猴子岩水电站面板堆石坝堆石体变形控制措施

朱永国

(国电大渡河猴子岩水电建设有限公司，四川 康定 626005)

0 引 言

猴子岩水电站坝址区河谷特别狭窄、河床覆盖层深厚、地震烈度相对较高，面板堆石坝最大坝高223.5 m，坝顶长278.35 m，坝顶宽13.2 m。坝体自上游面至下游面大致分为辅助防渗铺盖区、混凝土面板、垫层料区、过渡料区、堆石料区、大块石护坡、坝脚压重区。猴子岩水电站面板堆石坝典型剖面见图1。坝体上游坝坡坡比为1 ∶1.4，下游坝坡考虑坝后“之”字形道路的综合坡比为1∶1.6。坝体填筑方量约963万m3，其中上游铺盖填筑量约67万m3。

猴子岩面板堆石坝于2013年6月开始大坝堆石体填筑，2014年11月～2015年1月完成一期面板混凝土施工，2015年12月大坝堆石体填筑施工完成，2016年5月、12月先后完成二期、三期面板混凝土施工，2016年11月15日大坝开始挡水，2017年11月18日坝前水位达到正常蓄水位1 842 m。

1 坝体堆石变形控制要求

猴子岩水电站面板堆石坝最大坝高223.5 m，为目前已建成同类坝型中的第二高坝。超高的坝高、较高的地震设防烈度均要求采取有效措施，控制大坝堆石体在面板施工后期的变形量值。在面板施工完成后，特别是在工程蓄水或大坝运行阶段，如果大坝堆石体的变形量稍大，则必然对大坝面板及其周边缝、垂直缝等防渗结构产生不利影响，存在安全隐患，也不利于大坝抗震的安全性能。河床深厚覆盖层和特别狭窄河谷不利于坝体堆石变形控制，增加了工程处理的技术难度。特别是河谷特别狭窄，导致坝体堆石在填筑碾压过程中存在拱效应(特别是高坝拱效应更为明显)，使堆石体在施工期的沉降变形受到抑制，从而延长了堆石体的变形过程，也可能在大坝初期挡水期间发生较大变形而危及大坝安全。

图1 猴子岩面板堆石坝典型剖面(单位：m)

对此，针对猴子岩水电站坝址区河谷特别狭窄、河床覆盖层深厚、地震烈度相对较高等问题，采取有效措施，提高大坝堆石体填筑碾压密实度，减小堆石体后期变形，是猴子岩水电站面板堆石坝大坝设计、施工与建设管理必须解决的主要技术问题。

2 大坝设计的变形控制措施

2.1 坝基覆盖层开挖

为消除河床覆盖层对大坝堆石体变形的不利影响，特别是考虑到河床覆盖层第②层为粘质粉土层，力学指标低且可能液化，不能作为坝体基础。因此，设计方案明确坝基范围内的河床第②层及其以上覆盖层全部挖除，坝轴线上游区的河床覆盖层全部挖除[1]。施工阶段，根据实际开挖揭示的情况，经现场试验检测分析并经设计单位复核同意，坝轴线上游右侧保留一部分密实的河床第①层砂卵石层，作为大坝上游区的施工道路。

2.2 两岸岸坡削坡整形

猴子岩水电站面板坝趾板区域基础岩体总体上较为坚硬、完整，未发现大的断层或破碎带。为有利于坝体变形控制，趾板及其外侧边坡遵循以下设计原则[2]：①趾板基础坐落于坚硬、完整的弱风化至新鲜基岩上，对强卸荷岩体，采取加强固结灌浆进行处理；②趾板线布置总体平顺，为避免开挖量太大，中高程部位设置少量转折点；③结合地形地质条件，趾板采用“等宽窄趾板+防渗板”布置形式，防渗板及其下部20 m以内的岸坡统一按照1∶0.5 的设计坡比进行开挖整形； ④坝轴线上游区岸坡不允许存在倒悬体或反坡，否则需采取削坡或混凝土、浆砌石补坡进行处理。

