某土石坝心墙变形及渗漏分析研究

耿瑜平（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州，450003）



某土石坝心墙变形及渗漏分析研究

耿瑜平（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州，450003）

高土石坝初蓄期控制库水位抬升速率是确保坝体心墙变形稳定的重要措施，通过对大坝心墙不同部位变形和渗流的监测数据分析，认为库水位过快的抬升速率将导致坝体心墙变形过大，过大的心墙变形会降低土体内的有效应力，在库水位作用下易产生水力劈裂，造成坝体心墙局部渗漏。

土石坝；心墙；变形；渗流

土石坝是目前坝工建设中应用最为广泛、发展最快的一种坝型［1］。其中土质防渗体分区坝是高、中坝中最常用的坝型，包括黏土心墙坝和黏土斜墙坝。对于高土石坝，初蓄期控制库水位抬升速率可确保坝体心墙变形稳定，防止坝体心墙变形过大，降低土体内的有效应力，减少产生水力劈裂［2］，对大坝的稳定性和安全性将产生重要影响。

1　工程概况

某水电站采用高坝引水式开发，坝型为砾石土心墙堆石坝，坝高147 m，坝顶高程2 138 m，水库正常蓄水位2 133 m，正常蓄水位以下库容5.35亿m3，死水位2 063 m，调节库容4.43亿m3，属高坝、大型水库。引水隧洞经左岸长约16 km引水至下游地面厂房发电，利用水头260 m，装机规模42.6万kW。

2　监测设备布置

为了观测坝体在施工及运行期的变形和渗流情况，在坝体0+123、0+244和0+320布置了3个监测断面，每个监测断面在2 031 m、2 048 m、2 078 m 和2 108 m高程各布设有一组水管沉降仪和一组引张线水平位移计（其中一支水管沉降仪测点和一支水平位移计测点布置在心墙内距下游反滤层1 m处），在心墙上下游侧、反滤料区和过渡料区的2 031 m、2 048 m、2 078 m和2 108 m高程各布设有一支渗压计，在0+123和0+320断面2 048 m高程和0+244断面2031m高程心墙中部各布设有一支渗压计。

3　坝体心墙变形及渗流

该工程自2011年3月15日水库蓄水至2012年6月底（期间库水位最高到达2 102.98 m高程），大坝运行一直较为正常。2012年6月底～7月7日，受上游降雨影响，库水位在8 d内从2 102.98 m高程快速抬升至2 123.92 m高程（其中7月1日抬升4.39 m），7月7日开始陆续在坝顶出现沿坝轴线方向的裂缝，内外观变形监测发现坝体变形速率陡增，7月12日下游坝面0+244断面2 108 m高程观测房内水管沉降仪保护管开始出现渗水。现根据监测成果对坝体变形和渗流进行分析。

图1　坝体典型剖面图Fig.1 Typical cross section of the dam

3.1坝体心墙沉降变形

图2　心墙监测成果图Fig.2 Monitoring result of the core wall

大坝施工初蓄期间，库水位从2011年3月23 日2 019.05 m开始上升，同期坝体从2 111 m高程继续填筑，坝体心墙受库水位抬升及坝体填筑影响，沉降明显。2011年5月11日坝体填筑到2 136 m高程，库水位上升到2 072.8 m高程，期间0+123、0+244和0+320测点心墙沉降量分别为134 mm、169 mm和243 mm，平均沉降速率为3.00 mm/d、3.45 mm/d和4.96 mm/d。2011年11月16日库水位抬升至最高水位2 102.92 m，期间三个测点心墙沉降量分别为161.4 mm、289.0 mm和171.1 mm，平均沉降速率为0.85 mm/d、1.53 mm/d和0.91 mm/d。2012年4月10日库水位下降至最低水位2 069.35 m，库水位完成初次抬升回落过程，期间三个测点心墙沉降量分别为71.8 mm、123.1 mm和112.2 mm，平均沉降速率为0.49 mm/d、0.84 mm/d和0.76 mm/d，心墙沉降速率呈逐渐减小趋势。

表1　心墙平均沉降速率统计表（单位：mm/d）Table 1 Statistics of the average settlement velocity of the core wall

