砾石土心墙堆石坝变形研究

李万海，李建军，耿瑜平

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州，450003）

0 引言

土石坝是目前世界坝工建设中应用最为广泛、发展最快的一种坝型[1]。其中土质防渗体分区坝是高、中坝最常用的坝型。土石坝防渗料在上坝碾压时饱和度一般达到90%以上，坝体填筑过程中，心墙孔隙水压力的消散能力不足，坝体内部高孔隙水压力的存在导致心墙中有效应力降低，影响坝体的稳定和强度[2-5]。对于高土石坝，初蓄期控制库水位抬升速率对坝体变形有非常重要的影响。

1 工程概况

某水电工程为大（2）型，拦河大坝采用砾石土心墙堆石坝，砾石土心墙顶宽4 m，坡比1∶0.25，上游侧反滤层宽度4 m，坡比1∶0.25，下游侧反滤层宽度6 m，坡比1∶0.25，上下游侧过渡料坡比1∶0.4，上游侧堆石区坡比1∶2.0，下游侧堆石区坡比1∶1.8。大坝坝顶高程2 138.00 m，坝顶宽12.0 m，心墙底高程1 991.00 m，最大坝高147.00 m。大坝坝基防渗分两部分：河床段采用混凝土防渗墙，墙体下部接帷幕灌浆；左右两岸采用双排帷幕灌浆。电站设计装机容量420 MW。电站正常蓄水位2 133.00 m，总库容5.87亿m3，正常蓄水位以下相应库容5.35亿m3，调节库容4.44亿m3。坝址控制流域面积5 317.00 km2，多年平均流量104.00 m3/s。

心墙料源主要由风成黄色黏土和冰渍灰黄～灰色块碎石土组成，粗粒成分以砂岩、砂质千枚岩和绢云母千枚岩为主，角砾状。心墙采用黄色黏土和块碎石土混合料方案，混合比例为3∶7～7∶3。

2 监测设备布置

为监测坝体变形，在大坝2 031.00 m、2 048.00 m、2 078.00 m、2 108.00 m高程等马道及坝顶上共布置61 座变形观测墩，分8 个纵剖面，其编号为TP（1～61）DB，见图1～2。

图1 监测平面布置Fig.1 Monitoring plane layout

在大坝2 048.00 m、2 078.00 m和2 108.00 m 高程（0+123、0+244 和0+320）各布置3 套引张线式水平位移计和水管式沉降仪，测点分别设置在心墙下游侧1 m处、过渡料区及堆石区。

在大坝2 048.00 m、2 078.00 m和2 108.00 m高程（0+123、0+244 和0+320）心墙上下游、过渡料区和反滤料区各布置一条渗压计监测断面。

3 坝体变形分析

大坝于2011年3月底填筑到2 115.00 m 高程，开始下闸蓄水，相应库水位2 032.80 m；2011年6月28日填筑到最大坝高2 136.00 m，相应库水位2 053.46 m；2011年11月16日达到最高水位2 104.49 m；2012年4月14日水位回落到2 068.68 m。2012年4月14日坝体变形监测结果见表1。

图2 监测剖面布置Fig.2 Monitoring profiles

表1 坝体变形监测结果（2012年4月14日）Table 1 Dam deformation monitoring results on April 14th,2012

2012年4月15日库水位开始再次逐渐抬升。根据设计要求，初蓄期库水位抬升速率不大于0.5 m/d，但蓄水过程中受客观条件限制，2012年5月1日—2012年5月15日有13 d库水位抬升速率大于1.0 m/d，其中有6d速率大于1.5m/d，最大为5月13日（1.88m/d）。5月24日—5月26日连续3 d抬升速率大于2.0 m/d，其中5月26日为3.91 m/d，库水位抬升至2 102.22 m。6月30日—7月5日连续6 d 抬升速率大于2.0 m/d，其中7月1日为4.39 m/d，库水位抬升至2 121.17 m。7月8日—10月18日，库水位缓慢抬升到最高水位2 133.21 m，平均抬升速率0.08 m/d。坝体心墙2 108.00 m 高程变形曲线见图3，2012年6月30日、7月30日和10月18日坝体变形监测结果见表2～4。

表2 坝体变形监测结果（2012年6月30日）Table 2 Dam deformation monitoring results on June 30th,2012

表3 坝体变形监测结果（2012年7月30日）Table 3 Dam deformation monitoring results on July 30th,2012

图3 坝体心墙2 108.00 m高程变形曲线Fig.3 Deformation curves of dam core at elevation 2 108.00 m

