水布垭面板堆石坝变形性态分析

张 岩，燕 乔

（三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002）

1 工程概况

水布垭水利枢纽位于清江中游河段巴东县境内，以发电防洪为主，并兼顾其它效益。水库最高洪水位为404.0 m， 总库容 45.8亿m3； 正常蓄水位400 m，相应库容45.12亿m3。枢纽主要由挡水建筑物、泄水建筑物和地下式厂房等建筑物组成。挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，坝长660 m，坝高233 m，是已建成的最高混凝土面板堆石坝。坝体填筑共分六期施工，2003年2～5月进行一期填筑，坝面上游面达到200 m，中间和下游区达到208 m。2003年10月～2004年5月进行二期填筑，上游区达到288 m，中间达到250 m，下游区达到235 m。2004年7～12月进行三期填筑，上游区达288 m，中间达 308～315 m，下游区达到 320 m。2005年1月开始大坝四期填筑，2006年3月完成，大坝上游区达到364m，下游区达到375m。一期面板于2004年7～10月施工，面板从175.8m上升至278m。二期面板于2006年1～3月施工，面板从278 m上升至340 m，此时大坝上游区填筑至364 m。2006年4～9月坝体进行五期填筑，全断面达到405 m，三期面板尚未浇筑。2007年7月坝顶保持在405 m，三期面板浇筑完成，水库蓄水至377 m，7月21日首台机组发电。405～409 m为六期填筑，2008年4～5月完成，8月24日全部机组投产发电。图1为大坝分期填筑示意图。

图1 水布垭面板堆石坝分期填筑图Fig.1 Filling of different stages of Shuibuya concrete face slab rock-fill dam

2 监测仪器布置

选择0+132 m、0+212 m和0+356 m的3个监测断面，布设11条水平、垂直位移测线，共73个测点，采用水管式沉降仪监测坝体内部沉降，水管式沉降仪设计编号以“SV”开头。采用钢丝位移计监测坝体水平位移，水平位移计设计编号以“SE”开头。实测沉降和水平位移以0+212断面265 m和300 m高程为例进行分析，0+212断面的观测仪器布置见图2。

图2 0＋212断面观测仪器布置图Fig.2 Layout of observation instruments on the section 0＋212

3 实测沉降分析

面板堆石坝的沉降主要由堆石料的压缩变形和流变引起。堆石料的压缩变形，初期主要是骨架颗粒间位置调整及由颗粒破碎引起，这是变形较快的主压缩阶段；其后，随着颗粒破碎的增加，进入次压缩阶段，沉降逐渐减小并趋于平稳。

3.1 沉降过程线分析

2004年11月～2006年9月为坝体主填筑期，沉降较快，主要表现为施工期的压缩沉降及流变。2006年9月以后坝体全断面上升至405 m，沉降速率明显减缓。2007年12月～2008年4月的最大沉降增量仅为38 mm，为坝高的0.16‰，说明坝体沉降已经开始收敛，主要表现为沉降随时间效应的流变。从图3、图4的垂直位移过程线可以看出，2006年9月以前的曲线较陡，2006年9月以后的曲线比较平缓，但位于主监测断面上游坡面附近的测点SV0-1-13、SV01-1-14、SV01-1-23、SV01-1-24 的测值在2007年4月以后明显增大，2007年9月以后又趋于平缓，其它测点的测值增大不明显，这与2007年4月库水位上升有关。

3.2 坝体沉降分布分析

从图5、图6的沉降分布图可以得出以下规律：①同一高程的各测点中，沉降最大的点一般位于坝轴线附近，而同在坝轴线上，沉降最大的测点一般位于坝顶下约坝高1／3～1／2处；②沉降量与填筑高度大致成正比关系；③坝轴线下游侧测点的沉降值普遍大于上游侧，因为位于下游次堆石区堆石体的坝料及压实要求低于上游主堆石区；④大多数测点测值是随时间而增加的，表现出堆石的流变性质。从沉降分布规律可以看出，水布垭面板堆石坝的沉降符合面板堆石坝沉降变形的一般规律。

