江坪河水电站面板堆石坝蓄水初期变形性态

李跃鹏，赵元忆，殷彦高，谢新宇

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

江坪河水电站面板堆石坝最大坝高219.0 m，填筑过程中受参建单位更换影响，出现过数次停工情况，其填筑过程有别于一般连续填筑的面板堆石坝。目前江坪河水电站已顺利下闸蓄水，有必要对江坪河面板堆石坝的监测设计和监测资料进行梳理，总结大坝及面板在填筑过程中的特性，以供对照参考。

1 工程概况

江坪河混凝土面板堆石坝坝顶高程476.0 m，坝顶宽10.0 m，坝顶长度415.0 m，最大坝高219.0 m，建基面最低高程257.0 m。大坝上游坡比为1∶1.4，下游综合坡比为1∶1.4，局部坡比1∶1.36。大坝自上游至下游依次为盖重区1B、上游铺盖区1A、石粉1AⅠ、趾板、面板、垫层区2A、特殊垫层区2B、过渡区3A、堆石区3B、干砌石护坡、下游面板、下游压重区。大坝防渗体系主要由混凝土趾板、混凝土面板、面板接缝止水、趾板下灌浆帷幕和两岸坝肩灌浆帷幕组成。

大坝于2010年8月开始填筑，至2011年10月全断面填筑至375.0 m高程，后因故停工。2015年11月大坝复工，至2016年10月全断面填筑至390.0 m高程，期间完成一期混凝土面板浇筑，之后暂停施工。2017年6月开始恢复大坝填筑，2018年8月填筑至463.4 m高程之后停止大坝填筑。2018年11月至2019年4月浇筑二期面板。2019年5月大坝主体恢复填筑，至2019年6月填筑至防浪墙底部472.0 m高程，完成全部大坝主体填筑。2019年10月至2020年1月浇筑三期面板。

2 监测设计

2.1 监测断面选取

根据江坪河水电站面板堆石坝的变形特点，坝址区地形地质条件、大坝高度和长度等因素，结合三维有限元计算分析成果，选取大坝重点监测区域设置3个监测断面，主要监测断面1-1(坝L0+010.000)位于最大坝高处，辅助监测断面2-2(坝L0+060.000)、3-3(坝R0+050.000)位于两岸岸坡地形突变处。

2.2 坝体表面变形监测

表面变形测点为水平位移与垂直位移共用测点，布置于坝顶与坝后坡。

坝顶表面变形测点在坝顶上下游结合3个监测断面以约50 m为间距布设，共计14个测点。

坝后坡表面变形测点分布在1-1～3-3监测断面上，对应各高程水管式沉降仪观测屏布置，兼顾提供坝体内部位移观测绝对基准，此外，在2-2、3-3监测断面下部高程340.0 m马道各设1测点，共计13个测点。

坝后坡测点同坝顶测点组合构成3个完整表面位移监测断面。

图1 最大坝高断面水管式沉降仪测点布置示意

2.3 坝体内部变形监测

大坝内部沉降监测采用水管式沉降仪观测系统，其测点和测线沿垂直坝轴线水平分层布置。根据面板堆石坝的变形特点，在主要监测断面(1-1)分5层布置(详见图1)；辅助监测断面(2-2)共布置3层，高程374.0 m布置 5个测点，高程406.0 m布置 6个测点，高程438.0 m布置 4个测点；辅助监测断面(3-3)共布置3层，高程374.0 m布置8个测点，高程406.0 m布置 6个测点，高程438.0 m布置 4个测点，相同高程辅助监测断面的测点分布与主要监测断面一一对应。每层测点的下游坝坡处设置观测房，最靠上游测点位于面板下方混凝土垫层料内，其余位于堆石区内。

垂直坝轴线方向的水平位移观测，采用引张线式水平位移计进行，除2-2监测断面根据地形布置二层外，其余测点和测线的布置与坝体堆石区内的沉降测点和测线一一对应，共计布置10条水平测线，58个测点，并且与之同时进行观测，观测房与水管式沉降监测系统合用。

