高土石壩心墻施工期沉降變形統計分析模型研究

唐騰飛，史鵬飛，林金城，龍益彬，別玉靜，周朝陽

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081）

1 前言

高土石壩是西部深山峽谷地帶水電工程建設過程的常見壩型之一[1]。壩體變形是高土石壩全過程監測實施的重點對象,心墻沉降量是大壩施工期主要的控制性監測項目,是評價大壩安全和填筑質量的關鍵指標。當前土石壩沉降分析常采用定性和定量分析方法,定性分析時綜合分析心墻料特性及施工碾壓、進度等因素,旨在掌握心墻沉降發展的演化規律；定量分析需對沉降變形整編資料進行數據規律分析,要建立合理的、符合高土石壩工程特性的沉降監測分析模型,挖掘心墻沉降變形數據中所蘊含的監測信息,進一步反饋優化設計、調控施工進度。監控分析模型是在使模型具有較強擬合解析力的基礎上,在一定的外延區間上具有較高的預測精度,并可根據預測成果進行監控指標擬定[2],工程實踐中最常用的是統計分析模型。

本文在分析高土石壩心墻填筑料施工期沉降變形機理及規律的基礎上,充分耦合相關影響因子,對傳統施工期沉降變形分析模型進行優化,可有效提升沉降變形預測精度。

2 沉降變形分析

2.1 沉降機理

沉降是指在荷載作用下,沿豎直方向發生的位移。它主要分三個階段：初始沉降、固結沉降和次固結沉降。初始沉降是大壩及其基礎發生的壓縮變形,這部分沉降在填筑過程中發生,土石壩在施工期發生的沉降主要部分就是初始沉降。固結沉降是由于土體固結,土顆粒間的空隙水逐漸排出引起的沉降,透水性強的土石壩固結沉降完成較快,初始沉降和固結沉降將難以分開。次固結沉降是土體中顆粒骨架在持續荷載作用下發生的蠕變所引起的,土石壩經過正常蓄水后的沉降主要是次固結沉降。施工期主要發生初始沉降及固結沉降[3]。

（1）防滲區

高土石壩心墻材料大多采用不透水土料,其沉降主要與填土高度、施工含水量和土料的特性等因素有關。工程實踐表明,上述因素引起的沉降一般在填土高度的中央部位的附近最大,底部較小。究其原因,主要與有效應力密切相關,而有效應力又受孔隙水壓力的影響。

從美國墾務局20 多座土石壩的觀測成果表明,壩體心墻沉降與荷載重量（填土高度）及含水量有關,同時指出有效應力的對數與壓縮率對數大致呈直線關系[4-5]。

（2）透水區

透水區是由塊石澆筑,在填筑過程中由于巖塊接觸處破碎或雜物壓壞而產生沉降,這種沉降在總沉降中占比較大。一般在接近壩基和上部較小,在1/3～1/2 壩高處最大。在產生沉降的同時,還附帶產生水平位移,其規律在上游側表現為上游側透水區向上游,下游側透水區向下游。

2.2 統計模型改進

心墻土體施工期的沉降主要與豎直荷載重量（即上部堆石或土體高度）和含水量有關,即與有效應力有關。

關于施工期沉降統計的分析初步給出其施工期沉降統計模型為[3]：

式中：Δ 為監測點沉降累計值；b0、b 為常數；h（t）為監測點上部填筑高度。

結合土石體發生沉降的機理可以看出,上述沉降分析模型未考慮土體材料在自重荷載作用下發生的流變變化、上部分層填筑時不同填筑層厚在不同時間點作用荷載下引起的位移變化,考慮上述幾點因素,對單項式統計模型進行改進,改進后的模型表達式為：

式中：Δ為監測點沉降累計值；a0、a1、b1為常數；t 為時間,d；h（t）為監測點上部填筑高度；θ為填筑完成后起算時間,d。

3 工程應用

3.1 工程概況

某水利樞紐主壩為高斜心墻堆石壩,壩頂高程為281.00 m。設計水庫最高運用水位275 m,水庫總庫容126.5 億m3。壩體總填筑量5184.7 萬m3,壩基總開挖量770 萬m3。攔河大壩為壤土斜心墻堆石壩,心墻防滲料主要由粉質黏土組成,防滲墻頂端設有高塑性土區,壩殼由堆石體構成。設計最大壩高154 m,右岸深槽實際施工最大壩高為160 m,壩頂長1667.0 m,壩頂寬度15 m,壩頂最大寬度864 m,上下游壩坡分別為1∶2.60和1∶1.75,河床段壩基處于深厚砂礫石上,覆蓋層厚70 m～80 m。該工程于1994 年9 月主體工程開工,2001 年年底樞紐主體工程按計劃進度全部完工[6]。

