阿尔塔什大坝沉降变形研究分析

李帅军，安美运，王马佛轩

(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.贵州省水利科学研究院,贵州 贵阳 550000；3.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司,新疆 喀什 844000)

随着我国水电事业的不断发展，筑坝技术的逐渐完善，混凝土面板堆石坝[1]因料源易于实现就地取材，工程造价经济等优点[2]在国内外水工界的建造数量越来越多，积累了丰富的筑坝经验，已成为当前主流坝型[3- 5]之一。目前，我国面板堆石坝不仅在坝筑高度上不断实现突破，更解锁了深覆盖层、强地震区等地质条件与高陡边坡等地形条件的限制，筑坝技术在国际上已领先。但面板堆石坝堆石体的沉降变形危害依然存在，例如阿瓜米尔巴(Aguamilpa)坝[6- 7]运行期因坝体变形过大而产生面板水平裂缝，水布垭面板堆石坝[8]面板局部破损等。因此，对面板堆石坝沉降变形进行安全监测十分必要，通过系统监控及数据分析可有效掌握堆石坝在施工期、初蓄水期及运行期的沉降变形变化过程，可为大坝运行状态评估提供科学依据，为大坝安全预警提供数据支撑，从而降低事故发生率。本文以阿尔塔什水利枢纽工程面板堆石坝为例，分析了本工程针对堆石坝“三高一深”[9]特点，采取的坝体沉降变形控制措施，并为检验控制措施对改善坝体沉降变形的效果，采用四管式沉降仪对坝体沉降变形进行监测及对监测数据的整理，研究分析了采取措施后坝体沉降变形变化规律及特点，为今后类似工程提供重要参考和借鉴。

1 概述

阿尔塔什水利枢纽工程[10- 13]位于叶尔羌河干流山区下游河段上，水库总库容22.49亿m3。大坝为混凝土面板堆石坝，坝体填筑料主要为砂砾石料与爆破堆石料，坝体填筑分区自上游到下游依次为面板、垫层料区、特殊垫层料区、过渡料区、砂砾石料区和爆破料区(如图1所示)，坝高164.80m。坝基建在河床冲积砂卵砾石深厚覆盖层上，最深厚度达94m。坝体工程区所处强震区，地震烈度为8度，抗震设计烈度为9度。右岸边坡高达566m，坡度在高程1845m以下一般为50°～70°。大坝于2019年11月26日开始初次蓄水。

图1 阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板堆石坝典型剖面图

2 坝体沉降变形控制措施

在已建百米级混凝土面板堆石坝中，阿瓜米尔巴(Aguamilpa)面板堆石坝因施工填筑顺序不当、施工工艺不良导致堆石体上下游沉降差过大，最终在面板顶部出现了贯穿的水平结构性裂缝；天生桥一级面板堆石坝因施工期填筑顺序不合理，堆石体碾压密实度不够等原因，致使堆石体上下游沉降变形极为不协调，面板出现脱空、应力集中破坏现象；董箐面板堆石坝由于堆石体未进行分区设计，使得运行期坝体沉降变形明显；水布垭面板堆石坝引未针对坝址处河谷不对称特点在岸坡坝段未设置变模区，导致岸坡坝段和河床坝段沉降变形不均匀，运行期左岸岸坡坝段面板垂直缝两侧出现表面起皮、起壳现象。

针对本工程“三高一深”[9]特点，在总结上述已建百米级面板堆石坝出现的问题及原因的基础上，对如何保证坝基覆盖层与坝体协调变形和坝体不同分区的协调变形展开了一系列研究分析，主要从筑坝材料的合理性选择、坝体分区的优化设计、变模区设置、提高筑坝料压实质量、优化堆石体填筑顺序及施工工艺等方面来实现(见表1)。