坝体监测结果反映，初蓄过程中，受库水位快速抬升影响，7月3日开始，坝体变形测点监测数据出现明显增加趋势，坝体呈现整体沉降和水平变形。

随着库水位的抬升，尤其是6月30日—7月5日连续6 d抬升速率大于2.0 m/d，大坝监测显示坝体从7月1日开始出现变形速率明显增加趋势。2 108.00 m 高程心墙监测点H19（0+244 引张线测点）和V19（0+244 沉降仪测点）监测数据显示6月30日—7月30日心墙平均水平位移速率为11.26 mm/d，最大为7月12日19.5 mm/d，平均沉降速率为6.52 mm/d，最大为7月15日22.67 mm/d。2 108.00 m 高程马道监测数据显示6月30日—7月30日TP42（0+244 测点）平均水平位移速率12.34 mm/d，最大为7月13日18.16 mm/d，平均沉降速率14.10 mm/d，最大为7月14日28.56 mm/d。7月11日下午，2 108.00 m 高程部分观测房内（0+244、0+320）水管沉降仪和引张线保护管开始出现渗流水（清水，无夹泥、夹砂），10月8日渗流量达到最大值0.431 L/s；7月14日上午2 078.00 m 高程部分观测房内（0+244）水管沉降仪保护管开始出现渗流水（清水，无夹泥、夹砂），10月8日渗流量达到最大值0.062 L/s。两处保护管渗流水在12月9～10日断流。坝体2 108 m高程马道水平位移和沉降变形监测曲线见图4～5，观测房保护管渗流量曲线见图6。

图4 坝体2 108.00 m高程马道水平位移监测曲线Fig.4 Horizontal displacement curves of the berm at elevation 2 108.00 m

图5 坝体2 108.00 m高程马道沉降变形监测曲线Fig.5 Settlement deformation curves of the berm at elevation 2 108.00 m

图6 观测房保护管渗流量曲线Fig.6 Seepage flow curves of protective pipes in observation room

从图4可知，坝体中部变形量大于两侧，坝体左侧变形量大于右侧。右岸岸坡上下游几乎呈凹型对称分布，坝体右侧上游迎水面积远小于左侧上游迎水面积，右侧下游岸坡山体对坝体的支撑作用明显，坝体变形曲线特征与大坝结构特征比较吻合。坝体心墙下游渗压计监测曲线见图7，坝体浸润线监测结果见图8。

图7 坝体心墙下游渗压计监测曲线Fig.7 Monitoring curves by osmometers downstream of dam core

图8 坝体浸润线监测结果Fig.8 Monitoring results of dam phreatic line

从图7可知，随着库水位从2012年6月30日的2 105.45 m高程快速抬升，7月3日（库水位2 115.54 m）2 108.00 m 高程0+320 断面P94 渗压计监测水压开始出现明显增大趋势，7月12日达到最大值113.6 kPa，之后逐渐减小，2013年1月30日监测值为0.2 kPa（P94 安装高程2 110.10 m，库水位2 108.27 m）。7月9日（库水位2 124.89 m）2 108.00 m 高程0+244断面P73渗压计监测水压开始出现明显增大趋势，7月15日达到115.3 kPa（库水位2 124.58 m），10月13日达到最大值122.3 kPa（库水位2 132.38 m），2013年1月30日监测值7.0 kPa（P73 安装高程2 109.6 m，库水位2 108.27 m）。从P73和P94两支渗压计监测曲线可知，监测结果与库水位变化相关。

7月3日（库水位2 115.54 m）2 108.00 m 高程0+123 断面P47 渗压计监测水压开始增大，7月14日监测值减小到1 kPa以下，最大值为29.5 kPa。

心墙2 078.00 m高程埋设的3支渗压计中，P69（0+244）和P90（0+320）监测值较小，P43（0+123）监测最大值为25.7 kPa，监测曲线形态与库水位变化没有关联性。

心墙2 048.00 m高程埋设的3支渗压计在大坝填筑过程中监测的孔隙水压力随大坝填筑高程增加而增大，大坝填筑完成后水压力逐渐消散减小。2012年6月30日库水位快速抬升过程中，3支渗压计监测值均明显增大，后期逐渐消散减小。前期孔隙水压力逐渐消散减小速率与后期消散减小速率较一致，且坝体中部2 048.00 m 高程心墙在库水位快速抬升期间变形明显增大，综合分析可知孔隙水压力明显增大的原因为坝体变形，与库水位快速抬升关联性不大。

综上可知，坝体2 108.00 m 高程以上心墙在库水位快速抬升过程中由于变形过大出现了渗漏。

为了查明坝体心墙渗漏情况，在坝顶心墙部位沿坝轴线布置了10个钻孔（见图9），孔深46 m，并进行了物探工作，结果显示坝体心墙2 114.00 m 高程以上普遍存在渗漏。