2.3 坝体分区与坝体填料设计标准

对于堆石坝而言，控制堆石坝体变形的关键是要尽量提高堆石体的压缩模量。堆石体的压缩模量主要取决于堆石料的岩性(力学指标)和孔隙率，孔隙率越小，表明堆石料碾压越密实，堆石体后期变形就越小。针对猴子岩水电站面板堆石坝河谷特别狭窄的特点，为有效应对堆石体填筑施工过程中的拱效应，控制坝体后期变形，在坝体分区与坝料设计上采取了以下工程技术措施：①大坝堆石体分区自上游至下游分别为垫层料、过渡料、堆石料，不设次堆石区，即坝体堆石区的设计指标均按照主堆石区的标准控制。②坝体各区填筑料均选用硬岩料，垫层料、过渡料和上游区堆石料均为变质灰岩料，下游区堆石料为流纹岩料。③经过室内试验和现场碾压试验，坝体各区填筑料采用较高的孔隙率设计控制指标：垫层料、过渡料的设计孔隙率分别不大于17%、18%，灰岩堆石料和流纹岩堆石料的设计孔隙率均不大于19%。相应地，设计针对过渡料、堆石料的级配要求较高。④两岸坝坡2 m范围铺填过渡料，以避免岸坡部位出现大块石集中影响坝体碾压密实度。

3 施工过程中的变形控制措施

3.1 填筑碾压设备与施工参数选择

坝料填筑选用大吨位的碾压设备，垫层料选用22 t振动碾，过渡料和堆石料均选用32 t振动碾，最大激振力达590 kN。针对边角部位，配备必要的液压夯板和5 t手扶式振动碾，以便进行补充压实。根据设计要求和现场碾压试验成果，最终确定的坝体填筑碾压施工参数见表1。相对而言，无论是振动碾的吨位、还是施工碾压遍数，在国内同类坝型中均是最高的。

表1 坝体填筑碾压施工参数

3.2 填筑碾压施工质量的实时监控

为有效监控大坝填筑碾压施工质量，专门委托天津大学开发GPS实时监控系统用于大坝填筑碾压施工，对铺料厚度、碾压轨迹、碾压遍数、行走速度、激振力等参数实行全天候、全过程的有效监控，铺料厚度、碾压轨迹、碾压遍数的成果图可作为验收依据。针对碾压过程中的振动碾速度过快、激振力不达标等异常情况，可以实时报警，反馈整改。

猴子岩水电站面板堆石坝填筑施工期间，引进附加质量法以实现快速检测每一个填筑碾压单元的堆石体密度与孔隙率是否满足设计要求，对不合格的部位及时进行补碾。同时，按照面板坝施工规范规定频次，对堆石料碾压质量进行挖坑检测。针对碾压施工质量采取的多种实时监控、检测手段，有效保证了堆石料的填筑碾压质量受控。

3.3 坝体填筑高差与预沉降期

工程实例表明，面板堆石坝的坝体填筑应尽量实现坝体全断面整体、均衡上升，同时应在面板混凝土施工前预留适当的预沉降期。猴子岩水电站面板堆石坝填筑施工期间，总体上遵循“全断面填筑、均衡上升”的原则。但为了兼顾大坝施工期挡水度汛和一期面板施工预沉降期的目标要求，坝体高程1 810 m 以下堆石体填筑采取了临时断面，但坝体填筑高差不大于40 m。猴子岩水电站面板堆石坝的面板分三期施工，一、二、三期面板混凝土施工前，相应部位的坝体堆石预沉降期分别为5、7、10个月。

4 堆石坝体变形控制效果

面板堆石坝蓄水后，2017年11月中旬达到正常蓄水位1 842 m。2018年1月初水库水位开始消落，2018年4月中旬达到死水位1 802 m附近，2018年6月库水位上升至汛期运行控制水位1 835 m附近。根据坝体变形监测资料，并与国内同等规模面板坝对比分析，猴子岩水电站面板堆石坝体采取上述变形控制措施的效果不错。

4.1 坝基沉降变形

截至2017年6月，坝基累计沉降量为21.1～98.5 mm，最大累计变形98.5 mm发生在桩号0+117.5断面坝0+058处。其中，2015年12月之前(即坝体填筑碾压施工期)坝基累计沉降量为4.6～97.7 mm。坝体填筑到高程1 845 m后，坝基沉降速率明显减缓，沉降逐渐趋于平稳，坝轴线附近及其下游侧测点累计沉降量和沉降速率大于上游侧，但沉降变形量值增加不大。蓄水期间，坝基沉降量在2.4 mm以内，说明坝基沉降受蓄水影响微小，在坝体填筑施工已经结束并趋于稳定。

4.2 坝体沉降变形

总体而言，猴子岩水电站面板堆石坝坝体沉降符合土石坝沉降的一般规律：河床中间坝体沉降大，两侧坝体沉降小；坝轴线及其附近累计沉降量大，离坝轴线较远的坝体累计沉降小。沉降量大小与测点所处地形条件相关，测点上方填筑量越大，下方覆盖层越厚，则沉降量越大。坝体填筑施工期间累计沉降量随坝体填筑高程的上升而增加，2015年12月坝体填筑到高程1 845 m后，坝体累计沉降量虽有增加，但沉降速率明显减缓。蓄水期间，受水压影响，坝体上游测点，尤其是面板后垫层料内测点的沉降量(包括水平位移)明显大于坝轴线附近及下游测点。

