某水庫混凝土面板堆石壩施工期被動擋水后壩體結構分析

何濤洪，曾 旭，張全意，周秋景

(1.遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

1 工程概況

某水庫工程任務是城市及工業供水，設計年總供水量1570萬m3。水庫正常蓄水位為885.00m，校核洪水位889.18m，總庫容966萬m3，工程規模為小(1)型。水庫大壩樞紐主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、左岸開敞式不設閘側槽溢洪道、右岸取水(兼放空)隧洞。大壩壩頂高程890.00m，河床段趾板基礎高程830.00m，最大壩高60.0m，壩頂寬度8.0m，壩頂長度199.0m。大壩上游壩坡1∶1.4，下游單級坡壩1∶1.4，分別在869.00m高程和849.00m高程設2.0m寬馬道，下游壩坡綜合坡比1∶1.468，最大壩底厚度171.93m。

該水庫工程導流隧洞開挖和大壩基礎開挖分別于2015年7月和2015年10月動工，2015年11月24日截流驗收，2016年1月11日大壩基礎驗收。大壩被動擋水前形象面貌為：上游混凝土擠壓邊墻、墊層區及過渡區填筑高程837.00m，部分主堆石區及下游堆石區填筑高程848.00m；下游截流墻實施完畢，墻頂高程836.00m，量水堰底部高程835.00m。2016年3月7日22:30水庫工程區開始下雨，2016年3月8日凌晨1:55河水位驟然上漲，隨后漫過上游圍堰頂部高程845.50m，凌晨2:45漲至上游最高水位845.80m，凌晨3:15下游壩面837.93m高程出現滲水。洪水過程及退水后照片如圖1—4所示。

圖1 2016年3月8日10:37大壩上游現場照片

圖2 2016年3月11日10:49退水后大壩上游現場照片

圖3 2016年3月8日7:00大壩下游壩面照片

圖4 2016年3月8日10:27大壩下游滲水照片

施工現場記錄資料表明：在這次洪水過程中壩體下游坡腳出水點分布均勻，為散浸狀，未見大的集中滲漏點，水質清澈透明。洪水退去后，經現場查看，除大壩下游壩面滲水出逸點存在局部淘刷外，下游壩腳至截流墻及截流墻至下游圍堰之間均未見壩體顆粒被帶出。

2 大壩結構設計

大壩趾板及面板均采用C25混凝土澆筑，趾板厚0.5m，寬5.0m。面板按12.0m等寬進行垂直分縫，共15條。壩體分區從上游到下游依次為上游蓋重區(1B)，頂部水平寬5.0m，頂部高程848.00m；上游鋪蓋區(1A)，頂部水平寬2.5m，頂部高程846.50m；混凝土面板(F)，均厚0.45m；特殊墊層料(2B)，位于面板與趾板的周邊縫部位，底部寬4.0m，下游側坡比1∶0.5；墊層區(2A)，水平寬3.0m；過渡區(3A)，水平寬4.0m；主堆石區(3B)，上游坡比1∶1.4，下游坡比1∶0.2；下游堆石區(3C)，頂部高程875.00m，大壩剖面圖如圖5所示。結合現場碾壓試驗數據，壩體各分區材料填筑要求和特性指標見表1。

3 施工期被動擋水后壩體結構分析

3.1 壩體墊層料、過渡料挖坑檢測試驗成果

大壩填筑施工過程中，分別對835.20m、836.40m、837.20.m高程墊層料和過渡料進行挖坑檢測，試驗成果詳見表2—4。

3.2 被動擋水后墊層料、過渡料滲流計算分析

由于大壩下游截流墻已實施完畢，墻頂高程836.00m，量水堰底部高程835.00m。大壩被動臨時擋水時，835.00m高程以下為靜水，不會產生滲透破壞。故滲流分析只針對已填筑的835.00～837.00m的墊層料和過渡料。

大壩上游最高水位845.80m，下游壩面最高出逸點高程837.93m，最低排泄面為835.00m。故最大上下游水頭差H=845.80-835.00=10.8m，量算墊層料滲流長度L1=158.27m，過渡料滲流長度L2=155.27m，計算得墊層料滲透比降J1=H/L=10.8/158.27=0.068，過渡料滲透比降J2=H/L=10.8/155.27=0.07。

根據參考文獻[2]附錄G，不均勻系數采用下式計算：

(1)

式中，Cu—不均勻系數；d60—小于該粒徑的含量占總重60%的顆粒粒徑，mm；d10—小于該粒徑的含量占總重10%的顆粒粒徑，mm。

表1 材料分區特性表[1]

圖5 大壩剖面設計圖

表2 835.20m高程墊層料、過渡料挖坑檢測試驗成果

表3 836.40m高程墊層料、過渡料挖坑檢測試驗成果

表4 837.20m高程墊層料、過渡料挖坑檢測試驗成果

結合墊層料挖坑檢測試驗的顆粒級配曲線，d60=14.23mm，d10=0.28mm，過渡料挖坑檢測試驗的顆粒級配曲線，d60=35mm，d10=1.8mm。經計算，墊層料的不均勻系數Cu=50.82，過渡料的不均勻系數Cu=19.44。根據參考文獻[2]附錄G查表得，管涌型、流土型允許滲透比降：管涌型J允許=0.15～0.25；流土型J允許=0.5～0.8。墊層料、過渡料滲透比降均小于管涌型、流土型允許滲透比降。故本工程大壩在施工期臨時被動擋水過程中，墊層料和過渡料均未產生滲透破壞。

