新疆克孜尔水库工程原型观测分析

新疆克孜尔水库工程原型观测分析

克孜尔水库是哈萨克斯坦阿克斯库汉的一座流域性控制枢纽工程。水库位于500米长的扎特河和库孜尔河的交汇处，控制面积160637公里，总蓄水能力6.4亿3m。是哈萨克斯坦最大的水库。整个枢纽由托石水库（水库和副水库）、溢流坝、排水储沙坝（兼引水）、发电诱导孔、车站和车站组成。主坝全长720.6m，最大坝高44m。副坝长1268m，最大坝高31.6m，均为粘土厚心墙沙坝。溢流道为开放，坝顶净宽，坝高，最大蓄水量为27088s。排水孔为水库两侧无孔减少孔，洞长140m，最大蓄水量1144s。发电站2.6万公里，湿度稳定。克孜尔水库工程的原型观测项目包括:变形、应力、渗流、地震、水库水文和泥沙观测等.该水库于1991年下半年蓄水,1999年3月15日经过5.6级地震考验.本文重点介绍土石坝的变形观测与资料分析.1坝体内部高跨面体的布设克孜尔水库的主要建筑物按一级工程设计.针对克孜尔水库复杂的工程地质与水文地质条件,根据《碾压式土石坝设计规范》SDJ218-8及1977年2月原水利电力部的《水工建筑物观测工作手册》,设计了完整的原型观测系统(见图1).主要进行土石坝的变形观测、F2断层的活动性观测及地震或F2断层的活动对副坝影响的观测.主、副坝的变形包括坝面和坝体内部沉降以及它们的纵、横向水平位移(即沿坝轴线方向与垂直坝轴线方向)观测.采用在坝面设置表面变形观测标点,用水准仪和激光照准仪观测坝面沉降与水平位移.主坝表面观测标点沿坝轴线方向设4排.坝顶标点较密(间距50m);上、下游坝坡与马道上标点较疏(间距100～150m);河槽段坝顶标点增密(间距20m);右坝端岸坡较陡,为监测防渗体产生横向裂缝的可能性,在坝顶布置较密的标点(间距为10m).副坝及方山段主坝皆为嵌入式坝体且高度小,正常运行条件下的水平位移与沉降量均较小,因而,只需在坝顶布置一排标点;F2断层通过的坝段处的标点较密(间距12～51m),其它坝段标点较疏(一般为100～120m).采用在施工时预埋导管与分层沉降板,用电磁式沉降仪与应变片式或伺服加速度计式测斜仪观测坝体内部沉降与水平位移.在主、副坝共设置导管15根,总长541m.其中主坝右坝端心墙内布置导管4根(间距10m),以监测由于岸坡较陡导致心墙产生裂缝的可能性.在主坝最大断面0+180m以及0+600m断面的心墙及上、下游坝壳各布置导管一根,以监测心墙与坝壳之间的沉降差异,了解产生拱效应的可能性.最大断面0+180m原型观测仪器布置见图2.F2断层走向为NE60°～70°,在坝址区倾角为SE23°,断层破碎带宽约90m,在副坝1+193m至1+288m桩号之间与副坝轴线成70°交角穿过,并有数条派生的次级断层,这些断层相互呈叠瓦状分布,岩石破碎,节理裂隙非常发育,单位吸水量一般都大于0.11Lu,相对不透水层在副坝建基面以下30～35m.F2断层与副坝联结部位的变形观测包括F2-1和F2-3断层带两个部位.断层带的变形观测是用两个TS型水平位移计由刚性杆构成一个三角形水平位移观测组合.三角形的顶点和底边分别锚固在断裂带的两侧,根据三角形两边位移计的读数即可计算出断层在平面x、y方向的位移.同时,在断层F2-3的下盘(副1+187m)设置导管1根,以观测其沉降量(即z向位移).由于断层F2-1处的坝高仅为11m,因此,在该断层的上、下盘埋设深沉降标观测F2-1断层在z方向位移(见图3).为检验主坝石坝肩倾倒体处理措施的效果,判断水库蓄水后倾倒体的状态,在右坝端布置了一些原型观测设施.其中,在右坝端上游150m混凝土防渗墙的∇1135m高程、桩号0+900m的水平缝与垂直缝设置测缝计,以监测水库蓄水后右坝肩岩体滑动或湿陷引起的防渗墙错动.此外,还在右坝肩倾倒体设置了倾倒体变形观测设施.2观测数据的变形分析2.1坝体心墙压缩率变化由于主坝的坝轴线长达1km,用激光照标准仪和水准仪观测坝面变形观测标点,以及各分层沉降测斜管口位置与高程的误差较大,因而在本次分析中,均以分层沉降测斜管底端位置和坝基混凝土垫层上分层沉降板的高程在运行期视为不变,来分别修正水平位移与沉降观测资料.典型的施工期坝体内部各沉降板的沉降过程线见图4.由图4可见,在施工期填土速率越高,沉降速率越快,1号沉降板位于基岩混凝土垫层上,沉降量几乎为零,故沉降过程线很平缓.主坝0+601m断面各测点的沉降沿高程分布见图5.由图5可见,施工期填土层沉降量沿高程约呈抛物线型分布,最大沉降量发生在坝高的1/2处.为进一步定量分析运行期坝体内部的沉降发展,将1992年8月(大部分坝段竣工时)、1993年8月、1994年8月、1995年8月及1996年2月坝体填土累计压缩量(坝基混凝土垫层分层沉降板高程在运行期视为不变,坝顶沉降板总沉降量即为填土累计压缩量)列在表1中.并将1992年8月竣工时和1996年2月观测到的坝体累计压缩量与压缩率列在表2中.