表1 阿尔塔什工程面板堆石坝沉降变形控制措施

3 坝体沉降变形监测设计

3.1 监测仪器选择

为确保大坝在施工期、初蓄水期和运行期的安全运行，在坝体内部设计布置安全监测仪器，用以监测坝体沉降变形变化过程，从而为大坝在施工期建设，初蓄水期及运行期的运行状况评估提供科学的数据支撑。常见的测量坝体内部沉降变形的监测仪器主要有电磁沉降环、水管式沉降仪和杆式位移计等。

根据SL 551—2012《土石坝安全监测技术规范》[14]要求，并结合阿尔塔什水利枢纽工程(以下简称本工程)实际情况，选择四管式水管式沉降仪15]对坝体内部沉降变形进行观测。同时，在对坝体沉降变形监测进行设计时，考虑到传统三管式水管式沉降仪在使用过程中进水管易出现堵塞、管线较长时管路内部环境易滋生微生物导致管路不畅等问题，同时为确保工程在冬季外界温度低于20℃时的正常观测，在传统三管式水管式沉降仪的基础上作出了改进[16]，使其演变为本工程所用的四管式水管式沉降仪(仪器型号：NSC-1000B，量程：0～3000mm；精度：2mm；温度范围：-25～+60℃)。四管式水管式沉降仪组成结构图如图2所示。采用四管式水管式沉降仪在保证观测准确性的同时，一定程度上也提高了测量结果的可靠性。

图2 四管式水管式沉降仪组成结构图

3.2 变形监测布设

3.2.1监测断面布置

依据相关规范要求，堆石坝变形监测断面一般要在两岸岸坡坝段和河床最大坝高处设置，并结合具体工程特点，可以适当增加或减少监测断面数量。

本工程在混凝土面板堆石坝共布设4个监测断面用以观测坝体沉降变形，其中在河床坝段设2个监测断面，分别为坝0+475m、坝0+305m断面。在岸坡坝段设两个监测断面，分别为坝0+160m、坝0+590m断面。其中，0+475m为最大坝高监测断面。

3.2.2沉降测点布置

堆石体河床坝段沉降监测断面分别在高程1671、1711、1751、1791m各布置1条水管式沉降仪测线，岸坡坝段沉降监测断面分别在高程1711、1751、1791m各布置1条水管式沉降仪测线。其中高程1671m单条水管式沉降仪测线设计布置有7个沉降测点，高程1711m单条水管式沉降仪测线设计布置有6个沉降测点，高程1751m单条水管式沉降仪测线设计布置有4个沉降测点，高程1791m单条水管式沉降仪测线设计布置有2个沉降测点，堆石体共有62个水管式沉降测点。坝体典型断面变形监测布置如图3所示。

图3 坝0+475m监测断面变形监测布置图

4 堆石体沉降变形计算原理及监测成果分析

4.1 沉降变形计算原理

本工程采用的水管式沉降仪为专门定制的四管式水管式沉降仪，其利用液体连通原理[17]，通过读取连通管路在观测房一端玻璃管内的液面高程，便可知坝体埋设沉降测点的液面高程。通过连通器管路两端口高程之差与观测房沉降量，即可得出坝体测点的沉降量，测点沉降量计算公式如下：

S=ΔL+ΔH

(1)

(2)

式中，S—测点沉降量，mm；ΔL—水管内液面沉降量，mm；ΔH—观测房沉降量，mm；L0i—第i根水管内液面初始读数，mm；Li—第i根水管内液面当前读数，mm。

4.2 监测成果分析

4.2.1各沉降测点初始值时间

混凝土面板堆石坝于2016年4月19日开始大坝首层填筑，受到堆石体各分区填筑施工进度不完全一致影响，坝体各监测断面沉降测点即使在同一高程层，其测点初始值取得时点也不完全一致，最早获得初始值的测点为高程1671m的两条测线的TC1- 3—TC1- 7与TC11- 3—TC11- 7沉降测点，初始值取得时间为2016年10月15日，其他测点分别于2017年3月、2017年7月、2018年6月及2019年6月取得观测初始值。测点监测频次，施工期为4～10次/月，蓄水期为10～30次/月。