图9 坝体心墙探测剖面Fig.9 Probe holes profile in dam core

根据心墙水平变形监测结果（见表4、图10～11），随着2012年6月底库水位开始快速抬升，坝体心墙出现加速水平变形，7月10～12日水平变形速率达到最大，坝体2 108.00 m 高程测点H33（0+123）最大值为10.6 mm/d，H19（0+244）最大值为19.5 mm/d，H41（0+320）最大值为16.6 mm/d，之后随着库水位抬升速率变缓，坝体变形速率逐渐减小。

表4 坝体变形监测结果（2012年10月18日）Table 4 Dam deformation monitoring results on October 18th,2012

表4 心墙2 108.00 m高程水平变形监测结果（2012年）Table 4 Horizontal deformation monitoring results of dam core at elevation 2 108.00 m in 2012

图10 心墙2 108.00 m高程水平变形曲线Fig.10 Horizontal deformation curves of dam core at elevation 2 108.00 m

图11 中部心墙水平变形曲线Fig.11 Horizontal deformation curves of central section of dam core

2013年1～6月，随着库水位的回落，坝体心墙水平变形出现一定量的回弹变形，H19测点6月18日累计变形回弹到542.4 mm，水平变形回弹量约占本轮水平变形量的14.9%。监测结果显示心墙上部水平变形回弹明显，心墙中下部2 078.00 m高程测点有较小量的水平变形回弹，2 048.00 m 高程测点未监测到水平变形回弹，监测数据见表5。

表5 坝体心墙水平变形回弹监测结果Table 5 Horizontal deformation rebound results of dam core

根据大坝心墙沉降变形监测结果（见表6、图12），随着2012年6月底库水位开始快速抬升，坝体心墙出现加速沉降变形，7月10～15日沉降变形速率达到最大，坝体2 108.00 m高程测点V33（0+123）最大值为3.7 mm/d，V19（0+244）最大值为22.7 mm/d，V41（0+320）最大值为10.7 mm/d，之后在库水位高位运行期间，心墙沉降速率逐渐减小。2013年1～4月中旬库水位下降期间，心墙沉降速率有所加大，4月中旬—9月底库水位在2 108.30 m以下运行过程中，V19（0+244）测点监测数据显示心墙有一定量抬升，累计抬升量42 mm，其他测点均未监测到心墙抬升。

表6 心墙2 108.00 m高程沉降监测结果表（2012年）Table 6 Settlement results of dam core at elevation 2 108.00 m in 2012

4 结语

（1）砾石土心墙堆石坝初蓄过程中，库水位快速抬升造成坝体产生过大沉降变形和推移式水平变形。2 108.00 m高程心墙最大沉降速率22.67 mm/d，6月30日—7月30日平均沉降速率为6.52 mm/d，7月30日累计沉降量214.0 mm；心墙最大水平位移速率19.50 mm/d，6月30日—7月30日平均水平位移速率为11.26 mm/d，7月30日累计水平位移量347.6 mm。

图12 坝体中部心墙沉降变形监测曲线Fig.12 Settlement deformation curves of central section of dam core

（2）库水位快速抬升过程中，2 108.00 m高程心墙下游侧P73和P94两支渗压计监测曲线特征与库水位变化相关联，心墙钻孔勘探结果显示坝体心墙2 114.00 m 高程以上普遍存在渗漏，2 114.00 m 高程以上心墙防渗体系在库水位快速抬升过程中变形过大出现了破坏。

（3）砾石土心墙监测结果显示，在初蓄期结束库水位回落过程中，坝体心墙水平变形出现一定量的回弹变形，总体特征为心墙上部回弹变形明显，最大回弹量为本期水平变形量的16.1%，中下部回弹变形不明显。4月中旬—9月底，库水位在2 108.3 m高程以下运行过程中，2 108.00 m 高程心墙中部V19（0+244）测点监测数据显示，心墙有一定量抬升，累计抬升量42 mm，其他测点均未监测到心墙抬升。

（4）本工程在初蓄期未能按设计0.5 m/d 水位抬升速率要求控制水位抬升，实际最大水位抬升速率达4.39 m/d，过快的库水位抬升使坝体产生较大变形，心墙最大沉降速率达22.67 mm/d，最大水平位移速率达19.5 mm/d，导致2 108.00 m 高程以上心墙防渗体系发生了渗流破坏。本工程教训反映了心墙堆石坝在初蓄期严格控制水位抬升速率的重要性，初蓄期必须严格按照设计要求控制库水位抬升速率，加强坝体变形和渗透水压力监测，这对确保大坝运行安全具有重要意义。■