平原软基地层大坝表面监测沉降变形特性分析

吕宝雄

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概况

新疆某水库位于准噶尔盆地的冲洪积下部细土平原上，是由四面碾压式均质土坝围堵而成的典型平原水库，库盆呈“马蹄”形，属大(Ⅱ)型工程。大坝坝基为深厚覆盖软基地层，30 m深度范围内主要为第四系全新统洪积相轻一重粉质壤土，局部夹薄层的透镜体粉细砂层，坝体填筑土料以低液限粉土和低限黏土为主[1-3]。

结合大型平原水库、地基复杂及坝线之长的特点，在初期通水至蓄水期及运行期受外部荷载及坝身自重力作用情况下要确保大坝安全，同时为给水库管理提供科学依据，设计了坝表安全监测，大坝主体竣工同期实施了首期变形监测工作，截止目前已安全监测12 a共23期。

2 平原水库特征

该平原水库为典型的引水注入式水库，具有如下特征：

(1) 大坝坝身高度低，大坝轴线长，库容较大。最大坝高为28 m，坝轴线长17.6 km，总库容为2.8亿m3。

(2) 水库面积大、库内水面落差大。水库面积23.8 km2，总体地势北低南高，水从南面注入，向东、西、北向自流，上游来水较大时，坝前水位存在落差，形成一定的冲刷外力[4]。

(3) 大坝为典型的“四面土墙”围堵坝体。三面临水呈“U”型，触水面广，渗透变形消除难度大。

(4) 坝基为戈壁深厚覆盖软基地层，地质条件较差。

3 大坝表面变形监测

3.1 监测点分布

大坝共布设56条监测横断面，212个变形监测点，坝面变形监测横断面及监测点[3-4]布置见图1。为便于描述，将大坝分为东、西、南、中四个坝段，具体为：东、西坝为直线形，东坝长2.0 km，西坝长2.1 km，断面按300 m间隔布设各7条、每条断面3个监测点，分别为迎/背水坡坡顶、背水坡坡脚，具体布设见图2；中坝长8.0 km，分为两侧2个弧线段(Z1、Z3)和中间直线段Z2，按200 m间隔布设断面42条，每条断面4个点，分别为迎/背水坡坡顶、背水坡马道/坡脚，具体布设见图3；南坝长3.1 km，处于水库上游，基本不受外部荷载力，未进行监测。其中监测点中，背水坡坡脚属坝基监测点，其余点为坝体监测点。

图1 大坝坝面变形监测横断面及监测点布置图

图2 大坝东/西坝段横截面监测点分布图

变形监测点水平和垂直效能独立，为同名不共位，即水平位移监测效能为观测墩墩顶强制归心标志，垂直位移为观测墩墩底水准标志。

3.2 大坝位移监测

坝面水平位移采用GNSS监测，垂直位移使用精密几何水准监测。现阶段监测周期为2次/a，同一年度内选择在每年解冻后的首月(4月份)和始冻初月的前月(10月份)分别进行监测。

图3 大坝中坝段横截面监测点分布图

2016年10月始冻前对大坝表面进行了第23期安全监测，从本期监测数据分析发现大坝整体沉降变化较上期发生明显变形，尤其中坝Z1弧线段及首尾衔接的毗邻区域发生异常突变，主要表现为：垂直方向发生最为显著的下沉突变，水平变化较历次平均变幅稍大但不明显，坝体各区位水平变化量的大小态势与垂直变化完全吻合，而下沉变化速率大大超出了历次监测平均速率，坝体沉降突变量大于坝基，最大点变形速率为11 mm/mon，是历次平均速率的6倍多，形变量值已达预警，应予以高度重视。大坝表面监测点相邻周期沉降位移变化(图4)。

4 突变特征分析

从理论上分析，平原水库大坝除考虑受非线性动力的采空开挖、地下水源破坏、季节性降水以及坝身自重荷载、特殊软基地层地质条件等作用力外，还需要考虑强外力、土坝渗透变形及冰推、冰胀、盐胀等受力影响，容易引起坝基沉降破坏[4-7]。

从理论显著影响因素入手，对历年环境量(降水、温度)变化、大坝表面历次监测的时间沉降序列变形数据结合坝体巡查及调阅有关资料进行关联性综合研判分析，查找影响大坝下沉变化的显著因子，具体体现为：

(1) 特殊软基地层坝基基础经十几年受水浸泡、水力挤压和坝体自重力等坝体正常荷载力，坝体自身沉降不具有发生突变的异常外作用力，坝自身沉降已基本稳定[9]。

(2) 水库蓄水至今一直处于下沉状态，库内水流因库底地势形成由南向北的自流态势，沉降数据序列[8]在时间域上反映出坝段的沉降不均匀，显示中坝中部(Z2)因水自流冲击作用力较大产生其局部下沉变化大、东西坝自南向中坝中部(Z2)变化呈现下沉由小变至最大的特征。