4.2.2测值可靠性分析

改进后的四管式水管式沉降仪内包含2个进水管、1个排水管和1个通气管，2个进水管的水杯顶面高差在19～21mm不等。水管式沉降仪在各管路正常工作期间(无脱节、无折断、无堵塞、无气泡等)，当观测端在充水后的水位基本稳定，并且两测量管水位高差与水杯顶面高差相等时，即可读数。相比于常规水管式沉降仪，四管式水管式沉降仪增加了一个对比、自校核环节，可以在观测端观测时进行简单的测值校核，从而保证了测值的准确度，并且在一定程度上节省了观测时间。

以TC2- 5测点(EL.1711m)在2017年的观测数据为例(见表2)。TC2- 5测点位于EL.1711m，所在管路长达142m，平均充水稳定时间90min。由上表观测数据分析可得，当观测端测头差在19～21mm时，1#和2#观测管目测变化量差值不超过1mm；当观测端测头差大于21mm时，1#和2#观测管目测变化量差值最大可达9mm。实践证明，相比较传统的三管式水管式沉降仪，采用四管式水管式沉降仪能有效提高观测值的可靠性与准确性。

表2 TC2- 5测点(EL.1711m)观测数据 单位：mm

4.2.3堆石体沉降变形研究分析

堆石体共布设4个监测断面，16条测线，62个测点。其中坝0+475m与坝0+305m两个监测断面在高程1671m测线最长，管路长达560m，为当前国内已建工程中管路最长的水管式沉降仪。同时，坝0+475m监测断面又为坝体4个监测断面中的最大坝高断面，因此本文以坝0+475m监测断面为典型断面，根据典型断面各沉降测点观测数据，绘制坝0+475m断面沉降变形分布图(如图4所示)与坝0+475m断面高程1711m的测点沉降变形过程线图(如图5所示)，并对堆石体在施工期与初蓄水期的沉降变形进行研究分析。

图4 坝0+475m断面沉降变形分布图(沉降变形单位：mm；高程单位：m)

图5 坝0+475m监测断面高程1711m沉降变形过程线

研究得出：

(1)坝基最大沉降测点(TC1- 5)出现在坝轴线位置，施工期最大沉降变形量为513.9mm，占其测点下部堆石体与覆盖层总厚度(65m)的0.79%，最大月均沉降速率为14.27mm/月。初蓄期沉降变形量为549.9mm，较施工期新增36mm，占其测点下部堆石体与覆盖层总厚度0.85%，最大月均沉降变形速率为1.16mm/月。

(2)坝体最大沉降测点(TC2- 5)为坝体主堆石区与下游堆石区分界线下游的第一个测点，施工期坝体最大沉降变形量为604.9mm，占坝体与覆盖层之和(216.3m)的0.28%，最大月均沉降速率为8.90mm/月，扣除同时段同断面处坝基贡献沉降量后，施工期坝体实际最大沉降量为240.3mm。初蓄期坝体最大沉降变形量为783.7mm，占坝体与覆盖层之和(219.8m)的0.36%，最大月均沉降速率为4.46mm/月，扣除同时段同断面处坝基贡献沉降量后，初蓄期坝体实际最大沉降量为142.8mm。

(3)堆石体坝基与坝体沉降变形量在施工期与坝体填筑高度呈正相关关系，并且坝基和坝体的沉降速率在施工期最大，在坝体填筑完成后即初蓄水期坝基和坝体的沉降速率较施工期明显降低，呈现逐步趋缓的趋势。

