恰甫其海水库黏土心墙坝沉降变形规律及施工质量评价

恰甫其海水库黏土心墙坝沉降变形规律及施工质量评价

0大坝监测方案新疆海水库是一座粘土墙水库。最大水库高108m，最大水库长度182m，最大水库宽12.0m，上游水库1.2.5m，下游综合水库1.2.33，布置9。大坝于2003年9月开始施工,至2005年6月初建成,6月底蓄水,8月底发电运行。该工程设有变形、渗流、土压力等监测项目,安装埋设了沉降管(磁环144个)、测斜管、体应变计、渗压计、测压管、土压力计、库水温度计等监测仪器设备共317支(套),除表面变形监测使用全站仪和电子水准仪外,包括电磁沉降管和测斜等监测项目都已实现自动化监测。由于心墙土料为风积黄土,抗冲蚀能力低并处于强震区,因此,大坝重点监测项目为变形(沉降)和渗流监测。本文初步分析了大坝施工期及运行期的沉降变形规律和渗流情况,研究成果对大坝施工质量评价具有一定意义,得出的黏土心墙和坝壳料沉降变形规律、最大沉降量及其占坝高的百分比以及倾度等特征值,对其他类似工程具有重要参考价值。1坝体沉降管和设施布置坝体共设置0+060,0+123.5,0+175,0+223,0+270等5个监测断面,每个断面在距坝轴上游3m的位置各布设一个沉降管,编号依次为CH8,CH6,CH1,CH5,CH7,每个沉降管从趾板向上每隔5m设一个电磁式沉降环,用于监测大坝心墙的沉降。其中,0+175断面为主监测断面,该断面共埋设4个点位的沉降管,除了位于大坝心墙的CH1外,分别在距坝轴线下游67m和117m、上游55.5m处布置3个点位的沉降管CH2,CH3,CH4,用于监测该断面坝壳料的沉降。点位布置如图1所示。筑坝高度、库水位与心墙、坝壳料(上述5个监测断面)的沉降量过程线如图2所示。1.1心墙体固结沉降量施工期监测成果表明,黏土心墙最大沉降量发生在筑坝高度的1/2~1/3,随着筑坝高度的增加,最大沉降量的位置逐步上移。这一规律说明,当某层面位置的填土达到一定高度时,该层面以下的土层进一步被压实而逐渐趋于稳定。如图3所示,心墙最大沉降量发生在主河床断面,即0+123断面至0+175断面范围内。由图2可以看出,施工期心墙的最大沉降量发生在0+175断面及0+123.5断面,其单点最大沉降量为422mm,占坝高的0.39%;蓄水1年后,心墙0+060断面至0+270断面间单点最大沉降量为455mm,占坝高的0.42%,最大沉降量增加了33mm,占坝高的0.031%;蓄水近4年(2009年4月中旬)后,心墙单点最大沉降量为478mm,占坝高的0.44%,最大沉降量增加56mm,占坝高的0.052%。可见,蓄水对大坝心墙的沉降量影响不大,说明由于施工碾压机械压实功能的增强,使心墙土体的固结沉降在施工期已基本完成。0+175与0+123断面的倾度为0.01%~0.18%,远小于1%,说明心墙沉降比较小而且均匀。1.2坝高lm的坝高施工期坝壳料最大沉降量位于为0+175断面的CH4测点,该处最大填筑高度为82.0m,最大单点沉降量为212mm,占坝高的0.258%。该断面CH2和CH3点处的最大单点沉降量分别为121mm和94mm,占坝高的0.135%和0.140%。由此表明,坝壳料的沉降量小于黏土心墙的沉降量;CH4位于心墙上游,其沉降量相对偏大与长期浸泡有关。蓄水1年后,坝壳料CH2和CH3点处的最大单点沉降量分别为139mm和115mm,占坝高的0.156%和0.172%,沉降量分别增加了18mm和21mm,占坝高的0.020%和0.031%(CH4蓄水后被水淹没);蓄水近4年后,沉降量分别为144mm和127mm,占坝高的0.026%和0.049%,沉降量分别增加了23mm和33mm。说明坝壳料碾压较密实,蓄水对大坝坝壳料的沉降量影响也不大。2坝体基础渗压计大坝共设置了0+060,0+123.5,0+175,0+223,0+270等5个渗流监测断面和左、右岸绕坝渗流测压管(左、右岸各4根)。在各断面基础帷幕前、后及不同高程的心墙中布置了渗压计,在0+175断面布设4根测压管,其中2根在黏土心墙中,2根在坝壳料中。