土工膜軟巖堆石壩變形監測研究

商永喜，戴妙林，吳玉江，張 翼，沈長松

(1.河海大學，江蘇 南京 210098；2.南歐江流域發電有限公司，老撾 瑯勃拉邦；3.中國電建集團海外投資有限公司，北京 100048)

0 前 言

土石壩和堆石壩因其具有就地取材、適應地基變形能力強等優點，被越來越多地應用到實際工程中。隨著筑壩技術的提升與設計施工技術的進步，在一些土料和石料性質較差的地區，人們也開始嘗試建立土石壩和堆石壩。由于土石壩和堆石壩適應地基變形能力較強，傳統的鋼筋混凝土面板已不能適應其變化，易產生混凝土面板與上游壩面脫開以及壩面出現裂縫的情況；黏土心墻壩能較好適應壩體變形，但在土石材料較差地區，黏土的獲取以及施工的周期，都會是影響此類壩型選擇的障礙[1-3]；土工膜防滲堆石壩既有能適應壩體和壩基變形的能力，又在材料的獲取運輸以及施工繁瑣程度上比黏土心墻壩方便，因此土工膜面板堆石壩越來越受到人們青睞。目前為止，在我國投資和已經建成的大壩中，利用土工膜防滲的大壩一般壩高較低，而類似于南歐江六級大壩這樣軟巖填筑比例高、壩高超過80 m，且土工膜作為防滲體直接鋪設于大壩上游壩面的筑壩形式，是絕無僅有的[4]。因此準確掌握軟巖填筑的土工膜防滲堆石壩變形特性以及壩體變形規律是十分重要的。這不僅對南歐江六級大壩的正常運行有重要作用，而且對之后同類型大壩的建設能提供有益的借鑒。

有限元計算作為傳統水工數值計算模擬方法，在各種大型水利工程中扮演著重要角色。其計算結果一方面對水工設計有重要參考價值，另一方面與監測結果對比，能有效優化同類工程中有限元參數的選擇，為之后工程提供便利。南歐江六級大壩作為國內投資在建的首座土工膜防滲高軟巖堆石壩，其有限元計算材料參數的選擇較傳統大壩少，因此，通過與實際監測資料對比，能夠優化有限元計算參數。

1 工程監測概況及數值計算模型

1.1 工程概況

南歐江六級電站位于老撾豐沙里省境內，是南歐江一庫七級自上而下的第二級，為徑流式開發，以發電為主，工程等別為二等大型工程。南歐江六級大壩主體為復合土工膜面板堆石壩，壩高85 m，壩頂長362 m。壩體總填筑方量為193萬m3，其中板巖填筑方量為157萬m3，軟巖填筑比例高達81%。大壩沿壩軸線剖面如圖1所示。

南歐江六級初始蓄水日為2015年10月8日，經過半個月的持續蓄水，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，之后上游庫水位在死水位至正常水位之間波動(見表1)。蓄水過程線如圖2所示，壩體分區填筑示意見圖3。

圖1 土工膜防滲堆石壩沿壩軸線剖面

表1 大壩填筑及土工膜鋪設統計

圖2 上游庫水位變化過程線

圖3 壩體分區填筑示意

1.2 監測概況

南歐江六級安全監測系統較為完善，工程的5個主要部分——復合土工膜面板堆石壩、導流洞、溢洪道與放空洞、引水系統和發電廠，均有埋設相關的安全監測儀器。監測內容涉及表面變形、內部變形、土工膜應力應變、巖體位移，錯動和滲流等，用來全方位監控整體工程的安全性態。對于復合土工膜面板堆石壩的內部變形監測，埋設有引張線及水管式沉降儀來測量壩體水平向及豎直向變形。其中，引張線共埋設12支，測點編號為DB-A-H-01～DB-A-H-12；水管式沉降儀共埋設21支，測點編號為DB-A-V-01～DB-A-V-21。對于土工膜受力變形監測，主要用土工膜應變計和土工膜氣壓計來監測上游土工膜的受力變形以及與上游壩面的貼合情況。其中，土工膜應變計共埋設24支，編號為DB-GS-01～DB-GS-24；土工膜氣壓計共埋設6支，編號為DB-GA-01～DB-GA-06。