4.2.4已建同类工程坝体沉降量对比

随着筑坝技术的不断创新及经验积累，我国在混凝土面板堆石坝设计、筑坝材料选择、坝体分区、填筑施工等方面提出了很多措施用以控制堆石体的沉降变形，也取得了较好的效果。通过对国内已建同类工程施工期堆石坝沉降变形情况对比统计分析(见表3)，阿尔塔什水利枢纽工程堆石坝在施工期最大沉降量为604.9mm，占坝高0.28%，在同类工程中，其堆石坝最大沉降量相对较小，累积变形在同类工程统计范围内。同时，阿尔塔什水利枢纽工程堆石坝相对较小的沉降量，表明坝料自身物理特性较好，也说明了范金勇[12]等人的研究对控制深覆盖层上的堆石体沉降变形起到了一定作用。

表3 同类型面板坝内部沉降对比统计表

4.2.5堆石体垂直压缩模量研究分析

坝体填筑施工质量除可以通过坝体的沉降变形量来反映，也可以通过堆石体的垂直压缩模量来判断。压缩模量越大，表明填筑体越密实、坚硬。为满足无侧向变形的单轴压缩假定，通常选择靠近坝轴线位置的堆石体沉降测点实测值，并根据垂直压缩模量E计算公式(3)来计算堆石体的压缩模量[18]。

此次研究分析采用坝轴线附近坝0+475m、坝0+375m、坝0+160m、坝0+590m、坝下0-010m、坝下0-081m监测断面的四管式沉降仪测点的实测值，计算分析得出不同断面处坝体沉降测点垂直压缩模量见表4。

表4 堆石体垂直压缩模量计算成果表

E=rHd/S

(3)

式中，r——堆石体填筑容重，kN/m3；H——测点上覆堆石高度，m；d——坝基以上、实测点以下堆石的高度，m；S——为实测点累积沉降量，mm。

从上述计算成果分析得：靠近坝轴线位置的堆石体沉降测点垂直压缩模量在77.3MPa～758.7MPa范围，其中压缩模量最大计算值为758.7MPa，位于坝0+305m的高程1793m处；最小计算值为77.3MPa，位于坝0+475m的高程1673.86m处。对比采用重型振动碾得到堆石体的垂直压缩模量[19]经验值20～225MPa范围，本工程堆石体的平均垂直压缩模量计算值明显偏大，说明坝体填筑质量较好，工程所采取的坝体沉降变形控制措施对坝体的沉降变形取得了良好的控制效果。

5 结论与建议

(1)改进后的四管式水管式沉降仪相比传统水管式沉降仪，能有效提高观测值的可靠性与准确性。

(2)通过改进后的四管式水管式沉降仪对坝体沉降测点的观测分析、堆石坝最大沉降量计算分析与堆石体垂直压缩模量计算分析等，有效说明了工程从设置变模区、堆石体合理分区、筑坝材料选择、填筑施工工艺等方面对坝体的沉降变形进行的控制措施，保证了堆石体的协调变形。

(3)通过对本工程大坝施工期与初蓄期沉降变形监测数据的整理与研究分析，得出采取控制措施后堆石坝的沉降变形规律：同一高程层上，中部测点沉降量最大，两侧测点沉降量逐渐减小；不同高程层上，高程越低，沉降量越大；坝体内部沉降呈连续渐变变化，纵、横向分布基本协调，各测点沉降量与上覆堆石体厚度有关，坝基、坝体各测点沉降量分布规律性较好，符合土石坝沉降变形分布的一般规律。

(4)初蓄期坝基和坝体沉降变形速率明显低于施工期的坝体沉降变形速率。坝基沉降变形主要发生在施工期，坝体沉降变形主要发生在施工期和初蓄期。

(5)堆石体的沉降变形为混凝土面板坝稳定与安全的扼要，且阿尔塔什水利枢纽工程大坝具有“三高一深”的特点，因此建议在运行期持续关注坝体与坝基的沉降变形情况，及时进行数据整理分析与结果反馈。同时，在后期运行过程中需做好水管式沉降仪管路维护工作，以便更好地发挥沉降变形监测作用。