在0+175断面心墙后基础部位坝壳料中也布置了渗压计,如图1所示。水库于2005年6月底开始蓄水,到12月中旬达到本次蓄水的最高水位989.7m高程。2006年至2008年,每年最高库水位分别为994.8m,995.9m,998.0m。2.10坝体防渗水位上升图4、图5所示为0+175断面渗透水位过程线。由图4、图5可看出,帷幕前钻孔埋设的S1渗压计水位完全随库水位的变化而变化,其渗透水位比库水位低7m,帷幕后钻孔埋设的S2渗压计的渗透水位比库水位低40m,帷幕削减水头达82%,说明0+175断面帷幕防渗效果良好。其他埋设在基础面上的渗压计的渗透水位也都有不同程度上升。埋设在坝壳料基础面上的S5,S6,S7,S8,S9,UP3,UP4的渗透水位上升了6m左右,达到坝体排水高程915.0m后,都不再随库水位的升高而上升。埋设在黏土心墙0+175断面935.0m高程的S10,S11渗压计和965.0m高程的S12,S13渗压计,在蓄水初期测值都没有变化。在935.0m高程,轴线处S10的渗透水位从2005年10月底开始上升,心墙下游侧S11的渗透水位在2006年8月初也开始上升。在965.0m高程,轴线处S12的渗透水位于2006年1月底开始上升,下游侧S13的渗透水位到2007年1月初开始上升,上升幅度为1.2m。安装在黏土心墙坝轴线处907.0m高程的UP1测压管,蓄水50d后测压管水位开始上升,UP1与坝轴线处的S10和S12变化规律相同,最高测压管水位为964.6m。安装在心墙下游的UP2测压管的最高水位为956.3m。2.20渗透水位变化0+123断面与0+175断面的变化规律基本相同。帷幕前钻孔埋设的S26渗压计水位与库水位的变化一致,而且很接近,比库水位低6m。帷幕后钻孔埋设的S27渗压计的渗透水位比库水位低32m,削减水头达81%,说明0+123断面帷幕防渗效果良好。埋设在基础面上的S28和S29渗压计的渗透水位也都有不同程度上升,心墙下游侧S29渗压计渗透水位从2005年8月中旬开始变化,到2006年7月中旬上升了29m,比库水位低56m左右;埋设在坝壳料基础面上的S30,S31,S32,因蓄水前就在坝后排水高程915.0m附近,所以蓄水后到2006年7月中旬,其渗透水位基本没有变化。埋设在黏土心墙0+123断面940.0m高程的S33,S34渗压计和965.0m高程的S35,S36渗压计,在蓄水初期都没有变化。在940.0m高程,轴线处S33的渗透水位自2005年11月初开始上升,下游侧S34的渗透水位自2006年6月中旬开始上升。在965.0m高程,轴线处S35的渗透水位于2006年1月初开始上升,下游侧S36在2006年7月底也开始上升,幅度为4.4m。2.30心墙渗压计的渗透水位0+223断面帷幕前、后埋设的渗压计的变化规律与0+175和0+123断面有所不同。帷幕前钻孔埋设的S14渗压计水位随库水位的变化而变化,其渗透水位上升了38m,比库水位低30m左右,远远低于0+123断面(比库水位低5m)和0+175断面(比库水位低7m),这是由于右岸基岩较为完整,裂隙较少。帷幕后钻孔埋设的S15渗压计和其他埋设在基础面上的渗压计的渗透水位也都有不同程度上升。心墙下游侧S17渗压计的渗透水位从2006年2月中旬开始上升,到7月中旬上升了12m左右;埋设在坝壳料基础面上的S18,S19,S20,S21,因蓄水前就在坝后排水高程915.0m附近,所以蓄水后其渗透水位基本没有变化,到2006年7月,只有S20的渗透水位上升了1.5m左右。埋设在黏土心墙0+223断面945.0m高程的S22,S23渗压计和965.0m高程的S24,S25渗压计,在蓄水初期都没有变化。在945.0m高程,轴线处S22的渗透水位自2005年11月初开始上升,下游侧S23的渗透水位自2006年6月中旬开始上升。在965.0m高程,轴线处S24的渗透水位于2006年1月下旬开始上升,下游侧S25到2006年8月中旬也开始上升,上升幅度为5.3m。