1.3 數值計算模型

有限元計算網格中，壩體網格以空間六面體等參單元為主，在壩建基面等某些部位適當填充空間五面體及四面體單元，以便能更好地適應大壩建基面幾何形狀的較大波動。此外，在上游壩基設置防滲帷幕單元，并單獨考慮其上受到的水荷載。整個計算域共剖分節點23 846個，單元67 606個，有限單元網格如圖4所示。

圖4 有限元計算網格模型

有限元計算中本構模型關系采用Duncan-chang E-B模型，壩基巖體采用彈性模型。考慮到壩體材料較軟，根據經驗，將實驗建議值進行了適當的降低。各種堆石料的本構模型計算參數如表2所示，土工膜計算參數如表3所示。

表2 三維靜力有限元計算參數

表3 土工膜計算參數

2 土工膜面板堆石壩內部變形監測成果分析

2.1 引張線監測資料分析

各測點測值變化過程線如圖5所示。從測值過程線可以看出，引張線位于壩上測點測值總體變化規律與上游庫水位變化相關性較高，且略滯后于上游庫水位的變化。除H-11外，其余引張線壩上測點在蓄水之前向上游變化，蓄水后開始向下游變化。這是由于在蓄水之前，因壩體自重產生了豎直向沉降，導致位于上游測的測點產生了向上游的變形，下游側測點產生了向下游的變形。蓄水后，在上游水壓重的作用下，所有測點開始向下游位移。由于蓄水后，水壓力首先抵消堆石體向上游的變形，使測值前期總體略滯后于水庫蓄水位，且由于土石材料的蠕變效應，各測點在2016年2月后水位基本變化不大的情況下，還有向下游變化的趨勢。H-11由于布設位置較高，前期受自重作用影響較小，受濕化作用明顯。由降雨分布圖可知，南歐江6級庫區在2015年7月和8月降雨量較為豐沛，堆石體由于雨水的入滲使得土骨架中的顆粒產生滑移、破碎等，導致H-11在前期向下游位移較大，隨著降雨量減小，測點測值略有恢復；進入2016年后，測值變化與降雨仍存在一定相關性，但測值總體變化范圍較小；2017年后，測值受降雨影響總體已趨于穩定。整個過程中與上游庫水位的變化相關性較弱。

圖5 引張線水平位移測值變化過程線

引張線位于壩軸線處的H-04與H-09測值總體量級及變化幅度均較小，與庫水位變化相關性較高。H-12與H-11變化規律基本相同，受下游側堆石體性質較差及降雨影響較大。引張線布設位置見圖6。

引張線位于壩下的各測點自始測日起，均向下游位移，總體與上游庫水位變化相關性不高。在蓄水前，各測點向下游位移量及變形速率均較大，這一時期的位移量占總位移量約75%～80%。蓄水之后，測值仍表現為向下游變化，但變化量較小，變形速率也逐漸趨于穩定。造成這種現象的原因可能是下游側為次堆石區，主要填筑料為軟巖，壓縮模量及剪切模量均較小，蓄水前壩體不斷向上填筑，由于上覆填筑料自重的影響，產生較大的沉降變形。測點總體開始向沉降向及下游向位移，此外，同一時期由于降雨導致的土體濕化變形原因，測點也產生了向下游的位移。蓄水后，由于前期變形完成，上游庫水對下游側測點測值影響較小，各測點雖還在向下游變形，但測值總體變化量及變形速率均較小，測值趨于收斂。