4 水平位移分析

图3 0＋212断面265 m高程垂直位移过程线Fig.3 Graph of vertical displacement of the section 0＋212 at elevation 265 m

图4 0＋212断面300 m高程垂直位移过程线Fig.4 Graph of vertical displacement of the section 0＋212 at elevation 300 m

0+212断面265 m高程各水平位移计的测值随时间平稳发展，2007年5月7日各测值比原变化趋势线向上游方向的位移增量约15 mm，以后继续平稳变化。SE01-1-14测点在2005年9月22日～2006年3月11日期间，测值突然增大100 mm，并有2次明显的突变，2006年3月11日以后又回到原趋势，估计是仪器异常造成的系统误差。SE01-1-14测点靠近上游坝面，2007年5月开始水平位移显著减小，这与库水位从2007年4月底开始显著上升一致。0+212断面265 m高程水平位移计目前共计4支损坏 （SE01-1-13、15、16和 20损坏），其余工作正常。

图5 坝体0＋212断面沉降分布图（单位：mm）Fig.5 Settlement distribution of dam body on the section 0＋212(unit:mm)

图6 0＋212断面沉降分布图（单位：mm）Fig.6 Settlement distribution on the section 0＋212(unit:mm)

0+212断面300 m高程各水平位移计的测值随时间逐渐发展，各测值在2007年1月22日～4月30日期间与原发展趋势线相比，有一个向下游的约25 mm的位移增量，在其以后恢复到原发展趋势。靠近上游坝面的 SE01-1-23、SE01-1-24、SE01-1-25测点从2007年5月开始水平位移逐渐减小，这与库水位从2007年4月底开始显著上升一致，符合规律。

由图7、图8的水平位移过程线可以看出，水平方向的位移规律符合泊松效应，上游坝体向上游位移，下游坝体向下游位移，蓄水后在水荷载作用下，向上游侧的水平位移受到抑制，向下游侧的水平位移明显增加。

5 变形性态分析

5.1 面板倾度分析

图7 0＋212断面265 m高程水平位移过程线Fig.7 Graph of horizontal displacement of the section 0＋212 at elevation 265 m

图8 0＋212断面300 m高程水平位移过程线Fig.8 Graph of horizontal displacement of the section 0＋212 at elevation 300 m

可以通过实测沉降量的倾度分析来判断面板发生裂缝的可能。取坝体同一高程处距离为L的测点a、b，这两点某一时刻的累计沉降量为Sa、Sb，则2个测点沿水平距离的平均沉降差为两点的不均匀沉降斜率，即倾度r[1]：

5.1.1 垂直坝轴线方向（横向）倾度计算

上述两测点的水平距离L为40 m，以0+212断面265 m、300 m两条测线2008年4月27日的测值为例进行倾度计算，见表1。

倾度是考虑两个测点沉降差的问题，它实质上反映了水平堆石遭受竖向应变的程度。实验表明，一般的堆石料当倾度不超过1%～1.8%时，不会使面板发生裂缝和周边缝变形过大[2]。表1反映出大坝265 m、300 m高程测点间倾度较小，在正常范围之内，因此不会对面板开裂和周边缝变形过大造成影响。

5.1.2 坝轴线方向（纵向）倾度计算

由于水布垭面板堆石坝坝址地形狭窄，左右两岸河谷不对称，面板容易产生由不均匀沉陷引起的横缝，因此，有必要通过实测资料计算纵向倾度。取0+132、0+212、0+356断面300 m高程坝轴线上的测点进行倾度计算，见表2。

