浅谈大坝沉降的监测方法

浅谈大坝沉降的监测方法

黑河金盆水库水库工程位于合肥市周至县黑沟口以上1.5公里处，北距市区约14公里，东距西安市约86公里。大坝上游流域面积1481km2,多年平均径流量6.67亿m3。大坝按Ⅰ级建筑物设计,地震烈度8度。坝型为粘土心墙砂砾石坝。坝顶高程▽600.00m,最大坝高128.90m,顶宽11m,坝顶长443.63m,上游坝面坡比1∶2.2,下游坝面坡比1∶1.8。坝体由坝基帷幕灌浆,心墙砼盖板,上、下游坝壳料,粘土心墙,上游砼面板,下游干砌石护坡等组成。坝基帷幕灌浆28485.2m,固结灌浆10256.7m。心墙砼盖板157块,砼量5.96万m3。1坝内部岩石结构拦河坝坝基由河床砂卵石层和前震旦系宽坪群大镇沟组中等深度变质岩组成。河床两岸上部有一、二级阶地及坡积松散层。地层岩性:上部为绿泥片岩(Sc),层位比较稳定,厚20m~47m;中部为云母石英片岩(Se),钙质石英岩(Qu)及绿泥石片岩互层产出;下部为钙质石灰岩,层厚7m~40m,及绿泥石片岩,层厚10m~13m。绿泥石片岩呈灰绿色,片理较发育,致密坚硬;云母石英片岩呈灰白色,片理发育,新鲜岩石坚硬,石英含量低时易风化、强度低;钙质石英岩呈乳白色,块状及条带状,坚硬且脆碎,沿裂隙有溶蚀现象。岩层走向近东西,倾向上游。走向85°~110°、倾向SW(SE),倾角30°~45°。坝轴线以北接近背斜核部,倾角15°~25°。侵入岩脉有三种:(1)云煌斑岩脉(x);(2)石英岩脉(q);(3)斜长斑岩脉(N)。它们均沿走向NW、NE,向裂隙侵入。坝基河床砂卵石层厚5.1m~16.8m,主要由花岗岩、石英岩、片麻岩及片岩组成,力学强度较高,天然密度为2.28g/cm3,渗透系数K=90m/d左右,属极强透水层。2坝体变形规律土石坝在施工期间,由于坝体本身重量使坝体产生压缩沉降、横向(沿河流流向)和纵向(沿坝轴线向)的水平位移;竣工后由于坝体自重和上游蓄水压力等的作用,会使坝体继续产生沉降和横、纵两个方向的水平位移。虽然坝体的变形即使在竣工30年后还会继续下去,但有实际意义的变形量往往在数年内就完成了。当坝体变形大体稳定以后,随着水库水位的涨落,防渗墙上游的部分坝体会发生回弹和沉降,坝顶会向下游或上游方向摆动。如果在这期间出现异常的坝体变位,就预示着坝体结构存在某些潜在的问题。而土石坝的裂缝是坝体变形发展的结果,要研究土石坝裂缝必须首先了解坝体应力变形规律。正确地分析和计算土石坝沉降分布,对于预测土石坝裂缝的位置及预防土石坝开裂有重要作用。土石坝的变形监测是对大坝的稳定性和安全性做出评价的最重要手段。3沉降观测数据的分析3.1施工期间测量数据的分析3.1.1坝体中部土层沉降(1)由此阶段的观测结果可以看出,在施工期填土速率越高,沉降速率越快,填筑完成后大坝垂直位移监测管的累积沉降量沿坝高呈抛物线型分布,累计压缩率沿坝高呈线性依次减小,最大压缩率为6.0%。同时也可以发现在填筑过程的各个时期,大坝最大沉降都是在填筑坝体中部。这是因为坝体底部土层承受的荷重大,但其下压的可压缩土层薄;坝体顶部土层虽然其下压得土层厚,但所受荷重稍小;坝体中部其荷重和可压缩土层适中,这种组合使填筑坝体中部的沉降达到最大。(2)表1给出了大坝填筑完成后及竣工后六个月各沉降管的最大沉降量及其增量。可以看出,粘土心墙的累积沉降量明显大于坝壳砂砾料的沉降量。