圖6 引張線布設位置

2.2 水管式沉降儀監測資料分析

水管式沉降儀共埋設21支儀器，如圖7所示，其中圓圈內儀器損壞，現有14支儀器可正常工作。各測點測值變化過程線見圖8。不同高程各測點自始測日起均表現為向下沉降，且沉降量逐年增加。各測點沉降過程基本可以分為三個階段，第一階段為大壩填筑期，此階段各測點沉降變形量及變化速率均較大，隨著填筑過程的完成，高程較低的測點沉降逐漸趨于收斂，高程較高的測點由于自重作用及蠕變的影響還在向沉降向變形；第二階段為水庫蓄水期，此階段位于大壩上游側測點均表現出與庫水位變化相關性較高的沉降變化，而位于下游側的測點在此階段沉降變化較小，與庫水位變化相關性不明顯；第三階段為水庫運行期，此階段各測點沉降變形量及變形速率均較小，但496 m高程及偏下游側的測點在一定程度上受降雨引起的堆石料的濕化變形，其總體變形量較小，之后可繼續觀察沉降變化，判斷其受降雨濕化影響是否趨于收斂。V-06與V-17在2016年后期損壞，未能明確顯示沉降規律，各測點在2016年7月27日及2017年8月22日各測點沉降狀態見圖9。從圖9可以看到，各測點沉降基本表現為壩中部位較大，兩側部分沉降較小，截至2017年8月22日，大壩中部最大沉降為776 mm。位于壩下游側的測點在496 m高程沉降較上游側大，原因可能是：壩下游側為次堆石區由軟巖填筑，巖體彈模較小變形較大；2 496 m高程及偏下游側的測點受降雨濕化影響較其余測點大。

圖7 水管式沉降儀布設位置

圖8 水管式沉降儀測值過程線

圖9 主觀測斷面沉降(單位：mm)

2.3 壩體位移有限元計算結果與觀測值對比分析

竣工期壩體最大斷面的水平位移及沉降等值線見圖10。上下游向位移以向下游為正，上游為負，豎向以向上抬為正，沉降為負。從圖10中可以看出，竣工期蓄水前，在自重荷載作用下，壩體主要產生了向豎向的沉降變形，并因此產生了壩體上游側向上游位移、下游側向下游位移的水平向位移變化。計算結果顯示，壩體最大向上游位移量為25.1 cm；最大向下游位移量為23.3 cm。壩體最大向上游位移量稍大于向下游位移量。壩體沉降相對于壩軸線近乎呈對稱分布，最大沉降發生在壩高1/2稍偏上的部位，最大沉降量為82.5 cm，為最大壩高的0.94%。

圖10 竣工期壩體最大斷面位移分布(單位：cm)

正常蓄水期壩體最大斷面的水平位移及沉降等值線見圖11。水庫蓄水后，在上游庫水壓重作用下，壩體的水平位移變化較為明顯，上游側測點向上游位移值明顯減小，各測點最大向上游位移值為11 cm，較蓄水前減小了14.1 cm；下游側測點向下游位移有所增加但增加幅度不大，各測點最大向下游位移值為28.1 cm，較蓄水前增加了4.8 cm。豎向沉降值較蓄水前有所增大，但增加量不大，最大沉降較蓄水前增加了2.7 cm。由此可見，壩體的主要沉降在竣工期基本已經完成。

圖11 正常蓄水位壩體最大斷面位移分布(單位：cm)

從觀測成果分析及有限元計算結果來看：

(1)實際觀測成果顯示壩體水平位移及豎向沉降均小于有限元計算結果，其原因可能是設計計算參數選取保守。監測結果顯示，蓄水后，截至2017年8月22日各測點最大向上游位移2.9 cm(DB-A-H-03)；最大向下游位移17.1 cm(DB-A-H-10)，壩體最大沉降量為80.7 cm。

(2)沉降方面，蓄水后等值線圖規律性與實際監測成果存在一定差異，監測資料結果顯示，壩體下游側沉降量較上游側明顯較大。實際上，壩體下游側由于軟巖填筑，其沉降量的影響不僅與材料參數有關，也與材料流變特性及降雨導致材料濕化有關，由此導致的沉降是蓄水后下游側壩體沉降量增加的主要原因。

