积石峡水电站采用浸泡法加速坝体预沉降的工程措施与效果

王思德

（青海黄河上游水电开发有限责任公司 青海 西宁 810001）

1 工程概况

积石峡水电站位于青海省循化县与民和县交界的黄河干流上，是黄河上游规划的第五座大型梯级电站。水库正常蓄水位1856m，总库容2.94亿m3，为日调节水库，坝后式厂房装机容量1020MW。挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，坝顶高程1861m，坝顶长度314.288m，宽度9.80m，最大坝高101m。大坝上游坡比1∶1.4，下游设“之”字型马道，马道间坝坡上部为1∶1.4，下部为1∶1.3。

坝体填筑分区从上游至下游依次为垫层料2A（周边缝处为特殊垫层料2B）、过渡料3A、排水料3E、主堆石坝料3BⅠ、3BⅡ、下游堆石料3C及下游卵石护坡3D，其中2A、2B、3A和3E均为砂卵石筛分料，主、次堆石料3BⅠ、3BⅡ、3C均为左、右岸坝区开挖料。坝内设“L”型排水区，其中垂直排水区位于过渡料3A与主堆石料3BⅠ之间，水平排水区底部高程为1785m，高4m。

2 采用浸泡法加速坝体预沉降方案的缘由

（1）根据积石峡上游公伯峡混凝土面板堆石坝运行期大坝沉降观测资料分析，水库蓄水后坝体沉降主要来自坝内浸润线以下部位：公伯峡坝内渗流水面高程约为1902m，接近下游量水堰堰顶高程[1]。EL.1907m沉降测点至基岩面坝体填筑厚度23.7m，蓄水后（截止2007年3月底，下同）相对压缩量70mm，压缩率为0.29%；EL.1907m至EL.2003.68m（最高沉降测点）填筑厚度96.68m，蓄水后相对压缩量50mm，压缩率为0.05%，浸水部分坝体的压缩率比上部干燥区的压缩率大6倍左右。如积石峡大坝在施工期对坝体进行浸泡促进预沉降，势必可以大大减少水库蓄水后的坝体沉降量。

（2）积石峡大坝主、次堆石料的岩性主要为白垩系砾石、中细砂岩和泥质粉砂岩，饱和抗 压 强 度 33MPa～123MPa， 软 化 系 数0.29～0.88，属中等硬度偏软岩石。清华大学对开挖料筑坝可行性研究结论是：开挖料可以作为主堆石料，但位于坝体浸润线以下的坝料会产生一定的湿化变形，坝料湿化变形会导致混凝土面板的挠度增加，导致面板顺坡向压应力、水平向拉、压应力和部分面板周边缝张开度增加，因此建议在浇筑面板前进行坝体泡水，减少湿化对面板的不利影响。

（3）西北地区已建的面板堆石坝的混凝土面板普遍裂缝较多。众所周知，导致面板裂缝的影响因素复杂，除高寒、干燥等气候因素外，诸多施工因素也是造成面板裂缝的原因[2]。要建一座面板裂缝较少的高质量的面板堆石坝，就是要尽可能消除导致面板裂缝的各种不利因素。在浇筑面板前对坝体下部进行充水浸泡，使坝体沉降比较充分，尽量减少蓄水后的面板变形即是面板防裂的措施之一。

3 坝体浸泡时机的选择

坝体浸泡的合适时机是坝体填筑到顶（即防浪墙底部高程1857m，下同）和混凝土面板浇筑之前。但西北高寒地区浸泡期还应避开寒冬季节，以防坝面混凝土挤压墙和垫层料遭受冻胀破坏。积石峡大坝河床段及其右侧2009年8月7日已经填筑到顶，然后填筑左侧压力钢管上平台（EL.1834.5m）以上的坝体，计划于同年9月底填筑到顶。如9月底再开始充水浸泡，要到12月中旬才能退水完毕，退水后期处于隆冬季节，坝面受损的风险极大。所以决定9月上旬开始坝体充水浸泡，此时坝体左侧1/4范围离坝顶仅差8m左右，对坝体沉降量的影响不大。坝体充水过程，左岸填筑继续进行，坝内充水至最高水位时，坝体全断面同时填筑到顶[3]。

4 坝体浸泡高程的确定

根据公伯峡面板坝运行期坝体沉降规律及清华大学坝料湿化试验成果，坝体浸泡高程可依据下述三个原则选定：

（1）浸泡高程越高越好；

（2）浸泡高程宜接近大坝运行期坝内浸润线高程；

（3）浸泡期间相邻建筑物的挡水高程。

坝体浸泡前坝下量水堰堰板已经安装，堰顶高程为1787.55m，坝内水平排水体的设置高程为1785m～1789m，据此可以预计运行期坝内浸润线高程略高于1787.55m，9月上旬坝下厂房3#机组段上游挡墙浇筑高程为1785.50m。根据上述条件，确定坝体浸泡高程为1785m。河床段趾板建基面高程1760m，坝轴线部位基岩高程1766m，大坝下游基岩高程1776m，浸泡区坝体平均填筑厚度约20m。

