油啥水库混凝土面板堆石坝施工期沉降变形分析

刘田珂，孙 彪

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

面板堆石坝内部的沉降是影响面板变形和坝体整体防渗结构的主要原因，由于影响坝体沉降的因素较多，导致坝体沉降的规律也有所不同，并且在坝体填筑施工期间，随着坝体填筑高度的上升以及下层填筑料的逐渐压实趋稳，面板堆石坝大约会完成75%～90%的沉降量[1-2]，因此坝体沉降监测也是施工期的重点监测项目之一。沉降量的大小，不仅直接影响到大坝后期面板的施工，也关系到面板的强度标准，坝体稳定以及大坝周边缝的止水防渗要求[3]。所以，通过收集、统计以及分析施工期间大坝沉降监测的原始数据，对于分析坝体的沉降变形和沉降分布规律来评价大坝的填筑质量，判断坝体内部分区是否出现变形起着关键的作用。

1 工程概述

油啥水库位于黔西南布依族苗族自治州望谟县乐旺镇，河流为红水河一级左支流桑郎河。是一座以防洪为主，结合灌溉、供水、发电的Ⅲ等中型工程，坝址以上控制流域面积264km2，多年平均年径流量1.48亿m3，正常蓄水位799.0m，正常蓄水位库容为1141万m3，总库容为1205万m3。该工程总布置分为水源工程和引水工程，主要由混凝土面板堆石坝和右岸洞式溢洪道、右岸泄洪洞和左岸引水发电系统+输水管道等建筑物组成。

本工程挡水建筑物面板堆石坝高程801.5m，最大坝高91.5m，坝轴线长度258.66m，坝顶宽度10.0m，大坝上游面板坡比为1∶1.4，下游综合坝坡1∶1.692。大坝从上游向下游依次分为盖重区、垫层区、特殊垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区以及干砌石护坡。油啥水库大坝主体填筑主要分3期完成，2022年1月20日大坝填筑至728m高程；2022年4月15日大坝填筑至当年度汛高程749m高程；2022年8月28日大坝填筑至800.5m高程，完成大坝封顶。

2 工程观测设备布置

由于施工期内面板堆石坝的应力与变形的影响因素复杂多变，包括外因与内因[4]。根据SL 60—94《土石坝安全监测技术规范》和DL/T 5211—2005《大坝安全监测自动化技术规范》规范要求，结合油啥水库工程现场实际情况，水库大坝整体监测仪器包括31个水管式沉降仪，水平位移计7组，坝顶临时沉降点10个，主要监测大坝施工期和运行期的内部沉降和表面沉降。施工期大坝填筑封顶后6个月主要监测大坝的沉降数据，来验证大坝填筑施工质量和设计是否达到要求，确保大坝安全运行和后续混凝土面板的正常施工。

结合大坝内部沉降观测点布置位置和大坝受力特点，油啥水库大坝内外布置了一套齐全的安全监测系统。其中大坝沉降安全监测主要分为坝右0+065.00、0+020.00和坝左0+045.00的3个监测横断面，采用水管式沉降仪监测大坝内部沉降。其中坝右0+065.00和坝右0+020.00横断面，按照高程735.0、760.0和780.0m分3层对大坝进行内部观测，其中观测点的个数分别为7、5和3个；坝左0+045.00横断面，按照高程780.0m分一层对大坝进行观测，其中观测点的个数为3个。其中坝右0+065.00大坝内部监测仪器布置如图1所示。

图1 水库大坝内部沉降变形监测(横截面坝右0+065.00)

3 施工期沉降分析

混凝土面板堆石坝在施工期间，坝体会随着堆石体的填筑和时间效应完成大部分沉降变形[5]，而堆石坝的变形分为3个分量，即竖向方向的沉降变形、上下游方向水平变形和坝轴线方向的变形，施工期在各种荷载的作用下，其中坝体竖向方向的沉降变形尤为重要，关系到坝体填筑浇筑时间、周边缝变形、防渗结构的安全以及面板分期浇筑的时间等[6-7]，与大坝整体安全、稳定密切相关，因此，油啥水库大坝堆石体的沉降监测是大坝填筑施工过程中的重中之重，是保证大坝整体工程安全顺利完工的关键。以下将主要运用统计分析法，在时间和空间上分析大坝坝体在施工期垂直荷载作用下的沉降变形情况。

3.1 坝体沉降数据分析

3.1.1坝右730m高程

根据图1，大坝监测VR1测点位置位于大坝坝右730.00m高程，水平横向布置一共7个测点，各测点桩号见表1。

表1 坝右横截面各测点累计沉降数值

大坝从2022年1月开始填筑，4月达到749度汛高程，8月大坝封顶，3月完成730高程的监测设施布置并开始监测大坝沉降，如图2所示。

图2 坝右0+065.00断面730m高程大坝监测沉降数据

根据图2从时间分析，随着大坝填筑高程逐渐升高至坝顶，坝体沉降量也逐步增大，大坝填筑封顶3个月后沉降量累计达到最大值，最后逐渐趋于收敛；根据表1从空间分析，735.00m高程坝体累计最大沉降量78～335mm，位于坝纵0+000.00(坝轴线)附近沉降量变化较大，相反距离坝轴线最远两个测点的沉降量较小，大坝上游侧沉降量大于下游侧坝体沉降。坝体最大沉降量335mm位于735.00m高程，位于坝高的1/3位置，沉降值约为坝高的0.37%。以上大坝内部变形规律符合混凝土面板堆石坝坝体沉降变形一般规律[8]，各测点沉降受上覆坝体填筑高度影响大，受时间影响相对较小。