计算结果显示，0+212断面和0+356断面沉降差异较小，倾度都控制在1%以内；0+212断面和0+132断面倾度较大，2006年12月以后倾度超过了1.8%，而且还有发展的趋势，此处面板容易出现横缝，应引起注意。此处也反映了岸坡地形对堆石坝变形的影响，即岸坡越陡，堆石坝体相对于岸坡的错位就越大，坝体不均匀沉降就越显著。受其影响，坝坡附近的混凝土面板也就很容易出现受拉状态，导致面板出现拉裂缝[3]。因此，在堆石坝设计中，一般都要求对两岸进行削坡，以保证坝坡平顺，防止局部陡坡甚至倒坡的出现。由国内已建堆石坝统计资料可见，水布垭堆石坝的河谷系数(最大坝长与最大坝高之比)在同级别工程中偏小，河谷狭窄，坝体相对于岸坡的错位较大，极易引起面板的拉裂缝，故在设计中增大配筋率，并加强施工质量控制。

5.2 垂直压缩模量分析

堆石的压缩模量可以表征堆石体的压实质量及预报其变形的大小。由于压实堆石的强度和稳定性都很好，迄今还未发现堆石坝失稳的情况。出现事故主要是过大变形使接缝张开和止水失效，以及面板断裂所致的大量渗漏，因此表征堆石压缩性的模量对堆石坝有特殊的重要性。此种实验一般在室内利用大型压缩仪进行，也可以通过坝体沉降及面板挠度观测资料推算[4]。

表1 横向倾度计算结果Table 1 :Calculation results of lateral inclination

表2 纵向倾度计算结果Table 2 :Calculation results of vertical inclination

本文根据现场实测沉降资料推算垂直压缩模量，以假定没有侧向变形的单轴压缩为基础进行计算。选择坝轴线附近的测点进行计算，其计算公式为[5]：

式中：γ为堆石填筑密度；H为计算点以上覆土柱厚度；d为测点以下卧土层总厚度；S为实测沉降量。

水布垭面板坝主堆石区的设计密度为2.15 t／m3，由2008年4月27日实测沉降量计算坝轴线测点的垂直压缩模量，结果见表3。

公式（2）是建立在假定没有侧向变形的单轴压缩基础上的，因此本计算选用坝轴线附近的测点，其垂直应力接近于上覆盖土层重量，结果较为可信。由计算结果可以得到，0+212断面堆石体垂直压缩模量均在100 MPa左右，平均值为110.4 MPa；0+132断面和0+356断面堆石体垂直压缩模量相对较小，分别为 71.7 MPa 和 47.7 MPa，其中 0+356 断面的压缩模量计算值较小，尤其是300 m高程仅为31 MPa，340 m高程为47 MPa，明显小于其他位置测点，此处为施工过程中的薄弱环节。

根据国内外一些面板坝实测资料，计算得堆石体的垂直压缩模量约为 20～225 MPa[6，7]，水布垭面板坝的平均垂直压缩模量居于上述范围的中间，且0+212断面的垂直压缩模量更大一些。另外，坝体最大沉降 （2008年4月27日）占已填筑高度的1.05%，虽然国内100 m级面板堆石坝最大沉降控制在1%以内，但水布垭是坝高超过200 m的超高坝，监测资料证明堆石体的最大沉降与坝高的平方成正比[8]，说明水布垭大坝填筑压实干密度、孔隙率达到设计要求，堆石体的填筑质量很好，坝体变形控制在合理的、可接受的范围内。

表3 水布垭坝体堆石体垂直压缩计算模量Table 3 :Vertical compression modulus of Shuibuya concrete rock-fill dam body

6 结 语

现代混凝土面板堆石坝的原型观测技术是在土石坝与混凝土坝观测技术的基础上结合自身的特点发展起来的。混凝土面板堆石坝的观测，从混凝土面板到堆石体已经大体上形成了独立的观测体系。然而随着面板堆石坝观测技术的发展，对原型观测技术的水平要求越来越高，很多方面都需要进一步研究，不断完善。其次，鉴于大多数面板堆石坝建于陡深峡谷中，三维应力状态突出，因此，开展堆石坝体在顺坝轴向的位移监测、应力监测对于发展面板堆石坝的设计理论将会有重要意义。

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