3 土工膜面板堆石壩土工膜變形及受力監測成果分析

3.1 土工膜氣壓計監測資料分析

各測點測值變化過程線如圖12所示，從測值過程線可以看到，土工膜氣壓計測值總體變化規律與溫度變化相關性較高。土工膜氣壓計測值“+” 表示氣壓計有壓，代表土工膜有受到膜后水體或空氣浮托作用；“-” 表示氣壓計受壓，代表土工膜與壩面結合部位沒有空隙，接觸良好。土工膜氣壓計測值與溫度分量均表現為負相關，這是由于在溫度較高時期上游庫水溫度較高，上游堆石體溫度升高較慢，較上游庫水溫度低，膜后氣體和水體收縮，氣壓計測值表現為受壓狀態；當溫度降低時，上游庫水溫度較低，堆石體溫度下降較慢，較上游庫水溫度高，膜后氣體和水體膨脹，氣壓計測值表現為有壓狀態。GA-03埋設的為滲壓計，該測點自始測日表現為向受壓方向變形，從另一方面說明了該測點滲壓向負壓向變形，此處土工膜與上游壩面接觸良好。各測點除GA-01外，其余測點在2017年均表現為受壓狀態，說明土工膜與上游壩面接觸良好，GA-01表現為有壓狀態，說明土工膜受膜后氣體浮托作用，且埋設在附近的滲壓計測值變化與上游庫水位同步性較高，滲壓水位也較其余測點高，因此初步判斷GA-01測點附近土工膜存在破損點，需要檢查修補。圖13為土工膜氣壓布設位置。

圖12 土工膜氣壓計測值過程線

圖13 土工膜氣壓計布設位置

3.2 土工膜應變計監測資料分析

南歐江六級水電站大壩工程共埋設24支土工膜應變計，見圖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儀器損壞，無數據。現可正常工作的儀器共16支，編號中單號平行于壩軸線，雙號垂直于壩軸線(順壩坡向)。土工膜應變計的儀器型號為TS-DG0200，量程為100 mm，屬于柔性位移計，其測值為有效長度192 mm范圍內的位移變化值，測值變化過程線見圖15。

圖14 土工膜應變計布設位置

圖15 土工膜應變計測值過程線

3.2.1 影響因素分析

(1)平行于壩軸線方向測點。根據監測成果及回歸計算分析成果顯示，靠近兩岸與靠近河谷區域的測點變化規律不盡相同。①靠近兩岸的測點，測值變化規律與上游庫水位變化相關性較低，主要受溫度變化影響。在溫度較高時期土工膜為伸長變形，在溫度較低時期為收縮變形，與溫度變化基本呈現正相關。②靠近河谷區域測點，測值相較于兩岸測點在蓄水期受上游庫水位影響較大，高程稍高的GS-13與上游庫水位變化呈負相關，而高程稍低的測點與庫水位呈正相關，該區域測點均位于庫水位以下，受溫度變化影響較小。

(2)垂直于壩軸線方向測點。測值變化規律同樣與上游庫水位變化相關性不高，各測點(除GS-22外)測值基本與溫度變化表現為正相關，GS-22與溫度變化呈負相關。造成這種情況原因可能是，GS-22周邊土工膜錨固在岸坡及趾板處，約束較強，土工膜不能隨壩面任意變形，溫度升高時，土工膜膨脹，由于約束存在，導致此部分土工膜表現為受壓狀態。加之蓄水后，大壩左右岸向位移向河谷中心處變形，平行壩軸線方向GS-21表現為向拉伸方向變形，由于泊松效應，GS-22測值變化規律與GS-21相反；靠近河谷區域測點測值變化與上游庫水位變化相關性較兩岸區域較大。回歸結果顯示，蓄水期，高程稍高的GS-14與上游庫水位變化呈正相關，高程稍低的GS-12與上游庫水位呈負相關。

3.2.2 分布規律分析

圖16顯示了特征值日期上游壩面平行壩軸線與垂直壩軸線土工膜應變計測值等值線。從圖16中可以看出，在壩軸線向，靠近壩中間河谷部位的土工膜表現為受壓應變，位于河谷中心及岸坡之間的土工膜表現為受拉應變，靠近右岸的土工膜為受壓應變。在順坡向，各測點土工膜應變隨高程下降逐漸由拉應變變化為壓應變。

圖16 土工膜應變計測值(2016年5月13日)