2012年4月11日库水位开始第二次抬升，2012 年6月29日水位为2 102.98 m，平均抬升速率为0.43 m/d，期间2 078 m高程三个测点平均沉降速率为0.17 mm/d、0.58 mm/d和0.24 mm/d，2 108 m高程三个测点平均沉降速率为0.21 mm/d、0.18 mm/d 和0.22 mm/d。6月30日～7月7日，受上游降雨影响库水位在8 d内从2 102.98 m高程快速抬升至2 123.92 m高程（其中7月1日抬升4.39 m），平均抬升速率为2.62 m/d，监测反映心墙出现明显沉降，坝顶出现沿坝轴线方向的裂缝。至7月15日水位抬升至2 124.58 m高程，期间2 078 m高程三个测点平均沉降速率为2.80 mm/d、3.87 mm/d和1.07 mm/d，2 108 m高程三个测点平均沉降速率为2.72 mm/d、 9.57 mm/d和4.85 mm/d。7月12日开始下游坝面2 108 m高程和2 078 m高程观测房内水管沉降仪保护管陆续开始出现渗水。7月16日～11月30日，库水位在2 124～2 133 m高位运行，期间2 078 m高程三个测点平均沉降速率为0.53 mm/d、0.39 mm/d 和0.10 mm/d，2 108 m高程三个测点平均沉降速率为0.90 mm/d、1.05 mm/d和0.58 mm/d。12月1日库水位开始回落，2013年4月12日回落到最低水位2 063.46 m高程，期间2 078 m高程三个测点平均沉降速率为0.39mm/d、0.39mm/d和0.55 mm/d，2 108 m高程三个测点平均沉降速率为0.75 mm/d、0.81 mm/d 和0.66 mm/d。

2013年4月13日库水位从2 063.46 m高程开始第三次抬升，11月25日达到最高水位2128.10 m高程，其后开始回落，2014年3月31日回落到最低水位2 068.82 m高程，期间心墙沉降比较平稳，2 078 m高程三个测点平均沉降速率为0.12 mm/d、0.14 mm/d和0.01 mm/d，2 108 m高程三个测点平均沉降速率为0.09 mm/d、0.01 mm/d和0.11 mm/d。

2014年4月1日库水位从2 068.82 m高程开始第四次抬升，10月21日达到最高水位2 133.00 m高程，其后开始回落，2015年3月1日回落到最低水位2 085.95 m高程，期间心墙沉降比较平稳，2 078 m高程三个测点平均沉降速率为0.14 mm/d、0.07 mm/d 和0.05 mm/d，2 108 m高程三个测点平均沉降速率为0.23 mm/d、0.14 mm/d和0.14 mm/d。

（1）初蓄期受坝体填筑和蓄水影响，心墙沉降变形明显，施工初蓄期主要受坝体填筑上覆荷载增加影响，初蓄期主要与库水位抬升及下降高度、速率相关。

（2）初蓄期水位抬升速率过快易造成坝体心墙变形异常，由于初蓄期高高程坝体心墙土体尚未充分固结，心墙变形过大会降低土体内的有效应力，在库水位作用下易产生水力劈裂造成坝体心墙局部渗漏。

（3）初蓄期心墙沉降变形总体特征为心墙上部沉降速率大于中下部，坝体中部沉降速率大于坝体两侧，心墙经历2次库水位抬升回落过程后，沉降变形速率基本稳定。

3.2坝体心墙水平变形

为了观测坝体心墙水平变形，在坝体0+123、 0+244和0+320布置了3个监测断面，每个断面在2 031 m、2 048 m、2 078 m和2 108 m高程各布设了一组引张线水平位移计，第一支水平位移计布置在心墙内（距下游反滤层1 m心墙处），2 078 m和2 108 m高程监测成果见图3。

图3　心墙水平位移监测成果图Fig.3 Monitoring result of horizontal displacement of the core wall

水库初蓄至2012年6月底间，坝体心墙水平变形速率随库水位变化较小，总体趋势是施工初蓄期大于初蓄抬升期，抬升期大于回落期，坝体中部大于两侧。

2012年6月底至7月15日水位快速抬升期间，坝体心墙水平变形速率异常增大，2 108 m高程三个监测断面监测心墙平均水平变形速率为8.01mm/d、12.3 mm/d和9.97 mm/d，期间最大变形速率为10.63 mm/d（7月15日）、19.50 mm/d和16.60 mm/d （7月12日），2078m高程三个监测断面监测心墙平均水平变形速率为5.87 mm/d、6.32 mm/d和5.06 mm/d，期间最大变形速率为8.33 mm/d、12.63 mm/d和8.10 mm/d（7月15日）。

2012年7月16日～11月30日，库水位在2 124～2 133 m高位运行，坝体心墙水平变形速率逐渐减小，2 108 m高程三个监测断面监测心墙平均水平变形速率为2.23 mm/d、3.08 mm/d和2.42 mm/d，2 078 m高程三个监测断面监测心墙平均水平变形速率为1.86 mm/d、2.47 mm/d和1.60 mm/d。

2012年12月初至2015年3月库水位变化过程中，监测坝体心墙在库水位下降过程中水平变形均有明显回弹变形，心墙总体变形特征为逐渐减小趋于稳定，坝体中部变形量大于两侧。

从各测点水平变形量统计分析，2 108 m高程三条引张线各基点变形量占到各测点变形量的90%以上，2 078 m高程三条引张线基点变形量占到各测点变形量的72%以上，2 048 m高程三条引张线基点变形量占到各测点变形量的66%以上，反映坝体在库水位作用下发生了“推移”变形，随着坝体高程增加，“推移”变形作用逐渐增强。

