魁龍水庫(kù)大壩采用礫巖料筑壩的應(yīng)力變形研究與監(jiān)測(cè)成果分析

蔡 平

（遵義市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,貴州 遵義 563000）

1 工程概況

魁龍水庫(kù)工程位于貴州省余慶縣境內(nèi),工程開發(fā)任務(wù)是向余慶縣城城市規(guī)劃區(qū)和白泥工業(yè)園區(qū)供水,設(shè)計(jì)年供水量1170 萬m3/a,水庫(kù)正常蓄水位630 m,總庫(kù)容1152 萬m3,水庫(kù)樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、右岸豎井旋流式泄洪洞和取水兼放空隧洞等建筑物組成,屬中型Ⅲ等水利工程。大壩于2013年11 月開始填筑,2019年12 月竣工。

水庫(kù)擋水建筑物為混凝土面板堆石壩,壩頂高程633.5 m,最大壩高56 m,壩頂長(zhǎng)191 m,壩頂寬7 m,上游壩坡1∶1.4,下游壩坡1∶1.4、1∶1.5。壩體由混凝土面板、墊層、過渡層、豎向排水區(qū)和水平排水區(qū)、堆石區(qū)組成。

通過礫巖料筑壩材料試驗(yàn)及三維應(yīng)力變形分析和現(xiàn)場(chǎng)碾壓實(shí)驗(yàn)成果綜合分析,由于礫巖料經(jīng)碾壓后細(xì)顆粒含量高,而小粒徑壩料填筑碾壓不易密實(shí)[1],結(jié)合填筑施工工藝,對(duì)礫巖料需采取薄層碾壓填筑,提高礫巖料壓實(shí)度和增大壓縮模量及減少變形[2]。壩體分區(qū)材料及填筑標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 壩體分區(qū)材料及填筑標(biāo)準(zhǔn)

2 大壩筑壩材料試驗(yàn)及三維應(yīng)力變形分析成果

由于礫巖料物質(zhì)成分多為機(jī)械式膠結(jié),強(qiáng)度低,在飽水狀態(tài)下穩(wěn)定性較差,易軟化、崩解和離散,且含泥量大于10%和填隙物含量在20%以上,考慮浸水后抗剪強(qiáng)度降低、壓縮性增加等不利情況,對(duì)軟化系數(shù)較低的礫巖料宜填筑在下游壩殼干燥區(qū)[3],經(jīng)南京水利科學(xué)院對(duì)礫巖料筑壩材料試驗(yàn)及三維應(yīng)力變形分析研究,并采用強(qiáng)、弱礫巖風(fēng)化料填筑進(jìn)行壩體應(yīng)力應(yīng)變、位移及壩坡穩(wěn)定等分析計(jì)算,計(jì)算成果見表2。

表2 堆石區(qū)采用不同風(fēng)化程度的礫巖料填筑時(shí)主要計(jì)算結(jié)果表

從礫巖筑壩材料試驗(yàn)及三維應(yīng)力變形分析成果表明,壩體堆石區(qū)采用不同程度的強(qiáng)、弱風(fēng)化礫巖料填筑時(shí)：壩體及上游防滲面板的變形、應(yīng)力和應(yīng)變指標(biāo)均未發(fā)生明顯變化；面板的拉、壓應(yīng)力均未超過混凝土材料的抗壓和抗拉強(qiáng)度；面板周邊縫和垂直縫的三向變位均小于止水材料的變形允許值；大壩上下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)。故料場(chǎng)所開挖的強(qiáng)、弱風(fēng)化礫巖料均可用在壩體下游壩殼干燥區(qū)進(jìn)行填筑,不會(huì)影響大壩的總體安全性。

3 大壩變形監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目及內(nèi)容

3.1 壩體表面變形

壩體表面變形監(jiān)測(cè)有垂直和水平位移,垂直位移采用精密水準(zhǔn)觀測(cè),水平位移采用視準(zhǔn)線法觀測(cè)。壩體表面變形監(jiān)測(cè)共布設(shè)4 條測(cè)線和共18 個(gè)綜合位移測(cè)點(diǎn)。