截至2018年6月，坝体内部累计沉降量最大值为1 283.6 mm(占坝高0.57%)，位于桩号K0+162.8监测断面以及高程1 775 m的坝轴线部位。其中，2015年12月前累计沉降量1 067 mm(占坝高0.48%)，2016年11月蓄水前累计沉降量1 190.3 mm(占坝高0.53%)，蓄水期间变化93.3 mm(月平均沉降量约5 mm)。蓄水期间，坝体内部最大沉降量为259.8 mm，位于桩号K0+087.5监测断面以及高程1 805.86 m面板后垫层料内。

坝体沉降监测数据表明，猴子岩水电站面板堆石坝坝体沉降变形主要发生在填筑施工期。蓄水期间，坝体沉降变形量除直接承受水压的坝体垫层料部位变形量明显稍大外，坝体其他部位沉降变形量总体不大。

4.3 岸坡部位坝体不均匀沉降变形

根据国内外面板堆石坝的建设实践，高面板堆石坝在坝体填筑施工期间，如果两岸岸坡陡峻，则坝体堆石会出现不均匀沉降，上游坝坡常会出现明显的裂缝，裂缝宽度随坝体沉降而持续发展，最大宽度达数厘米甚至超过10 cm[3]。猴子岩水电站面板堆石坝坝体填筑临近结束时，左右岸岸坡部位上游坝坡高程1 780 m以上也出现了坡面裂缝，但宽度均小于1 cm且不连续，坝体填筑结束以后基本未再发展。

猴子岩水电站面板堆石坝沿周边缝共布置16组三向测缝计。截至2018年6月，仅左岸周边缝高程1 717～1 800 m的4组测点和右岸周边缝高程1 750～1 810 m的3组测点外，其他部位测点变形量均小于10 mm，最大变形量均小于设计允许值的一半，目前已趋于稳定。周边缝累计最大张开量15.08 mm，累计最大错动量23.36 mm，最大沉降量47.6 mm(垂直面板方向)。

4.4 面板与垫层料坡面脱空情况

根据国内外面板堆石坝的建设实践，高面板堆石坝施工期间，由于坝体堆石的沉降变形，特别是堆石体沉降变形的滞后性，一般在面板混凝土分期施工后几个月内，就会出现面板与坝体上游坡面较大范围的脱空现象[3]。猴子岩水电站面板堆石坝在一、二、三期面板混凝土施工后，均预留3～5个月缺陷观察期，重点是人工普查面板裂缝与面板脱空情况，采用物探检测技术对面板脱空情况和面板裂缝深度进行全面检测。

无论是人工普查还是物探检测，猴子岩水电站面板堆石坝一、二、三期面板均未发现与垫层料坡面出现明显脱空现象。根据面板与垫层料之间的脱空测缝计监测成果，大坝蓄水前，面板与垫层料间的累计最大脱空量值为0～5.2 mm；大坝蓄水后，受水压影响，面板与垫层料呈挤压状态，两者接触良好。

5 结 语

猴子岩水电站狭窄河谷深厚覆盖层超高混凝土面板堆石坝坝高223.5 m，河谷宽高比1∶1.25，是在典型的狭窄河谷、深厚覆盖层上修建的超高面板堆石坝，通过采取有效的变形控制措施，大坝堆石体的变形控制取得较好效果，得出了以下结论：

(1)建设高面板堆石坝，应尽量选用岩石强度高、弹性模量高的硬岩作为坝料。

(2)坝体分区与坝料设计应坚持较高的碾压设计指标；两岸坝坡2 m范围铺填过渡料，能有效避免岸坡部位大块石集中，有助于岸坡部位坝体变形控制。

(3)随着堆石坝施工碾压设备与GPS实时监控系统在技术与功能上的不断完善，包括质量附加法等检测技术的不断进步，堆石坝的填筑碾压施工完全可以实现“全过程监控、全单元检测”，堆石体填筑碾压质量可控，取得较高的压实密度。

(4)尽量选用大吨位碾压施工设备和较多的碾压遍数，能有效提高坝体堆石碾压密实度，有助于坝体变形控制。

(5)为有效控制高面板堆石坝堆石体的后期变形，坝体填筑尽量全断面整体上升，控制坝体填筑高差，面板施工前预留堆石体预沉降期是非常必要的。