为了监测左、右岸坡突变处大坝填筑料沿坝轴线方向产生的侧向位移，分别沿坝轴线坝0+000.00 m及坝0- 060.00 m处布置土位移计组，在左、右岸坡各布置2～4组，共计10组，每组3支位移传感器。

2.4 混凝土面板工作性态监测

根据混凝土面板结构特点以及地质地形条件，选择受拉、受压不同应力区及不同长度部位的混凝土面板为主要监测对象，并结合监测断面布置测点。

混凝土面板应力监测包括面板钢筋混凝土的应力应变和钢筋应力等。 混凝土的应力应变采用应变计组配合无应力计进行监测，钢筋应力采用钢筋计进行监测。主要布置在最大坝高及坝肩处等可能产生较大应力的混凝土面板上，分4～6层进行布置。

混凝土面板周边缝附近的坝料填筑与坝基岩面的接合处是碾压施工的最薄弱部位，易于变形引起渗漏，也是大坝监测的关键。为监测面板上周边缝的张开、错动和垂直于面板的沉降，沿左、右岸周边缝设置三向测缝计，共计13组。另外，考虑河谷基本对称，河床中部周边缝错动位移不大，在该处设1组二向测缝计。

根据混凝土面板两岸的布置和已有资料，分别在两岸宽、窄面板之间的伸缩缝上沿不同的高程布置单向测缝计，并在高程438.0 m两岸(窄面板区)的伸缩缝上分别布置2～3支测缝计，用以监测两岸面板伸缩缝的张拉与挤压变形。

为了解河床部分面板之间的挤压和剪切变形状态，分别在河床中部及河床两岸陡坡区的最长混凝土面板之间沿不同高程布置单向测缝计，对其进行监测。

为全面清晰地掌握大坝混凝土面板挠曲变形的特点和规律，在1-1、2-2和3-3监测断面面板表面安装固定式倾角计，共计31套(其中1-1监测断面13套、2-2监测断面10套、3-3监测断面8套)。

3 坝体沉降监测资料分析

3.1 310.0 m高程的沉降变形

310.0 m高程各水管式沉降仪测点从2011年4月10日开始观测，此时大坝上游侧已填筑至375.0 m高程。

各测点复工前的沉降在13～792 mm之间，最大沉降值为已填筑坝高的0.67%；蓄水前的沉降量在102～875 mm之间，最大沉降值为已填筑坝高的0.42%。纵向桩号“坝0+103.3”处的SG1a-10测点沉降最大，该测点位于坝体下游中部。

从SG1a-10测点的总沉降量组成来看，在停工后10个月内该测点的沉降量为685.9 mm，是当时已填筑坝高的0.58%，已占蓄水前总沉降量的80%。由此可见，该测点沉降量的绝大部分已经在停工后10个月内形成。类似地， 310.0 m高程各测点沉降量绝大部分均在2015年11月复工前形成，复工后到蓄水前各测点沉降量增加值在65～90 mm，呈均匀沉降特征，月平均沉降量1.8～2.6 mm。这说明310.0 m高程以下填筑体经长期停工自然沉降后，其变形性能较均匀。

3.2 342.0 m高程的沉降变形

342 m高程各水管式沉降仪测点从2011年11月16日开始观测，此时项目已停工，除坝后局部，大坝已全断面填筑至375 m高程。

各测点复工前的沉降在191～667 mm之间，最大沉降值为已填筑坝高的0.57%；蓄水前的沉降量在315～790 mm之间，最大沉降值为已填筑坝高的0.38%。纵向桩号“坝0- 038.7”处的SG1b-5测点沉降最大，该测点位于坝轴线偏上游处。

从复工前和蓄水前沉降量比较分析可知，复工前沉降量占目前总沉降量的61%～85%。即，342.0 m高程各测点沉降量大部分均在复工前形成，复工后各测点沉降量增加值在101～135 mm，呈均匀沉降特征，月平均沉降量在2.8～3.8 mm。这说明342.0 m高程以下填筑体经长期停工自然沉降后，其变形性能较均匀。