3.2 壩體內(nèi)部變形

壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)有垂直和水平位移,分別采用水管式沉降儀和引張線水平位移計(jì)進(jìn)行觀測(cè)。在壩體最大斷面（樁號(hào)：壩橫0+000,軸距：0-050、0-025、0+000、0+020、0+040）597 m、615 m 高程分別埋設(shè)沉降儀和水平位移計(jì),共設(shè)沉降儀8 套和水平位移計(jì)7 套。壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)儀器具體布置見圖1。

圖1 壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)儀器布置剖面圖

3.3 面板周邊縫、垂直縫變形

面板周邊縫的變形監(jiān)測(cè)有剪切位移、沉降、開合度,采用二、三向測(cè)縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),分別在河床趾板577.5 m 高程中部設(shè)一組二向測(cè)縫計(jì)和兩端處各設(shè)一組三向測(cè)縫計(jì)；在左、右岸沿趾板597 m 和615 m 高程分別布置二組三向測(cè)縫計(jì)。

面板垂直縫的變形監(jiān)測(cè)是縫的開合度,采用單向測(cè)縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),分別沿面板597 m、615 m 和628 m 高程在壩右0+074、0+038、0+002 和壩左0+034、0+058 位置共7測(cè)點(diǎn)。

3.4 面板應(yīng)力應(yīng)變

面板應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)是混凝土的應(yīng)力應(yīng)變,監(jiān)測(cè)斷面主要是布置面板受拉區(qū)和受壓區(qū),在河床中部受壓區(qū)壩右0+008斷面沿面板597 m 和628 m 高程共布設(shè)2 組兩向應(yīng)變計(jì)和2套無應(yīng)力計(jì)；在左右岸受拉區(qū)壩右0+020 和壩左0+016 斷面沿面板597 m 和628 m 高程共布設(shè)4 組三向應(yīng)變計(jì)；沿面板頂部628 m 高程在壩右0+044、壩0+000 和壩左0+038 處面板底面與墊層間共設(shè)3 組脫空計(jì)。

4 大壩變形監(jiān)測(cè)成果及分析

4.1 大壩表面變形

壩體表面水平位移實(shí)測(cè)最大位移量為5.60 cm（為初蓄期測(cè)值,指向下游）,位移量較??；壩體表面垂直位移實(shí)測(cè)最大沉降量36.69 cm（其中施工期為28.38 cm,初蓄期8.31 cm）,約為壩高的0.66%。

4.2 大壩內(nèi)部變形

壩體內(nèi)部沉降：實(shí)測(cè)壩體595 m 高程累積沉降量在13.6 cm～28.7 cm 之間；壩體615 m 高程累積沉降量在12.7 cm～18.5 cm之間。壩體內(nèi)部累積沉降分布均表現(xiàn)為壩軸線附近大,靠近上下游兩側(cè)小,現(xiàn)已趨于收斂和穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 壩體內(nèi)部沉降監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

壩體內(nèi)部水平位移：實(shí)測(cè)壩體595 m 高程水平位移在2.62 mm～5.78 mm 之間；壩體615 m 高程水平位移在2.98mm～5.14 mm 之間。壩體內(nèi)部水平位移表現(xiàn)向下游方向,現(xiàn)已趨于收斂和穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 壩體內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

4.3 面板周邊縫、垂直縫變形

面板周邊縫三向測(cè)縫計(jì)成果：面板相對(duì)趾板開度呈現(xiàn)閉合趨勢(shì)（實(shí)測(cè)最大開度1.28 mm 和最大閉合值-2.34 mm）、剪切位移呈現(xiàn)向上游變化趨勢(shì)（向上游最大剪切值-0.57 mm,向下游最大剪切值0.65 mm）、沉降變化量呈現(xiàn)微微抬升趨勢(shì)（最大抬升量為-0.64 mm,最大沉降量為0.57 mm）。面板相對(duì)趾板的開合、剪切、沉降位移量變化正常,無突變等異?，F(xiàn)象。監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 面板周邊縫三向測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