大坝填筑完成后(2000年12月28日),心墙的压缩量最大值发生在0+225断面的S2管,最大沉降值为1559mm,竣工后六个月内最大沉降量达到了1625mm,增加了64mm;靠近左岸的0+88断面S1管,填筑完成后累积沉降量为1083mm,竣工后六个月达到了1147mm,增加了64mm;靠近右岸的0+316断面填筑完成后1165.5mm,竣工后六个月达到了1226.5mm,增加了61.3mm,心墙有一定的后期固结变形特性,但从变形增量上可以看出心墙沉降较均匀。坝壳料也有一定的后期蠕变特性,其中竣工六个月内S3管最大沉降变形增量达到了40mm,但最大沉降量增量也呈明显减小趋势,在接下来的1年内最大变形增量在5mm内。3.1.2坝体心墙和反滤层之间的垂直位移(1)在527.00m、550.00m、580.00m高程处的六根TS位移计中,埋设在心墙与反滤料、反滤料与坝壳料之间的受拉最大位移量为32.5mm,反滤料与坝壳料之间的受压最大位移量为14.3mm。(2)在心墙轴线处,左、右岸坡570.00m高程的14支TS位移计中的TS2-1、TS2-4、TS2-3、TS2-4受到两岸剪切力影响而发生剪切位移,其余仪器受到填筑碾压后压实过程的影响产生水平位移,最大位移量为18.2mm。(3)从TS位移计可以看出,坝体心墙和反滤层之间产生拉变形,越靠近心墙底部,产生的拉变形越大,最大拉变形为32.54mm。产生拉变形的原因是由于心墙粘土和反滤层的模量差距较大,两种材料之间有不均匀沉降。3.2运营期间的数据分析3.2.1心墙变形和沉降(1)从表中数据可以看出,截至2005年10月31日,三个监测断面大坝最大沉降量依次为1237.5mm、1750.0mm、1329mm,相对于施工后期分别增加了64.5mm,95mm,52.5mm。0+225断面最大沉降量要大于左右岸两个监测断面,可能是由于蓄水后水作用面积0+225断面要大于其余两个断面。(2)蓄水过程中,即从2003年6月25日至2003年12月,心墙三个监测断面沉降量依次增大了36mm、51mm、24mm、变形增加趋势明显要大于施工后期相同时间的沉降增量。这表明大坝在蓄水过程中受渗透压力及坝料湿化的影响,变形明显增大,如表2所示。3.2.2坝壳料间不均匀沉降(1)截止2005年,心墙与坝壳料间的相对位移最大压变形35.2mm,最大拉变形为21.9mm,位移月变化量微小,心墙与坝壳料之间不均匀沉降也趋于稳定。(2)心墙与坝肩混凝土盖板间切向位移最大值为45.9mm,最大水平位移为22.9mm,相对于施工后期增加不到10mm。4坝体变形特性分析(1)经现场调研,黑河水库电子监测仪器(莱卡1800)自动化程度比较高,所得监测数据基本为自动化处理成果,与内部观测管观测数据吻合,较为真实可靠。(2)观察结果表明,填筑完成后大坝累积沉降量沿坝高呈抛物线型分布,累计压缩率沿坝高呈线性依次减小;心墙最大沉降量达到了156cm,最大压缩率为6%;S4管坝壳料变形为482cm,心墙最大变形明显大于坝壳料变形。(3)从大坝变形发展规律看,大坝变形监测数据符合一般大坝变形规律。竣工后一年半内,心墙料后期沉降变形主要为后期的固结沉降,并随着时间推移,该时段沉降量逐步减小。蓄水前的变形比竣工后的最大变形增量增大了10cm,最大达到了166cm,竣工后坝壳料变形不超过2cm。(4)蓄水运行初期,沉降量增大趋势明显,心墙最大沉降量增大了6cm,最大沉降量达到了171cm;蓄水运行两年后心墙沉降变形增加到176cm。(5)从年沉降量与统计规律看,大坝沉降符合土坝固结变形规律。蓄水运行两年后的年变形量小于2cm,大坝变形开始趋于稳定