5 大坝浸泡期间的监测项目及检测要求

5.1 监测项目

除大坝原有的变形监测、渗流监测、压力监测、两岸边坡位移监测仍按常规频次监测外，大坝浸泡过程重点监测项目为坝体上游基坑水位，坝内水位和坝体沉降监测。

上游基坑水位用设在趾板上的临时水尺测量。坝内水位用渗压计和电磁式沉降仪沉降管中的水位测量，测量精度为1mm。坝体沉降用电磁式沉降仪、水管式沉降仪和坝顶临时观测墩同时测量，以电磁式沉降仪测值为主，测量精度为1mm。

表1 坝体浸泡前后沉降比较表

图1 坝内水位过程线和大坝累计沉降量曲线

5.2 监测频次

坝体浸泡过程的坝内外水位和坝体沉降监测从坝体充水前5天开始至坝体退水完毕后5天结束，每天上午8:00定时观测，监测成果当天上报给业主、监理、设计等相关单位。

6 坝体充水浸泡实施过程

本次坝体浸泡充、退水主要依靠设在河床段趾板内的4根φ150反渗排水管。排水管穿过趾板下游的垫层料区，渗水的花管段埋设在过渡料中，管外用滤网包裹，四周设置反滤，透水性良好。其次为通过大坝上游面的混凝土挤压墙和垫层料、过渡料对坝体进行充水和退水。

6.1 基坑充、退水过程

所谓“基坑”是位于大坝上游面与上游围堰之间的空间，坝体充、退水都由控制基坑水位来实施。基坑水位升降过程如下：

9月2日基坑停止抽排，通过上游围堰等渗水，基坑水位由1761m开始上升，坝体开始充水浸泡。

9月11日开始用水泵将河水抽入基坑，加快提高基坑内水位和坝内水位。

9月25日基坑水位达到1787.3m，不再升高基坑水位，坝体充水历时23天。

维持基坑水位1787m以上4天，9月29日基坑水位降至1787m以下。

11月5日基坑水位回落到1761m，退水历时38天。基坑水位平均每天下降0.69m，一天最大降水幅度1.9m，砼挤压墙表面并无异动现象。退水较快的原因是坝内各区坝料透水性较好，反渗排水管排水通畅，坝内水位随基坑水位下降而迅速下降，实测坝内外水位差很小，大坝上游垫层和混凝土挤压墙稳定无恙。

6.2 坝内水位充、退水过程

坝内水位从9月2日起随基坑水位上升而同步上升，9月27日达到最高值1786.3m，达到最大水位的时间滞后基坑水位1天～2天。从渗压计监测资料反映，9月22日至10月2日的10天内，坝内水位均高于1785m。11月5日基坑水位退至1761m，坝内水位滞后4天～5天才退至充水前水位。

7 坝体充水浸泡效果

积石峡坝体充水从9月2日开始，开始时基坑水位上升较慢，坝料也有一个浸润湿化的过程，至9月8日起坝体沉降明显加快。充水浸泡前坝体沉降量已在逐渐收敛，8月19日至9月8日20天内坝体沉降已减至10mm，坝体浸泡后沉降量迅速增加，9月8日至9月29日21天内坝体沉降100mm，9月28日起坝体开始退水，沉降量也逐渐减小，本次坝体充水浸泡促进预沉降的效果十分明显[4,5]。

坝体充水浸泡前后的沉降量比较详见表1和图1。

8 结语

积石峡坝体充水浸泡促进预沉降的效果十分明显，根据积石峡的经验可以归纳以下几点：

（1）坝体堆石料的岩性不能太硬，一般软化系数较小的中等硬度偏软或软岩的湿化变形较大，坝体充水浸泡预沉降效果比较明显。

（2）有条件时宜选择坝体填筑到顶或接近填筑到顶时再充水浸泡，此时浸泡区坝料上部荷载较大，有利于提高湿化坝料的变形量。

（3）面板堆石坝运行期坝内浸润线平缓，浸润线稍高于坝下量水堰堰顶高程，所以坝体浸泡高程接近量水堰堰顶高程即可取得良好的效果。

（4）坝体沉降主要集中在充水期，建议坝内充水至最高水位时宜再浸泡3天～5天再退水较好。陕西水利

[1]陈树联,张雷,张群,等.公伯峡面板堆石坝坝体沉降变形规律分析 [J].水电自动化与大坝监测,2009,33（5）:56-60.

[2]左元明,张文茜,沈珠江.小浪底坝石料浸水变形特性研究[C].第一届华东岩土工程学术大会论文集,1990.

[3]张伟,雷艳,蔡新合,等.积石峡水电站面板堆石坝湿化变形控制研究 [J].人民黄河,2014,36（3）:126-128.

[4]张伟,崔文娟,蔡新合,等.积石峡水电站面板堆石坝不均匀沉降控制措施 [J].西北水电,2013,142:13-15.

[5]苏晓军,权全,王进,等.面板堆石坝实测沉降分析与研究——以积石峡为例[J].水资源与水工程学报,2013,24（1）:115-118.