，但增加量不大，最大沉降较蓄水前增加了2.7 cm。由此可见，坝体的主要沉降在竣工期基本已经完成。

图11 正常蓄水位坝体最大断面位移分布(单位：cm)

从观测成果分析及有限元计算结果来看：

(1)实际观测成果显示坝体水平位移及竖向沉降均小于有限元计算结果，其原因可能是设计计算参数选取保守。监测结果显示，蓄水后，截至2017年8月22日各测点最大向上游位移2.9 cm(DB-A-H-03)；最大向下游位移17.1 cm(DB-A-H-10)，坝体最大沉降量为80.7 cm。

(2)沉降方面，蓄水后等值线图规律性与实际监测成果存在一定差异，监测资料结果显示，坝体下游侧沉降量较上游侧明显较大。实际上，坝体下游侧由于软岩填筑，其沉降量的影响不仅与材料参数有关，也与材料流变特性及降雨导致材料湿化有关，由此导致的沉降是蓄水后下游侧坝体沉降量增加的主要原因。

3 土工膜面板堆石坝土工膜变形及受力监测成果分析

3.1 土工膜气压计监测资料分析

各测点测值变化过程线如图12所示，从测值过程线可以看到，土工膜气压计测值总体变化规律与温度变化相关性较高。土工膜气压计测值“+” 表示气压计有压，代表土工膜有受到膜后水体或空气浮托作用；“-” 表示气压计受压，代表土工膜与坝面结合部位没有空隙，接触良好。土工膜气压计测值与温度分量均表现为负相关，这是由于在温度较高时期上游库水温度较高，上游堆石体温度升高较慢，较上游库水温度低，膜后气体和水体收缩，气压计测值表现为受压状态；当温度降低时，上游库水温度较低，堆石体温度下降较慢，较上游库水温度高，膜后气体和水体膨胀，气压计测值表现为有压状态。GA-03埋设的为渗压计，该测点自始测日表现为向受压方向变形，从另一方面说明了该测点渗压向负压向变形，此处土工膜与上游坝面接触良好。各测点除GA-01外，其余测点在2017年均表现为受压状态，说明土工膜与上游坝面接触良好，GA-01表现为有压状态，说明土工膜受膜后气体浮托作用，且埋设在附近的渗压计测值变化与上游库水位同步性较高，渗压水位也较其余测点高，因此初步判断GA-01测点附近土工膜存在破损点，需要检查修补。图13为土工膜气压布设位置。

图12 土工膜气压计测值过程线

图13 土工膜气压计布设位置

3.2 土工膜应变计监测资料分析

南欧江六级水电站大坝工程共埋设24支土工膜应变计，见图14。其中DB-GS-01、DB-GS-02、DB-GS-03、DB-GS-07、DB-GS-16、DB-GS-17、DB-GS-18和DB-GS-20仪器损坏，无数据。现可正常工作的仪器共16支，编号中单号平行于坝轴线，双号垂直于坝轴线(顺坝坡向)。土工膜应变计的仪器型号为TS-DG0200，量程为100 mm，属于柔性位移计，其测值为有效长度192 mm范围内的位移变化值，测值变化过程线见图15。

图14 土工膜应变计布设位置

图15 土工膜应变计测值过程线

3.2.1 影响因素分析

(1)平行于坝轴线方向测点。根据监测成果及回归计算分析成果显示，靠近两岸与靠近河谷区域的测点变化规律不尽相同。①靠近两岸的测点，测值变化规律与上游库水位变化相关性较低，主要受温度变化影响。在温度较高时期土工膜为伸长变形，在温度较低时期为收缩变形，与温度变化基本呈现正相关。②靠近河谷区域测点，测值相较于两岸测点在蓄水期受上游库水位影响较大，高程稍高的GS-13与上游库水位变化呈负相关，而高程稍低的测点与库水位呈正相关，该区域测点均位于库水位以下，受温度变化影响较小。

(2)垂直于坝轴线方向测点。测值变化规律同样与上游库水位变化相关性不高，各测点(除GS-22外)测值基本与温度变化表现为正相关，GS-22与温度变化呈负相关。造成这种情况原因可能是，GS-22周边土工膜锚固在岸坡及趾板处，约束较强，土工膜不能随坝面任意变形，温度升高时，土工膜膨胀，由于约束存在，导致此部分土工膜表现为受压状态。加之蓄水后，大坝左右岸向位移向河谷中心处变形，平行坝轴线方向GS-21表现为向拉伸方向变形，由于泊松效应，GS-22测值变化规律与GS-21相反；靠近河谷区域测点测值变化与上游库水位变化相关性较两岸区域较大。回归结果显示，蓄水期，高程稍高的GS-14与上游库水位变化呈正相关，高程稍低的GS-12与上游库水位呈负相关。