4 被動擋水后的處理措施

根據大壩施工期被動擋水后壩體結構分析結論，2016年3月9日上午11:00開始對基坑集水進行抽排，采用9臺水泵同時排水，單機功率18.5kW，每臺排水量160m3/h。于2016年3月11日凌晨2:30上游基坑集水水位降至830.50m，歷時39.5h，共計排水約56880m3。采用人工配合裝載機、挖機清除水淹區域壩體及岸坡淤泥(厚度0～10cm)，清除表層壩體填筑料。對被沖毀上游圍堰頂部，采取每層鋪筑50cm，振動碾碾壓6遍，重新填筑恢復至845.50m高程。防滲體采用粘土填筑，兩側采用石渣填筑，迎水面采用拋大塊石護坡。隨后復工，繼續進行壩體填筑。

5 大壩安全監測成果

本工程壩體于2016年1月21日開始填筑，2016年8月24日填筑至壩頂高程，于2017年5月下閘蓄水，2017年11月28日蓄滿溢洪運行。

5.1 大壩滲壓、滲流監測成果

大壩基礎共埋設滲壓計5支。大壩基礎滲壓計P1埋設在帷幕前，滲壓計測值受庫水位變化較明顯。其余滲壓計測值穩定，變化不大。大壩基礎滲壓監測成果見表5。大壩基礎滲壓計與庫水位變化過程曲線如圖6—10所示。

圖6 大壩基礎滲壓計P1水位高程與庫水位變化過程線

圖7 大壩基礎滲壓計P2水位高程與庫水位變化過程線

圖8 大壩基礎滲壓計P3水位高程與庫水位變化過程線

圖9 大壩基礎滲壓計P4水位高程與庫水位變化過程線

表5 大壩基礎滲壓計監測成果統計表

圖10 大壩基礎滲壓計P4水位高程與庫水位變化過程線

大壩下游設置量水堰，量水堰滲水量較小，滲流量在允許范圍內。量水堰滲流量及庫水位變化過程線如圖11所示。

圖11 量水堰滲流量與庫水位變化過程線

5.2 大壩變形監測成果

大壩內部變形監測斷面設置在樁號壩橫0+100.45處，水平位移采用引張線式水平位移計監測，垂直位移采用水管式沉降儀監測。在監測斷面850.00m高程布置4個測點，870.00m高程布置2個測點，共6個測點。引張線式水平位移計5套，水管式沉降儀各6套。大壩850.00m高程壩體沉降觀測成果見表6，大壩850.00m高程壩體沉降位移分布曲線如圖12所示。

表6 大壩沉降(850.00m高程)觀測成果表

圖12 大壩沉降儀(850.00m)沉降位移分布曲線圖

大壩870.00m高程壩體沉降觀測成果詳見表7，大壩870.00m高程壩體沉降位移分布曲線如圖13所示。

表7 大壩沉降儀(870.00m)觀測成果表

圖13 大壩沉降儀(870.00m)沉降位移分布曲線圖

大壩850.00m高程壩體水平位移觀測成果見表8，大壩850.00m高程壩體水平位移過程線如圖14所示。

大壩870.00m高程壩體水平位移觀測成果見表9，大壩870.00m高程壩體水平位移過程線如圖15所示。

大壩內部變形監測成果表明，850.00m高程：目前最大累計沉降量為206.6mm，年度變化量為-1.3mm，位于壩軸線附近的SG3(縱上0+001.24)，其余測點沉降變化量不明顯。水平位移計3個測點位移量不大，SE1、SE2表現為向上游位移，SE3位移不明顯；870.00m高程：目前最大累計沉降量為118.4mm，年度變化量為0.3mm，位于壩軸線附近的SG6(縱上0+001.24)。水平位移計2個測點位移量較小。

表8 大壩水平位移計(850.00m高程)觀測成果表

圖14 大壩850.00m高程壩體水平位移過程線圖

表9 大壩水平位移計(870.00m)觀測成果表

圖15 大壩870.00m高程壩體水平位移過程線圖

大壩壩頂及下游馬道共設置17個綜合位移標點。綜合位移標點變化不大，最大位移變化范圍在-2.9～6.2mm之間，處于正常范圍。大壩大壩表面變形監測成果見表10。

大壩面板共設置10支單向測縫計。單向測縫計實測開合度變化很小，當前年度開合度變化范圍在-0.14～4.49mm之間，處于正常范圍。大壩面板測縫計監測成果見表11。

表10 大壩表面變形監測成果表

表11 大壩面板測縫計監測成果表

6 結語

本文根據現場實際情況，通過理論計算分析和大壩安全監測成果，得出主要結論如下：

(1)壩體墊層料的不均勻系數Cu=50.82，過渡料的不均勻系數Cu=19.44；墊層料滲透比降J1=0.068，過渡料滲透比降J2=0.07，均小于管涌型、流土型允許滲透比降；大壩在施工期被動擋水過程中，墊層料和過渡料均未產生滲透破壞。

(2)大壩基礎滲壓、壩體滲水量、沉降量、水平位移量、表面變形和面板接縫開合度均在正常測值范圍，大壩處于安全穩定狀態。采取的盡快復工和安全度汛的工程處理措施得當。