由表1和表2可见,竣工时(1992年8月)心墙压缩率较大,在0.67%～1.26%之间;坝壳(包括过渡层、反滤层)压缩率较小,在0.40%～0.85%之间;主坝河槽段坝壳压缩率较高,达0.85%;右坝段压缩率较低,大都在0.50%以下.竣工以后,坝体填土压缩量发展已趋平缓,运行期心墙压缩量为40～80mm,坝壳压缩量为40～50mm.在1996年2月,心墙压缩率发展为0.87%～1.45%,坝壳压缩率发展为0.56%～0.99%.心墙填土压缩量最大值发生在主坝最大断面0+180m,1996年2月累计压缩量552mm,此断面坝高(填土厚度)43.6m,压缩率1.26%.这些说明,克孜尔水库土坝设计是正确合理的,填土碾压质量良好.采用文献建议的方法,计算主坝心墙沿坝轴线方向(纵向)倾度的结果见表3。由表3可见,主坝坝体内部变形方向大都朝向主河槽,主坝大部分坝段(从左坝肩到0+874m桩号)坝体沉降比较均匀,纵向沉降差(即纵向倾度)很小,坝体不会因沉降差异而产生横向裂缝.而右坝肩山坡较陡,填筑坝体时已将山坡开挖修整成1∶1坡面,这部分坝体心墙沉降差异较大,纵向倾度达1%左右,最大值为1.6%,但是在运行期纵向倾度已趋于稳定.为了解决右岸倾倒体的渗流与稳定问题,右坝肩心墙断面扩大并向上游延伸,也使右坝肩坝体变形处于良好状态.2.2坝体和坝体间的水平位移在主坝心墙中设置了9根测斜管,又在最大断面0+180m与0+600m断面的上、下游坝壳各设置了1根测斜管,通过这13根测斜管用测斜仪监测坝体纵向(坝轴线方向)与横向(上、下游方向)位移及其分布状况.运行期主坝水平位移观测记录分别以1992年8月(L1、L2、L3、L7)、1992年10月(L4、L23)和1993年3月(L5、L6、L8、L9、L10、L11、L12、L13起始;副坝的L25测斜管从1995年6月起始的观测结果为基准,某时段前后管位线之差值即为该时段的水平位移.典型的坝壳、心墙水平位移观测结果见图6～图8.根据水平位移观测结果可以分析得出:(1)运行期坝体心墙横向水平位移量不大,一般都在6cm以内(大多在3～4cm范围内).(2)主坝在1992年7月至1993年3月,1993年8月至1994年3月,1994年5月至1994年10月及1995年7月至1996年3月的四次库水位上升期,都是朝下游位移.一般来讲测点高程越高,位移量越大.可以说,水平荷载是引起坝体朝下游位移的原因之一.(3)1994年5月以前,坝壳横向水平位移量一般在3cm以内.1994年5月以后库水位较长时间持续在ᐁ1142m高程以上,引起坝体浸润面抬高,饱和区扩大、坝壳砂砾料湿化变形,致使0+180m与0+600m断面的上游坝壳向下游位移,下游坝壳向上游位移,且位移量较大.(4)运行期坝体的纵向水平位移不大.从总体上看,坝体都朝向主河槽(即0+180m断面)位移,即左岸坝段(0+061m至0+117m断面)向右岸位移,右岸坝段(0+882m至0+902m断面)向左岸位移,坝高相近的坝段(0+180m至0+872m断面)位移方向来回变动,并且位移量更小.由副坝(1+187m断面)心墙测斜管的水平位移观测结果可知,运行期副坝心墙水平位移量不大,一般都在3cm以内.2.3断层上、下盘之间错动在副坝1+208m断面F2-3断层破碎带和1+288m断面F2-1断层破碎带均设置了TS型位移计,以观测断层与副坝连接部位的变形.运行期4年来,随着库水位逐年上升,两组位移计T1、T2与T3、T4都呈现拉伸变形(1992年6月至1995年6月曾停测),这两组位移计与一根刚性杆组成等边三角形的二维水平位移观测装置,从位移计的拉伸或压缩变形读数可以推算出断层上、下盘之间的错动(见图9)由图9可知,从1992年1月到1996年3月,相对于断层F2-3的下盘基岩,上盘(C点)是向下游方向错动,错动位移4.56mm;同时上盘向导流洞方向(左岩)错动,错动位移2.21mm.相对于断层F2-1的下盘基岩(即F2-3断层的上盘基岩)、上盘(C点)向上游方向错动,错动位移3.75mm;同时上盘向导流洞方向(左岸)错动,错动位移4.47mm.根据施工期观测资料分析,坝基开挖基岩略有回弹,坝体填筑后,位移计呈压缩变形,至1990年1月29日,坝基回复到原来状态.此后,位移计呈拉伸变形,即上盘向导流洞(左岸)错动,从1990年1月至1991年10月,错动位移2.46mm.建坝前的20多年长期观测表明,F2断层水平错动位移速率是0.48mm/a,大坝填筑时位移速率约为2.95mm/a,水库蓄水后,位移速率减小到1.14mm/a.故设计时预测水库蓄水后会减缓F2断层活动性的论断是正确的.2.4坝肩倾覆体变形在右坝端上游150m混凝土防渗墙ᐁ1135m高程和0+900m断面的垂直缝与水平缝上分别设置了水平与垂直测缝计,以监测水库蓄水后右坝肩岩体滑动或湿陷引起的防渗墙错动.测缝计读数基本稳定不变,表明防渗墙没有产生明显的错动.右坝肩倾倒体变形观测结果表明,在1998年6月至8月这三个月内,随着时间的推移和库水位的上升(从∇1136.6m上升到∇1146m高程),右岸倾倒体向下游水平位移了370μm