對湖南某水庫大壩沉降觀測問題探究

張征宇

摘要：某水庫大壩庫區流域總面積24．5 km2，翻水面積18．181 km2。大壩壩型為上下游各帶一級鎮壓層的黏土斜墻堆石壩，壩頂高程為8．3 m，壩頂寬為4．5 m，壩頂長度為3 041 m，最大壩高為7．2 m，標準斷面最大壩底寬度為51．2 m，基礎處理采用塑料排水板排水固結處理方案。筆者結合該工程實踐，對在施工過程中大壩沉降觀測問題進行分析探討，得出以下結論，以供同行參考。

關鍵詞：大壩觀測；沉降

一、工程地質情況

壩址全區均為第四系覆蓋層覆蓋，厚度大，上部為全新統海相沉積淤泥質土，土質軟弱，下部為更新統沖洪積，沖湖相沉積含泥砂礫石，粉質黏土等，土質較好。土層自上而下可分為：①Ⅰ1層粉質黏土，厚2．9～4．8 m，分布于北壩段；②Ⅱ層粉質黏土，層厚0．2～3．0 m；③ Ⅲ層淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土，層厚6．3～15．3 m；④Ⅲsil淤泥，層厚2．0～5．5 m；⑤Ⅲc粉質黏土，層厚1．0～1．5 m主要分布于東及南壩段；⑥Ⅳ1淤泥質粉質黏土，全區分布，層厚1．5～18．8m；⑦Ⅳsil淤泥，層厚3．0m；⑧Ⅴ1層粉質粘土，層厚0～12．5 m。各土層主要物理力學指標見表1。

表1 各土層主要物理力學指標表

二、觀測成果分析

㈠沉降觀測

沉降觀測時間為2OO4年9月至2OO6年12月，觀測成果見表2。以下原因引起沉降量漏測：

(1)沉降板均在塑料排水板施工之后埋設，對于墊層及插板施工影響而產生的沉降未能觀測。

(2)局部壩段(如東壩段)由于涂面較低，為使整個壩基墊層在同一高程上，墊層下部鋪設石渣，由石渣層產生的沉降未能觀測。

(3)在壩體填筑施工期間，軸線部位沉降板屢屢被破壞，雖及時修復，但載瞬間的沉降未能觀測。

(4)工程施工后期，壩頂及壩后坡綠化泥土施工時，部分沉降觀測點被損壞，而同樁號防浪墻頂的沉降觀測點又未能及時完成，期間的沉降未能觀測。沉降觀測成果見表2

表2 沉降觀測成果表（mm）

由表2可知：

(1)東壩段平均沉降量為1486 mm；南壩段平均沉降量為1447 mm；西壩段平均沉降量為1441 mm；北壩段平均沉降量為1383 mm。4個壩段的累計沉降量均小于設計理論計算值，可能的原因有：①大壩沉降還未最終完成，蓄水過程對壩基是一次復加載過程，將進一步引起沉降的產生；②理論計算時可能未考慮碎石層上部的加筋處理，同時目前理論計算方法中對于沉降經驗系數Ф的取值只是一種經驗系數，對于不同的工程地質條件其取值多少都能引起沉降值估算的誤差，該工程取值可能偏大；③實際施工加載過程中，施工期內沉降量必然被重復加載，實際施加于地基上部的附加應力值大于理論計算值。同時，為滿足大壩工后沉降的需求，對壩頂采取預留超高加載，而設計對這些荷載均無法準確計算。

(2)以壩軸線觀測點為分析對象，東南西北4個壩段平均沉降量趨勢如下：北壩段平均沉降量1383 mm小于西壩段平均沉降量1441 mm小于南壩段平均沉降量1 447 mm小于東壩段平均沉降量1是486 mm。這與地質情況是相吻合的，東壩段與南壩段多為池塘及河道所在地，地質條件相對較差一點。

(3)設計計算時北壩段沉降量大于南、西2個壩段，而實測北壩段卻最小，主要原因是因為北壩段壩軸線位置與初設有較大的變動。北壩段壩軸線外移，利用老海塘作為壩下游側鎮壓層，而老海塘地基經過多年沉降變形，地質情況相對較好，有利于壩基的穩定。