3.2.3 拉伸應變分析

南歐江六級復合土工膜為CARPI公司供應的SIBON CNT5250復合土工膜，其膜(PVC)厚度為3.5 mm，土工布為700 g/m2無紡土工布。質量監測結果顯示，土工膜拉伸應變為 280.50%，土工布拉伸應變為68.04%；監測結果顯示，各測點最大拉伸應變在0.15%～2.57%之間，遠小于土工布拉伸應變。因此各測點處土工膜均處于正常工作狀態。

3.3 監測結果與有限元計算結果比較分析

有限元計算的上游土工膜最大主拉應力、最大主壓應力分布等值線見圖17。從圖17中可知，上游壩面最大主壓應力出現在上游壩面中部位置，最大值為-0.3 MPa，向兩岸和上下游逐漸遞減。最大主拉應力出現在土工膜與趾板連接部位附近區域，最大值為0.8 MPa。上游壩面拉應力分布規律是基于以下壩體和土工膜的變形狀態。水庫蓄水后，上游壩面在靠近河谷中部附近出現向下凹陷變形，土工膜隨上游壩面同時變形，所以靠近河谷中部區域出現較大主壓應力，而在壩址處由于受到約束，不能自由變形，導致在約束處土工膜受拉。

圖17 蓄水期土工膜主應力分布(單位：MPa)

將觀測成果與有限元計算結果進行對比分析，監測資料成果與有限元計算結果存在一定差異。一方面，兩者顯示的受壓區域一致，均出現在河谷附近；另一方面，受拉區域兩者顯示規律性相反。監測結果顯示，在壩坡向，測點越靠近上游趾板及岸坡測點，所受壓應力越大；而有限元計算結果顯示，測點越靠近上游趾板及岸坡測點所受拉應力越大。兩者受拉區域不一致，計算有所差別。其原因可能是由于施工技術的短板造成在靠近岸坡位置，大型碾壓機械無法正常工作，進而導致大壩與庫岸的接觸部位碾壓密實度不高，沉降較大，從而呈現出大壩與庫岸部分受壓應力。土工膜面板堆石壩上游土工膜受力變形特征總體與面板土石壩(如謝羅羅壩及薩爾瓦興娜壩)上游面板變形特征相似。

4 結 論

(1)南歐江六級土工膜防滲堆石壩作為國內投資已建成的最高的軟巖填筑比例最大的土工膜面板堆石壩，自建成蓄水以來，大壩工作性態總體正常，沉降位移變形也基本趨于收斂，表明軟巖填筑堆石壩、土工膜防滲體的筑壩方式是可行的。

(2)堆石壩內部位移變形監測資料顯示，各監測點水平位移均已趨于收斂，大壩靠近上游側測點與庫水位變化相關性較高，高程較高的測點也受到降雨影響；靠近下游側測點總體與上游庫水位變化相關性不高，主要為壩體自重產生的向下游變形及降雨引起的軟巖材料濕化變形。各監測點豎向沉降位移基本趨于收斂，最大沉降出現在壩體中部位置，沉降主要在施工期壩體填筑過程中產生。蓄水后，上游庫水位變化對各測點沉降影響相對較小，高程較高的測點及下游側軟巖填筑部位測點沉降也與降雨引起的材料濕化變形有關。

(3)土工膜表面變形監測資料顯示，除氣壓計GA-01附近土工膜與上游壩面貼合不緊密，土工膜可能存在破損點外，其余測點附近土工膜與上游壩面均接觸良好。蓄水后，上游土工膜在壩軸線向靠近河谷中部處于受壓狀態，在向岸坡方向逐漸變為受拉狀態，靠近右岸部位土工膜表現為受壓狀態；在順坡向，土工膜隨高程的降低，逐漸由受拉狀態轉變為受壓狀態。

(4)實際監測成果與有限元計算結果存在差異。在大壩內部變形方面，監測值均小于有限元計算值，有限元計算參數偏安全，且在沉降分布規律上，監測資料顯示靠近下游側且高程較高測點沉降大于同一高程靠近上游測點，而有限元計算結果則表現出基本相等的沉降規律；在土工膜受力變形方面，監測結果與有限元計算的出土工膜受壓區域基本相同，但受拉區域則有差別。