3.1.2坝右760m高程

大坝监测VR2测点位置位于大坝坝右760.00m高程，水平横向布置一共5个测点，各测点桩号见表2。

表2 坝右横截面各测点累计沉降数值

根据图3从时间分析，当大坝填筑高程逐渐升高至坝顶，坝体沉降量逐步增大，最后逐渐趋于收敛；根据表2从空间分析，760.00m高程坝体累计最大沉降量160～270mm，且位于坝纵0+000.00(坝轴线)左右两个测点沉降量变化较大，距离坝轴线最远两个测点的沉降量较小，同样大坝上游侧沉降量大于下游侧坝体沉降，760.00m高程大坝内部变形规律735.00m高程大坝变形规律一样，但是各测点沉降受上覆坝体填筑高度影响不大，主要受时间影响相对较大。

图3 坝右0+065.00断面760m高程大坝监测沉降数据

3.1.3坝右780m高程

大坝监测VR3测点位置位于大坝坝右780.00m高程，水平横向布置一共3个测点，各测点桩号见表3。

表3 坝右横截面各测点累计沉降数值

根据图4从时间分析，此时大坝已填筑至坝顶高程，坝体沉降量在1～2个月内先逐步增大，后逐渐趋于稳定收敛；根据表3从空间分析，780.00m高程坝体累计最大沉降量40～163mm，位于坝纵0+000.00(坝轴线)上游侧沉降大于下游侧坝体沉降，780.00m高程大坝内部变形规律同735.00、760.00m高程大坝变形规律一样，各测点沉降受上覆坝体填筑高度影响不大，主要受时间影响相对较大。

图4 坝右0+065.00断面780m高程大坝监测沉降数据

3.2 坝体沉降影响因素分析

通过上述分析，坝体沉降值主要受大坝填筑高度和时间的影响，不同高程、不同位置测点的沉降量有所不同，主要表现在坝轴线附近沉降量较大，两端较小，大坝上游侧沉降量大于大坝下游侧沉降量，总体变化符合混凝土面板堆石坝沉降变化规律。除此之外，760.00m高程VR2-1、VR2-3和VR2-4测点所在垫层区、坝轴线和下游次堆石区的大坝沉降规律如图5所示。

图5 VR2-1、VR2-3、VR2-4观测点沉降过程线

坝轴线的沉降量变化曲线相对于来说则比较稳定，变幅也不大，有一定的规律。而垫层料区和次堆石区的沉降量较大，相较于次堆石区，垫层料区前期变化趋势较缓，中期变化趋势较陡，二者沉降量几乎在同一时段内开始趋于稳定，但是其沉降量的变幅都比较紊乱，其主要原因有3点：①在于大坝填筑过程中，存在一定的填筑顺序，先垫层区，再主堆区，后次堆区；②为了重点保障安全度汛目标，大坝实际施工组织采取优先填筑上游迎水面的垫层区和局部主堆石区，形成规范允许的临时度汛断面；③次堆区还存在坝后坡公路和干砌石施工的影响，垫层区受坝顶施工机械荷载影响较大，随着时间的变化而变化。通过对其它典型断面的数据分析，其它高程和横截面也有类似的沉降变化规律。

综上所述，大坝沉降变形主要受堆石料本身性质和堆石填筑重量的影响之外，还与大坝填筑过程中施工组织、施工技术参数、填筑料的各项设计参数如填筑料的级配、铺料厚度、洒水量、最大干密度、渗透系数等有关，并且主堆石料是大坝承受荷载的主体，也是控制大坝变形的关键。油啥水库大坝在填筑过程中，通过先行开展爆破试验参数调整和大坝填筑碾压试验来控制填筑料的级配，以达到大坝填筑质量的控制，各填筑区域都是严格按照大坝填筑施工工艺来施工，由于施工组织原因，填筑施工主要机械设备位于大坝上游侧，承受的施工机械荷载远大于下游侧，同时，上游侧包括挤压边墙、垫层区、过渡区和主堆石区，垫层料级配、孔隙率、干密度要求更高，碾压遍数更多，从而导致大坝上游区大坝沉降量总体大于下游区，符合混凝土面板堆石坝沉降相关规律。

3.3 比较分析

油啥水库工程面板堆石坝根据工程实际情况，大坝沉降观测采用31个水管式沉降仪和7组水平位移计，同时增加坝顶10个临时沉降观测点，对大坝沉降规律进行全断面监测，确保大坝安全、稳定。沉降率是评价坝体稳定性的重要指标，施工期沉降率小于1%表明坝体稳定性较好[9]。

目前，与国内外已建成大坝施工期沉降量相比，其沉降数据见表4。

表4 国内外大坝施工期沉降率比较

本工程自2022年1月1开始填筑，同年3月开始进行大坝沉降监测，截止2023年6月，大坝沉降已趋于稳定，累计最大沉降量335mm，沉降率为0.37%，相较于100m级以下的头塘水库和莲花面板堆石坝稳定性较好；与100m级以上的利斯、安奇卡亚和考兰坝相比，沉降率相差不大，处于中等偏下的水平。综合说明，本工程大坝的填筑施工技术还是比较合理可行的。

4 结论

通过对油啥水库面板堆石施工期大坝沉降部分原始观测资料的研究分析，该大坝内部沉降值在规范要求的3～6个月内逐渐趋于收敛，大坝稳定性和安全性满足要求，为大坝后续面板施工、上游铺盖施工奠定了坚实的基础。但也存在些许不足，在大坝填筑过程中，坝后观测房的施工未能与大坝填筑高度同步进行，且正式开始观测时间略滞后于填筑进度，初始观测数据采用的是全站仪测量，影响初期沉降数据采集的连续性，对初始观测点的数据有一定的影响。因此，通过本文的分析与归纳，可供其他学者对混凝土面板堆石坝施工期沉降变形分析开展进一步的研究。