(3) 坝体下沉速率随时间轴的增加而逐渐减小，在库水位变化相对稳定后，呈现逐渐趋于平缓或平缓减小趋势。库水位周期性的涨落与周期性监测的季节下沉变化速率具有一定的相关性和规律性，即春夏季节蓄水期水位抬升的下沉速率小于秋冬季节停蓄期水位下降，春夏季库水位抬升阶段，水位浮托力增大使得沉降变形速率变缓；秋冬季库水位下降阶段，浮托力减小使得沉降变形速率变大。

图4 大坝表面监测点相邻周期沉降位移图(下沉为正，抬升为负)

图5 加密期监测点沉降位移图(下沉为正，抬升为负)

(4) 从大坝所在地监测期环境量数据看，季节性极端降水为零，监测间隔期的降水、蒸发量与历年基本相当，年平均降水量(251 mm)远小于年平均蒸发量(1 543 mm)；气温变化对土坝沉降影响相对较小，坝体沉降随温度变化呈周期性，显现出温高抬升、温低下沉的趋势，温高期下沉幅度小于温低期。

(5) 分析历年坝体渗流变化规律可以看出，坝后排水沟与涵洞两侧在2010年间发生过明显异常渗流，在2011年和2012年各发生1次，并查找出其变化规律。渗压上升使土料颗粒移动，填料阻渗作用降低，渗水变得通畅，渗压下降填料和反滤料发生自愈保护而恢复渗流平衡[9]。自此后至今坝体渗流稳定，未见异常。

通过上述对坝体沉降变化现状分析大坝沉降突变原因，结果表明：在未发生地震等灾害破坏及水体结冰膨胀强外力情况下，坝身荷载、环境量、库水位升降等正常作用力都不是引发下沉突变的主导因素。

巡视检查中未见坝体排水渠、涵洞明显渗流，但在中坝Z1弧线段东侧400 m处外围发现有地下水开采现象且持续时间长，初步判断为地下水的过度开采致使软基土层地下水短期内急速下降，影响了水环境系统特征和地层土质环境，破坏地层土质结构和地下水平衡[10-11]，形成坝体自身荷载重力向下移动，产生坝体下沉。

基于上述分析判断，先对地下水开采区实行禁采，然后对突变区及毗邻区开展加密监测，考虑到坝面监测点多及单次全部监测时间长，不利于特殊时期精密观测，按主次分、重点部位和一般部位进行监测[12]。2017年5月(第24期)已进行3次加密和1次序列监测，从监测数据分析，突变发生后采取地下水禁采措施。第1个月坝体沉降形变量较之前稍有减小但不明显；第2个月突变区的沉降随时间序列推移发生明显变小且有明显的恢复抬升。

5 结 语

通过对大坝表面监测数据及影响形变作用力进行定量和关联分析，初步判定地下水过度开采引发中坝Z1段发生显著沉降突变，并经采取禁采措施后，从后续沉降加密监测数据印证了初期的判断，为及时掌握大坝沉降动态发挥了重要作用。目前，大坝沉降处于正常下沉态势，为防患于未然，有必要对地下水破坏严重区给予破坏后的恢复和补给，并实施有效的预防措施，在水库周边设立地下水源保护红线，划分设立地下水禁采区、限采区和控采区。以此可为类似平原软基地层水库大坝安全预防提供借鉴。

参考文献:

[1] 余春海,宋廷臣,王国利,霍家平.新疆北疆引水工程500平原水库大坝安全监测系统设计[J].小水电,2006(05):21-23.

[2] 宋廷臣,王国利,霍家平.新疆500水库大坝内部沉降分析[J].小水电,2007(05)：24-27.

[3] 赵玉芹,贾忠清,黄九权,赵玉亭.平原水库大坝安全监测[J].水科学与工程技术,2010(05)：76-78.

[4] 方卫华.大中型平原水库大坝安全监测研究[J].贵州水力发电,2006,20(01)：57-60.

[5] 刘祖强,张正禄.工程变形监测分析预报理论与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[6] 张启岳.土石坝观测技术[M].第1版.北京：水利电力出版社,1993.

[7] 赵志仁.大坝安全监测设计[M].北京：中国环境科学出版社,2005.

[8] 王坚,高井祥.沉降数据序列分析方法研究[J].测绘学院学报,2004,21(02)：90-92.

[9] 张龙德.“500”水库均质土坝渗流异常分析[J].黑龙江水利科技,2013,41(06):110-112.

[10] 尚层.新疆平原水库大坝安全监测成果实例分析[J].水资源与水工程学报,2015,26(05):219-224.

[11] 曲传勇,王炜,尚旭东,阿不来提·库尔班.铜场水库大坝初期蓄水渗流及变形监测资料分析[J].西北水电，2014(04)：96-99.

[12] 兰永新,马晓光,阮晓宁.新疆某水库大坝变形监测方法研究[J].新疆地质,2007,25(04):440-443.