根據規范[7-8]要求、工程地質條件以及心墻堆石壩結構設計計算分析成果,壤土心墻壩最大壩高處設一個主要監測斷面（0+0387.50 處）,在左右岸岸坡處各布設1 個監測斷面。監測項目主要開展了表面變形、內部變形、壩體壩基滲流滲壓、壩體土壓力等監測。針對心墻的監測,布置土壓力計、豎向測斜儀、大量程位移計和界面變位計、鋼弦式沉降儀等監測設備。

圖1 大壩心墻典型監測斷面布置

3.2 沉降變形規律

選取典型監測斷面：B（樁號0+387.50,河床中間斷面）、C（樁號0+217.50,靠左岸斷面）,分別對典型高程點的沉降變形規律進行分析,7#、16#、38#測點分別大致處于心墻結構1/3、1/2 及2/3 高程位置,見圖2～圖3。

圖2 斷面B 不同高程點沉降變形監測值

圖3 斷面C 不同高程點沉降變形監測值

分析圖2～圖3 可知：

1）心墻填筑過程中,各典型高程處的沉降變形值隨著上部土體填筑高程的增加而增加,兩者之間呈明顯的正相關關系；且施工期心墻各沉降變形監測點的變形速率（曲線斜率）基本保持穩定。

2）心墻1/2 高程處的沉降比下部1/3、上部2/3 高程處的沉降值大,且在心墻填筑時的變形速率明顯較其他部位快,與高心墻壩變形數值計算的規律相同。

3.3 模型應用與分析

選取大壩心墻典型測點施工期沉降監測數據（含施工填筑過程信息）,作為沉降分析模型的輸入數據,見圖4。

采用傳統模型及改進模型對各監測點的沉降變形數據進行擬合與預測,對比見圖5～圖6。

圖5 模型擬合情況

圖6 模型預測情況

施工填筑期沉降推薦模型及改進模型的對比分析見表1。

表1 施工填筑期沉降推薦模型及改進模型對比分析表

對比分析表1 數據及圖5～圖6 可知：

（1）運用傳統模型對三個不同剖面不同高程處沉降變形數據分析,模型擬合數據與實測數據的復相關系數分別為0.998、0.994、0.981,最大誤差分別為1.77 cm、2.91 cm、4.45 cm；預測數據與實測數據的復相關系數R 為0.953、0.961、0.964,最大預測誤差值為10.61 cm、9.90 cm、9.00 cm,預測精度不高,可以基本滿足心墻施工期沉降值的預測精度。

（2）以0+693.74 剖面1/3 壩高處測點1997/7/10～2000/3/18 資料為典型代表基礎數據建立施工的沉降統計分析模型,通過逐步回歸計算得到施工期沉降統計模型的表達式為：

擬合數據與實測數據的復相關系數R=0.9994、0.9971、0.9957,最大誤差為1.38 cm、1.20 cm、1.66 cm,典型最大誤差率為：1.3842/72.861=1.9%＜5.0%,說明擬合效果較好。

（3）應用改進沉降統計模型預測各監測點沉降值,預測數據與實測數據的復相關系數R=0.9714、0.985、0.963,最大誤差為3.82 cm、7.36 cm、1.17 cm,典型最大誤差率為：3.8255/97.196=3.9%＜5.0%,說明采用施工期沉降統計數學模型預測效果較好,完全可滿足施工期沉降預測的要求。

4 結論

本文結合高土石壩心墻沉降變形機理對傳統的沉降分析統計模型進行改進,考慮土體材料在自重荷載作用下發生的流變變化、上部分層填筑時不同填筑層厚在不同時間點作用荷載下引起的位移變化等因素,提出了改進的心墻沉降變形分析統計模型,并結合工程實例中對監測數據進行擬合及預測分析。

通過對傳統模型和改進模型的對比分析可知：改進模型相比推薦模型的擬合及預測復相關系數更大,說明擬合及預測趨勢更符合實際、最大誤差率也小,預測情況更好；同時物理意義更加明確,更加符合土石體材料的變形特征；同時對實際土石壩工程施工期數據進行建模分析對比得到改進模型更加具有工程應用價值,能對心墻沉降變形進行更高精度的預測分析,可為高土石壩心墻沉降監測數據分析提供新的模型工具。