面板周邊縫二向測(cè)縫計(jì)成果：面板相對(duì)趾板開度呈現(xiàn)張開趨勢(shì)（實(shí)測(cè)最大開度1.82 mm）、沉降變化量呈沉降趨勢(shì)（最大沉降量為3.15 mm）。面板相對(duì)趾板的開合、沉降位移量變化正常,無突變等異?，F(xiàn)象。監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)見表6。

表6 面板周邊縫二向測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

面板垂直縫監(jiān)測(cè)成果：實(shí)測(cè)面板中部壓性縫表現(xiàn)為閉合狀態(tài),最大閉合值為-0.53 mm；左右岸張性縫表現(xiàn)為張開狀態(tài),最大開度值1.20 mm。面板豎直縫變化呈連續(xù)漸變趨勢(shì),未發(fā)生異常變形,垂直縫變化正常。監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)見表7。

表7 面板垂直縫監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

面板脫空監(jiān)測(cè)成果：實(shí)測(cè)面板脫空變形量為0.00 mm～9.56 mm 和剪切變形為-1.01 mm～1.72 mm,面板相對(duì)于擠壓邊墻的脫空和剪切變形表現(xiàn)為張開和下游趨勢(shì),表明脫空計(jì)測(cè)點(diǎn)附近面板與擠壓邊墻未發(fā)生明顯脫空。監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)見表8。

表8 面板脫空計(jì)監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

4.4 面板應(yīng)力應(yīng)變

面板混凝土應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)成果：實(shí)測(cè)兩向應(yīng)變計(jì)組最大壓應(yīng)變?yōu)?232.02 με；三向應(yīng)變計(jì)組最大壓應(yīng)變?yōu)?213.25 με、最大拉應(yīng)變?yōu)?36.95 με；無應(yīng)力計(jì)N1 觀測(cè)成果表明混凝土自身體積變形呈收縮狀態(tài),實(shí)測(cè)混凝土總應(yīng)變及變化量均不大,混凝土應(yīng)變規(guī)律正常。監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)見表9、表10。

表9 三向應(yīng)變計(jì)組監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

表10 兩向應(yīng)變計(jì)組監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)大壩施工期及初蓄期安全監(jiān)測(cè)成果和資料分析表明,大壩變形在正常范圍內(nèi),現(xiàn)且已趨于穩(wěn)定；水庫(kù)蓄水后面板豎直縫測(cè)值未見明顯變化；面板與趾板周邊縫開合、沉降方向位移量較小,現(xiàn)且已趨于穩(wěn)定。說明水庫(kù)大壩運(yùn)行性態(tài)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

魁龍水庫(kù)大壩堆石區(qū)利用就近礫巖料填筑,通過礫巖料筑壩的材料試驗(yàn)及三維應(yīng)力變形分析和現(xiàn)場(chǎng)碾壓實(shí)驗(yàn)等綜合分析,大壩壩體變形與填筑材料巖性、堆石體密度、級(jí)配、顆粒形狀、應(yīng)力水平及碾壓填筑等有關(guān)[4]。經(jīng)大壩施工期及初蓄期安全監(jiān)測(cè)成果分析表明,壩體及上游防滲面板的變形、應(yīng)力和應(yīng)變等監(jiān)測(cè)成果與“礫巖料筑壩材料試驗(yàn)及三維應(yīng)力變形分析研究”計(jì)算成果基本一致,說明礫巖筑壩的力學(xué)性質(zhì)滿足壩體強(qiáng)度和變形要求,將軟化系數(shù)較低的礫巖料填筑在大壩下游壩殼干燥區(qū)是可行的,大壩結(jié)構(gòu)是安全可靠的,水庫(kù)大壩運(yùn)行性態(tài)安全,為同類混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。