表2　心墙平均水平变形速率统计表（单位：mm/d）Table 2 Statistics of the average velocity of horizontal deformation of the core wall

表3　水平变形量统计表Table 3 Statistics of the horizontal deformation

（1）初蓄期受坝体填筑和蓄水影响，心墙水平变形明显，填筑完成后心墙平均沉降速率逐渐减小，变形特征为坝体中部变形量大于两侧。

（2）初蓄期水位抬升速率过快易造成坝体“推移”变形，分析原因为坝体异常沉降导致坝体有效应力降低，在库水推力作用下产生移动变形。

（3）初蓄期心墙水平变形总体特征为心墙上部水平变形速率大于中下部，坝体中部水平变形速率大于坝体两侧，库水位抬升期水平变形速率大于水位下降期，库水位下降过程中心墙水平变形均有明显回弹变形。

3.3坝体渗流

为了观测坝体心墙渗流，在坝体0+123、0+244 和0+320布置了3个监测断面，每个断面在2 031 m、2 048 m、2 078 m和2 108 m高程心墙距上游反滤料1 m处、距下游反滤料1 m处、反滤料区和过渡料区各布设了一只渗压计。

（1）在库水位变化过程中，心墙各部位距上游反滤料1 m处埋设的渗压计监测的水头压力均与库水位关联，换算水头变化特征与库水位变化特征一致。

图4　心墙上游侧渗压监测成果图Fig.4 Monitoring result of the seepage pressure upstream the core all

（2）2012年6月底～7月上旬库水位快速抬升期间，2 108 m高程三个监测断面心墙距下游反滤料1 m处埋设的渗压计监测到水压力变化，P47 （0+123断面安装高程2 110.8 m）7月6日（库水位2 121.77 m）监测到渗流水头，7月14日监测渗流水头消失，P73（0+244断面安装高程2 109.6 m）7月9日（库水位2 124.89 m）监测到渗流水头，7月15日监测渗流水头达到115.3 kPa，10月13日监测水头达到最大值122.3 kPa后随库水位下降而减小，2013年1月30日库水位降至2 108.27 m时监测渗流水头消失。P94（0+320断面安装高程2 110.1 m）7月3日（库水位2 115.54 m）监测到渗流水头，7月12日监测渗流水头达到113.6 kPa后逐渐下降减小，2013年1月30日库水位降至2 108.27 m时监测渗流水头为6.97 kPa（见图3）。根据心墙变形和渗流监测分析，坝体心墙可能出现局部渗漏。

（3）其他高程心墙下游侧埋设的渗压计和反滤料区、过渡料区埋设的渗压计在监测期间均未监测到水压力变化。

（4）为了查明坝体心墙是否出现渗漏，在坝顶心墙部位沿轴线布置施工了10个钻孔，孔深46 m，孔底高程2 092 m，并进行了物探工作，结果显示2 114 m高程以上坝体中部心墙普遍存在渗漏（见图5）。

（5）根据坝体心墙渗漏情况，采用灌浆法对2 110 m高程以上心墙进行了消缺处理，处理完成后，在库水位2013年和2014年两次抬升过程中，上述渗压计均未监测到渗流水头，说明处理后坝体心墙防渗效果良好。

图5　坝体心墙探测剖面图Fig.5 Detection section of the core wall

4　结语

（1）施工期坝体心墙沉降变形主要与上覆荷载变化相关，初蓄期主要与库水位抬升及下降高度、速率相关。

（2）初蓄期心墙水平变形总体特征为心墙上部水平变形速率大于中下部，坝体中部水平变形速率大于坝体两侧，库水位抬升期水平变形速率大于水位下降期，库水位下降过程中心墙水平变形均有明显回弹变形。

（3）初蓄期水位快速抬升将会造成坝体心墙沉降速率过大和顺河向水平“推移”变形，初蓄期坝体心墙土体尚未充分固结，异常变形会降低土体内的有效应力，在库水位作用下易产生水力劈裂，从而造成坝体心墙局部渗漏。

［1］潘家铮.土石坝［M］.北京：水利电力出版社，1981.

［2］朱俊高，王俊杰，张辉.土石坝心墙水力劈裂机制研究［J］.岩石力学，2007，28（3）：487-792.

In the early storage period，the control of reservoir rise rate is an important issue for deformation and stability of the core wall.By analysis of the monitoring data on deformation and seepage in different parts of the core wall，conclusion was obtained that the fast rise of reservoir level would cause larger deformation of the core wall，and the deformation of core wall would reduce the effective stress of soil. With the effect of reservoir water，seepage may occur because of hydraulic fracturing.

rockfill dam；core wall；deformation；seepage

TV698.1

B

1671-1092（2016）03-0027-06

2015-12-30

耿瑜平（1963-），男，河南济源人，高级工程师，主要从事水电工程安全监测工作。

作者邮箱：gyp0624@sina.com

Title：Analysis of deformation and seepage of the core wall in a rockfill dam//by GENG Yu-ping//Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.