3.2.2 分布规律分析

图16显示了特征值日期上游坝面平行坝轴线与垂直坝轴线土工膜应变计测值等值线。从图16中可以看出，在坝轴线向，靠近坝中间河谷部位的土工膜表现为受压应变，位于河谷中心及岸坡之间的土工膜表现为受拉应变，靠近右岸的土工膜为受压应变。在顺坡向，各测点土工膜应变随高程下降逐渐由拉应变变化为压应变。

图16 土工膜应变计测值(2016年5月13日)

3.2.3 拉伸应变分析

南欧江六级复合土工膜为CARPI公司供应的SIBON CNT5250复合土工膜，其膜(PVC)厚度为3.5 mm，土工布为700 g/m2无纺土工布。质量监测结果显示，土工膜拉伸应变为 280.50%，土工布拉伸应变为68.04%；监测结果显示，各测点最大拉伸应变在0.15%～2.57%之间，远小于土工布拉伸应变。因此各测点处土工膜均处于正常工作状态。

3.3 监测结果与有限元计算结果比较分析

有限元计算的上游土工膜最大主拉应力、最大主压应力分布等值线见图17。从图17中可知，上游坝面最大主压应力出现在上游坝面中部位置，最大值为-0.3 MPa，向两岸和上下游逐渐递减。最大主拉应力出现在土工膜与趾板连接部位附近区域，最大值为0.8 MPa。上游坝面拉应力分布规律是基于以下坝体和土工膜的变形状态。水库蓄水后，上游坝面在靠近河谷中部附近出现向下凹陷变形，土工膜随上游坝面同时变形，所以靠近河谷中部区域出现较大主压应力，而在坝址处由于受到约束，不能自由变形，导致在约束处土工膜受拉。

图17 蓄水期土工膜主应力分布(单位：MPa)

将观测成果与有限元计算结果进行对比分析，监测资料成果与有限元计算结果存在一定差异。一方面，两者显示的受压区域一致，均出现在河谷附近；另一方面，受拉区域两者显示规律性相反。监测结果显示，在坝坡向，测点越靠近上游趾板及岸坡测点，所受压应力越大；而有限元计算结果显示，测点越靠近上游趾板及岸坡测点所受拉应力越大。两者受拉区域不一致，计算有所差别。其原因可能是由于施工技术的短板造成在靠近岸坡位置，大型碾压机械无法正常工作，进而导致大坝与库岸的接触部位碾压密实度不高，沉降较大，从而呈现出大坝与库岸部分受压应力。土工膜面板堆石坝上游土工膜受力变形特征总体与面板土石坝(如谢罗罗坝及萨尔瓦兴娜坝)上游面板变形特征相似。

4 结 论

(1)南欧江六级土工膜防渗堆石坝作为国内投资已建成的最高的软岩填筑比例最大的土工膜面板堆石坝，自建成蓄水以来，大坝工作性态总体正常，沉降位移变形也基本趋于收敛，表明软岩填筑堆石坝、土工膜防渗体的筑坝方式是可行的。

(2)堆石坝内部位移变形监测资料显示，各监测点水平位移均已趋于收敛，大坝靠近上游侧测点与库水位变化相关性较高，高程较高的测点也受到降雨影响；靠近下游侧测点总体与上游库水位变化相关性不高，主要为坝体自重产生的向下游变形及降雨引起的软岩材料湿化变形。各监测点竖向沉降位移基本趋于收敛，最大沉降出现在坝体中部位置，沉降主要在施工期坝体填筑过程中产生。蓄水后，上游库水位变化对各测点沉降影响相对较小，高程较高的测点及下游侧软岩填筑部位测点沉降也与降雨引起的材料湿化变形有关。

(3)土工膜表面变形监测资料显示，除气压计GA-01附近土工膜与上游坝面贴合不紧密，土工膜可能存在破损点外，其余测点附近土工膜与上游坝面均接触良好。蓄水后，上游土工膜在坝轴线向靠近河谷中部处于受压状态，在向岸坡方向逐渐变为受拉状态，靠近右岸部位土工膜表现为受压状态；在顺坡向，土工膜随高程的降低，逐渐由受拉状态转变为受压状态。

(4)实际监测成果与有限元计算结果存在差异。在大坝内部变形方面，监测值均小于有限元计算值，有限元计算参数偏安全，且在沉降分布规律上，监测资料显示靠近下游侧且高程较高测点沉降大于同一高程靠近上游测点，而有限元计算结果则表现出基本相等的沉降规律；在土工膜受力变形方面，监测结果与有限元计算的出土工膜受压区域基本相同，但受拉区域则有差别。