2.40渗透水位上升埋设在0+060断面960.0m轴线处的S39的渗透水位自2005年12月底开始上升,下游侧S40的渗透水位自2006年10月初开始上升,上升幅度为2.6m。埋设在0+270断面970.0m高程轴线处的S37的渗透水位自2006年2月初开始上升,下游侧S38的渗透水位自2006年11月底开始上升,上升幅度为0.9m。2.5坝身渗流场结果分析安装在左岸坝肩的UP5,UP6,UP7,UP8测压管,从2005年6月蓄水到2009年4月底,测压管水位变化不大,只有UP6测压管水位在每年夏季有所上升,幅度为5.0m左右,初步分析与降雨和附近的断层有关,而与库水位关系不大,可基本判断大坝左岸没有绕坝渗流。到2009年4月底,安装在右岸的UP9,UP10,UP11,UP12测压管水位较左岸变化大,经观察分析认为右坝肩山体较薄,坝肩处岩层裂隙较发育,测压管水位受上游库水位和降雨影响相对明显。综上所述,0+175,0+123,0+223这3个主监测断面的渗流规律基本相同。帷幕前钻孔埋设的渗压计的渗透水位与库水位接近;帷幕后钻孔埋设的渗压计的渗透水位比库水位低30m~50m,在心墙的935.0m~945.0m高程埋设的渗压计,心墙轴线处测点的渗透水位于2005年10月底都已陆续开始上升,心墙下游侧埋设的渗压计的渗透水位在2006年6月也都陆续开始上升。说明在上述3个断面的935.0m~945.0m高程,2006年6月初已形成浸润线,965.0m~970.0m高程到2006年8月中旬(0+175断面的S13到2007年1月)也基本形成浸润线。2008年9月中旬,库水位达到最高值998.0m时,心墙各断面在935.0m~970.0m高程的渗压计达到最高渗透水位的时间比最高库水位滞后45d~60d。坝壳料基础面埋设的渗压计的渗透水位上升到坝后排水体高程915.0m后,均不再上升。3坝体中间土压力计组tu2在大坝黏土心墙0+175和0+223断面(心墙内935.0m,945.0m,965.0m高程处)埋设10组土压力计,在0+060和0+270断面(心墙内960.0m和970.0m高程处)埋设6组土压力计,共埋设16组,其中2组为三向土压力计组,14组为二向土压力计组,用以监测土体应力和土体是否产生拱效应等情况。土压力过程线如图6所示。从图中可以看出,在施工期随着填土高度的增加,土压力值不断增加。在坝体中间2个断面(0+175和0+223)上,水平方向(承压面平行坝面)埋设的土压力计的测值大于上、下游方向(承压面垂直坝面且朝向上游)埋设的土压力计,上、下游方向埋设的土压力计的测值大于左、右岸方向埋设的土压力计,轴线处埋设的土压力计的测值大于心墙上、下游侧的土压力计测值。2005年6月底蓄水后,安装埋设在心墙上游侧的土压力计组的测值完全随库水位的升降而变化;坝轴线上游附近的土压力计组的测值也随库水位的上升而上升,但当渗透水到达测点处而使土体饱和时(2005年10月底,935.0m高程上游侧,即TU2土压力计组埋设处的S10测值开始上升),土颗粒的支撑作用减小,土压力计组的测值也迅速下降。在上层土荷载的作用下,土体进一步密实后,TU2三向土压力计组3个方向的测值基本相等并同时逐步上升(这时的土压力测值中包含着部分水压力),坝轴线下游侧安装埋设的土压力计组的测值变化不大。蓄水后,黏土心墙断面上的土压力分布与施工期不同。在施工期,心墙坝轴线处的土压力值大于心墙上游侧,心墙上游侧的土压力值大于下游侧;在运行期,心墙上游侧的土压力值大于心墙坝轴线处,心墙坝轴线处的土压力值大于心墙下游侧,符合正常规律。4坝体沉降量计算1)运行期心墙单点最大沉降量为478mm,占坝高的0.44%,说明心墙沉降量较小,压实指标设计合理,施工质量良好。2)运行期心墙沉降量增加很少,蓄水对大坝心墙沉降量影响不大。到2009年4月底(蓄水4年)后,心墙0+060至0+270断面间,最大沉降增量为56mm,占坝高的0.052%,说明心墙的沉降量主要发生在施工期