(4)從整體上來看，雖東南2個壩段沉降量相對較大一些，但沉降量差異并不是很大，表明基礎沉降較均勻，這對于壩體內側的防滲土體是有利的。

㈡沉降速率

各觀測點每級加載過程中的最大沉降速率Ⅴmax(mm∕d)及間歇期內的平均沉降速率Ⅴaver(mm∕d) (見表3)，2005年9月后，堆石體基本完成，軸線處月平均沉降速率見表4，月平均沉降速率趨勢見圖1。

表3 沉降速率觀測成果表（mm∕d）

表4 沉降觀測點2005～2006年平均沉降速率表（mm∕月）

圖1 壩軸線2005年9月后平均沉降速率趨勢圖

由圖1可知：

⑴在加荷過程時，瞬時沉降十分明顯，最大的達32 mm∕d， 但一般持續時間較短，衰減很快，第2天或第3天即可降為10 mm∕d以內或5mm∕d以下。

⑵加載后的沉降速率變化明顯與加載厚度有關，加載過大不僅使沉降速率異常增大，而且使其衰減也較為緩慢。如第級荷載，雖各觀測斷面已歷經30 d或更長時間間歇期，但在加載厚度達1．4 m時，瞬時沉降速率明顯比第7級荷載增大不少，最大的甚至達到37 mm∕d，地基雖未出現失穩現象，但第3 d后沉降速率仍有13 mm∕d，直至第4天后才恢復到10 mm∕d以下。

⑶采用薄層多次加載的施工工藝，減少一次集中加載值，可明顯減少瞬時沉降。但在采用薄層輪加填筑荷載時，同樣要控制好停荷預壓期。

⑷堆石體加載施工結束后，軸線處平均沉降速率逐月下降，但內側防滲體加載依然會影響軸線處沉降的產生，延長地基沉降穩定的時間，至2006年12月，軸線處平均沉降速率已降為0．28 mm∕d。

⑸對于軟土地基的堆載排水預壓，必須嚴格控制加載速率。當加載厚度過大，在地基中一定范圍的剪應力達到某一臨界值時，地基由以彈性變形為主進入以塑性變形為主，這時，在總沉降量中，由地基土剪切變形而產生的沉降將顯著增大。如果再盲目加載，或者加上施工交通荷載等不利因素的綜合作用，地基中的塑性區將繼續擴大，則有可能發生地基的整體破壞。即使地基不出現明顯的失穩現象，過大的剪切變形會造成地基土結構的破壞，這對地基的工后沉降控制十分不利。

㈢工后沉降

對于堤壩預留沉降的問題，因缺少地基土的詳細土工參數資料，不宜采用純土力學基本原理來推算預留沉降，這里通過對實測資料進行反饋分析，采用半理論、半經驗的計算方法進行預測。具體的來說，利用壩軸線各沉降觀測點的觀測資料，用指數曲線配合法、雙曲線法和法來研究其沉降規律或反算固結參數，來求得預留沉降。推算成果見表4。

表4 公后沉降推算成果表

三、總結與展望

㈠大壩壩基淤泥層的物理力學性能指標較差，為高含水量、高壓縮性、低強度超軟黏土地基，通過對實測沉降資料的統計以及最終沉降量的推算，總沉降量約占淤泥層厚度的20％ ，地基固結度達到90％左右，沉降已大部分完成。

㈡沉降速率是控制施工加荷速率的重要指標之一。按以往工程經驗及湖南省海塘工程技術規定的相關建議，加載時沉降速率控制不大于30 mm∕d。實際施工時，某些部位加載期問最大沉降速率為 32～37 mm∕d，雖然短時間內最大沉降速率大于控制標準，但在及時觀測并及時上報建設各方后，積極采取有力措施，并未產生穩定問題，保證了在安全的前提下能夠不減慢施工速度，為控制總工期提供了安全依據。

㈢大壩填筑雖已完成，但壩體的沉降過程并沒有完成，地基尚有一小部分主固結變形和相應的次固結變形，壩體本身也還有一定量的變形，大壩在蓄水后，由于荷載增加，也將產生相應的變形。因此運行期沉降觀測應加強進行，以保證觀測資料的連續性，為后期安全性態分析提供保障。

結合穩定、成熟的自動化監測數據采集系統,應用于水工建筑物的工程安全監測是大勢所趨,是水利自動化與信息化的必經之路。對大壩進行實時自動化監測,及時掌握大壩的運行狀態,對大壩安全性態做出綜合評價,在事故到來之前采取對策,不僅可提高預報的精度和調度的準確度,且保證大壩運行安全,促進其經濟效益和社會效益充分發揮。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。