3.3 374.0 m高程的沉降变形

高程374.0 m各水管式沉降仪测点是在坝体自然沉降超过4年后取得基准值进行的观测，停工期间的自然沉降量缺失，首次观测时间为2017年7月20日。

沉降主要随坝顶填筑高程的上升而增大，蓄水前实测沉降在101～298 mm之间，各测点平均沉降为206 mm。桩号“坝0+001.2”处的SG3a-5测点沉降最大，该测点位于坝体中部。

大坝填筑复工时，由于375.0 m高程以下坝体沉降绝大部分已经完成，对于375.0 m高程以上的坝体，相当于以375.0 m高程为基础填筑的。就坝体沉降变形而言，相当于老坝加高，其沉降分布特点不同于连续填筑的面板堆石坝。由于停工期间的自然沉降未叠加于上部坝体填筑的沉降量；因此，停工将造成375.0 m高程以上坝体沉降小于连续填筑的堆石坝沉降。

3.4 406.0 m高程的沉降变形

406.0 m高程各水管式沉降仪测点从2018年3月开始观测。蓄水前， 各测点实测沉降在70～568 mm之间，桩号“坝0- 089.5”处的SG1d-1测点沉降最大，该测点偏向上游。

3个监测断面各测点月沉降量总体呈减小趋势，蓄水前406.0 m高程各测点的平均月沉降约3 mm。坝中各测点累积沉降量及沉降速率均大于坝左、坝右相应测点。

从二期面板开始浇筑以来至蓄水前的监测数据来看，左、右岸垫层附近的测点(SG2b-1、SG3b-1)沉降增量分别为12 、7 mm，折合到1个月的沉降量已不足2 mm，中部垫层测点(SG1d-1)沉降增量为18 mm，折合到1个月的沉降量小于3 mm。

3.5 438.0 m高程的沉降变形

438.0 m高程各水管式沉降仪测点从2018年6月开始观测。蓄水前，高程438.0 m各测点实测沉降在70～278 mm之间，桩号“坝0+001.2”处的SG3c-3测点沉降最大，该测点位于坝体中部。

3个监测断面各测点沉降速率呈逐月减小趋势，蓄水前高程438.0 m各测点的平均月沉降约4 mm。

4 面板变形与应力监测资料分析

4.1 竖缝变形

蓄水前，实测面板竖缝变形主要显示为张开，大小与温度负相关。各竖缝变形测点最大张开变形为4.52 mm，最大压缩变形为0.65 mm,面板竖缝变形处于正常状态。

4.2 挠变形

通过比较上游铺盖填筑前、后安装于最大坝高断面面板倾角计的测值变化，进而换算出面板的挠度增量，以了解上游铺盖加载过程对面板变形的影响。上游铺盖填筑前、后面板挠度增量分布情况见图2。

图2 最大坝高断面面板挠度实测值与计算值对比

由图2可知，铺盖填筑后，在290.0 m高程附近的面板出现明显的下凹变形分布，最大挠度增量为15.95 mm；二期面板以下范围内从350.0 m高程附近开始，面板呈现上凸变形分布，最大挠度增量为6.19 mm，变形分布符合一般变形规律。

4.3 钢筋应力

实测面板钢筋应力基本显示为受拉，受拉应力大小与温度负相关。钢筋受压极值55.1 MPa，位于左1块面板310.0 m高程的底层钢筋处，出现在2018年8月19日；受拉极值65.1 MPa，位于右4块面板342.0 m高程的表层钢筋处，出现在2016年12月27日。

5 结 语

就坝体沉降变形而言，本工程相当于老坝加高，其沉降分布特点不同于连续填筑的面板堆石坝，最大沉降量小于类似工程，沉降过程中存在的局部不均匀沉降现象蓄水前已经消除。

至蓄水前，一、二期面板钢筋处于正常受力状态，应力测值与温度呈负相关关系。一、二期面板竖缝变形亦处于正常状态。

上游铺盖填筑期间，一、二期面板挠度增量表现为在290.0 m高程附近下凹，从350.0 m高程附近开始呈现上凸的变形分布，与竣工期面板挠度计算值的分布基本相同。

综上所述，大坝填筑期间的停工过程对坝体变形控制是有利的。