深厚软土地基大坝变形观测分析及思考—以里墩水库为例

曾海英，金华辉，吴才华

（1.玉环市水库管理所，浙江 台州 317600；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；3.玉环旋门湾观光农业开发有限公司，浙江 玉环 317605）

1 大坝工程特性

里墩水库地处浙江沿海玉环岛，为小（1）型水库。其拦河坝为带铺盖的黏土斜墙堆石坝，最大坝高为24.0 m，坝顶宽度为6.0 m，大坝上下游均设有3级镇压层，正常蓄水位24.00 m，死水位5.00 m，设计洪水位（P = 2%）25.96 m[1]。

里墩水库坝址区域河谷开阔，谷底平坦，相应谷宽约300.0 m，内分布1条原有冲沟和河槽，坝基为第四系（Q）堆积层，一般厚度30.0 ～ 40.0 m，最厚处达45.0 m，其中淤泥覆盖层厚达13.0 ～ 32.0 m，最大含水率76%，最大孔隙比2.16，为典型高压缩性、低强度软土地基层（见表1）。坝址两侧为山坡，呈“U”型，左岸为缓坡山坡，右岸为近40°两岸基岩出露，分布厚0.5 ～ 1.0 m的坡洪积层（粉质黏土夹碎石）[1-5]。

表1 坝基主要土层物理力学参数表

2 运行病害及分析

施工期：大坝基础在土方加高至9.4 m，原坝址河槽中心出现横向裂隙，且由于大坝两侧存在坡积洪积层，排水板无法插设，土方填筑区两岸坝肩裂缝随后突现，左岸裂隙贯穿，右岸未贯穿[2]。

运行期：为控制坝基的沉降变形，管理单位采取分期蓄水的方式控制蓄水位的上升速率， 2003年5月水库水位达23.00 m，下游坡脚量水堰异常升高，随即对水库施行紧急放空，发现左岸塌洞出露，位置与原大坝施工期裂缝出现位置基本一致，后经专家论证进行相应的加固处理。但在2006年和2018年水库低水位时，原大坝施工期裂缝出现位置平台预制板错台严重，揭开后发现裂缝和漏水洞发育[2]。

由于大坝坝基为平坦的深厚软土地基层，及坝基两侧基本岩基出露，势必存在较大的不均匀沉降差，加之后续施工填筑和蓄水压力，必然加剧不均匀沉降，导致左右岸原坝肩不均匀病害频发。

3 大坝变形观测布置

基于大坝坝基不良工程特性及原有左右坝肩裂缝病害频发，大坝建设管理单位对大坝上下游坝体沉降和下游坝脚深层水平位移进行观测（见表2）。由于观测时间跨度大，数据量较大，本次分析仅采用部分时间跨度数据。

表2 观测点埋设位置及编号表

4 观测资料分析

4.1 蓄水验收前后对比分析

表3为蓄水前期、后期沉降量汇总表。其中蓄水前期（水库蓄水后至2004年底），历时827 d，蓄水后期（2004年底至2008年底），历时1 456 d。

（1）蓄水前期、后期，大坝上游面的一、二、三级平台平均沉降分别为913，556，284，224，119，84 mm；

（2）蓄水前期、后期，大坝下游面的一、二、三级平台平均沉降分别为130，86，162，71，87，54 mm；

（3）蓄水前期的沉降量远大于蓄水后期的沉降量，且蓄水前期时间历程远低于蓄水后期，说明蓄水产生的沉降逐步趋于平缓。

表3 蓄水前期、后期沉降量汇总表

4.2 沉降和库水位关系

图1为上下游坝体沉降速率和库水位关系曲线图。图中数据均为2010 — 2012年人工采集的数据。

（1）玉环县为典型亚热带海岛地区，库水位受降雨影响显著，2010 — 2012年库水位在6.00 ～ 16.00 m波动。

（2）上游平台沉降速率波动幅度明显大于下游平台（无库水压力），表明现阶段沉降主要受库水位水压荷载影响，上下游坝体沉降速率主要随库水位变化而变化。

（3）在其他条件相同的情况下，沉降速率应随荷载增加而增加，由于固结沉降存在时效性，且库水位变化迅速，没有长期稳定在一个特定值内，本次大坝沉降速率和库水位呈相反态势，即库水位迅速上升沉降速率反而下降。

图1 上下游坝体沉降速率和库水位关系曲线图

4.3 不均匀沉降差分析

大坝建在深厚软土层上，大坝左右岸不均匀沉降的发育是导致横向裂缝发育的主要原因[2]。故本文对其不均匀沉降发育进行量化分析，以左右岸上游二级平台坝肩为例：

（1）在上游面二级平台左岸相邻两测点Gx07和Gx08累计沉降量分别为675，105 mm，沉降差为570 mm，不均匀沉降差较大，产生裂缝的几率也比较大；

（2）在上游面二级平台右岸相邻两测点Gx04和Gx05累计沉降量分别为195，628 mm，沉降差为433 mm，较左岸较小，但不均匀沉降差也明显；

（3）上游面二级平台左右岸坝肩为裂缝发育重点预防区和治理区，不均匀沉降差也最大，更好地验证了大坝两岸裂缝发育的原因（见图2）。

图2 上游二级平台累计沉降分布图

5 深水区大变形坝基自动化观测探究

里墩水库大坝是建筑在深厚层软土淤泥的坝基中，上游7.5 m平台沉降变形显著，且覆水深度达15.00 m，为历次病害主要治理点，但目前该部位观测设施仅依靠高接杆人工测量，测量精度和难度极大。基于以上分析，本文以常规液压式沉降仪器为基础，提出深水区大变形坝基沉降观测仪器的观测方案。

常规液压式沉降仪器通过传感器和储液罐之间的高差变化时，测出观测点的沉降变化量，并通过储液罐通气使整个系统内部气压达到自平衡，以确保传感器不受大气压变化的影响（见图3）。本次对常规液压式沉降仪的改造：①为满足大量程和测量精度的要求，储液罐也埋设于深水区（和测点埋设高差不大），储液罐开口连接通气管，以便消除大气压和水压的影响；②深水连接水管采用高强度压力管，并对连接头进行深水密封性改造，以便消除水压的影响。该仪器改造方案获得仪器厂家的认可，并计划用于本工程中。

图3 液压式沉降仪器图

6 结 论

（1）里墩水库坐落于深厚淤泥层的平坦山谷中，坝体两侧不均匀沉降突出，为大坝病害重点区，虽历年经管理单位的处理，但不均匀沉降病害风险依然较大。

（2）大坝蓄水前期上下游沉降量远大于蓄水后期，且蓄水前期时间历程远低于蓄水后期，说明蓄水产生的沉降逐步趋于平缓。

（3）现阶段沉降主要受库水位水压荷载的影响，上下游坝体沉降速率主要随库水位变化而变化，本次大坝沉降速率和库水位呈相反态势。

（4）大坝上游面二级平台左右岸坝肩为裂缝发育重点预防区和治理区，相邻沉降点不均匀沉降差也最大，产生裂缝的几率较大。

（5）本文基于常规液压式沉降仪器，提出深水区大变形坝基沉降观测仪器的方案。改造方案获得仪器厂家的认可，并计划用于本工程中。