某水库混凝土面板堆石坝施工期被动挡水后坝体结构分析

何涛洪，曾 旭，张全意，周秋景

(1.遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

1 工程概况

某水库工程任务是城市及工业供水，设计年总供水量1570万m3。水库正常蓄水位为885.00m，校核洪水位889.18m，总库容966万m3，工程规模为小(1)型。水库大坝枢纽主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、左岸开敞式不设闸侧槽溢洪道、右岸取水(兼放空)隧洞。大坝坝顶高程890.00m，河床段趾板基础高程830.00m，最大坝高60.0m，坝顶宽度8.0m，坝顶长度199.0m。大坝上游坝坡1∶1.4，下游单级坡坝1∶1.4，分别在869.00m高程和849.00m高程设2.0m宽马道，下游坝坡综合坡比1∶1.468，最大坝底厚度171.93m。

该水库工程导流隧洞开挖和大坝基础开挖分别于2015年7月和2015年10月动工，2015年11月24日截流验收，2016年1月11日大坝基础验收。大坝被动挡水前形象面貌为：上游混凝土挤压边墙、垫层区及过渡区填筑高程837.00m，部分主堆石区及下游堆石区填筑高程848.00m；下游截流墙实施完毕，墙顶高程836.00m，量水堰底部高程835.00m。2016年3月7日22:30水库工程区开始下雨，2016年3月8日凌晨1:55河水位骤然上涨，随后漫过上游围堰顶部高程845.50m，凌晨2:45涨至上游最高水位845.80m，凌晨3:15下游坝面837.93m高程出现渗水。洪水过程及退水后照片如图1—4所示。

图1 2016年3月8日10:37大坝上游现场照片

图2 2016年3月11日10:49退水后大坝上游现场照片

图3 2016年3月8日7:00大坝下游坝面照片

图4 2016年3月8日10:27大坝下游渗水照片

施工现场记录资料表明：在这次洪水过程中坝体下游坡脚出水点分布均匀，为散浸状，未见大的集中渗漏点，水质清澈透明。洪水退去后，经现场查看，除大坝下游坝面渗水出逸点存在局部淘刷外，下游坝脚至截流墙及截流墙至下游围堰之间均未见坝体颗粒被带出。

2 大坝结构设计

大坝趾板及面板均采用C25混凝土浇筑，趾板厚0.5m，宽5.0m。面板按12.0m等宽进行垂直分缝，共15条。坝体分区从上游到下游依次为上游盖重区(1B)，顶部水平宽5.0m，顶部高程848.00m；上游铺盖区(1A)，顶部水平宽2.5m，顶部高程846.50m；混凝土面板(F)，均厚0.45m；特殊垫层料(2B)，位于面板与趾板的周边缝部位，底部宽4.0m，下游侧坡比1∶0.5；垫层区(2A)，水平宽3.0m；过渡区(3A)，水平宽4.0m；主堆石区(3B)，上游坡比1∶1.4，下游坡比1∶0.2；下游堆石区(3C)，顶部高程875.00m，大坝剖面图如图5所示。结合现场碾压试验数据，坝体各分区材料填筑要求和特性指标见表1。

3 施工期被动挡水后坝体结构分析

3.1 坝体垫层料、过渡料挖坑检测试验成果

大坝填筑施工过程中，分别对835.20m、836.40m、837.20.m高程垫层料和过渡料进行挖坑检测，试验成果详见表2—4。

3.2 被动挡水后垫层料、过渡料渗流计算分析

由于大坝下游截流墙已实施完毕，墙顶高程836.00m，量水堰底部高程835.00m。大坝被动临时挡水时，835.00m高程以下为静水，不会产生渗透破坏。故渗流分析只针对已填筑的835.00～837.00m的垫层料和过渡料。

大坝上游最高水位845.80m，下游坝面最高出逸点高程837.93m，最低排泄面为835.00m。故最大上下游水头差H=845.80-835.00=10.8m，量算垫层料渗流长度L1=158.27m，过渡料渗流长度L2=155.27m，计算得垫层料渗透比降J1=H/L=10.8/158.27=0.068，过渡料渗透比降J2=H/L=10.8/155.27=0.07。

根据参考文献[2]附录G，不均匀系数采用下式计算：

(1)

式中，Cu—不均匀系数；d60—小于该粒径的含量占总重60%的颗粒粒径，mm；d10—小于该粒径的含量占总重10%的颗粒粒径，mm。

表1 材料分区特性表[1]

图5 大坝剖面设计图

表2 835.20m高程垫层料、过渡料挖坑检测试验成果

表3 836.40m高程垫层料、过渡料挖坑检测试验成果

表4 837.20m高程垫层料、过渡料挖坑检测试验成果

结合垫层料挖坑检测试验的颗粒级配曲线，d60=14.23mm，d10=0.28mm，过渡料挖坑检测试验的颗粒级配曲线，d60=35mm，d10=1.8mm。经计算，垫层料的不均匀系数Cu=50.82，过渡料的不均匀系数Cu=19.44。根据参考文献[2]附录G查表得，管涌型、流土型允许渗透比降：管涌型J允许=0.15～0.25；流土型J允许=0.5～0.8。垫层料、过渡料渗透比降均小于管涌型、流土型允许渗透比降。故本工程大坝在施工期临时被动挡水过程中，垫层料和过渡料均未产生渗透破坏。

4 被动挡水后的处理措施

根据大坝施工期被动挡水后坝体结构分析结论，2016年3月9日上午11:00开始对基坑集水进行抽排，采用9台水泵同时排水，单机功率18.5kW，每台排水量160m3/h。于2016年3月11日凌晨2:30上游基坑集水水位降至830.50m，历时39.5h，共计排水约56880m3。采用人工配合装载机、挖机清除水淹区域坝体及岸坡淤泥(厚度0～10cm)，清除表层坝体填筑料。对被冲毁上游围堰顶部，采取每层铺筑50cm，振动碾碾压6遍，重新填筑恢复至845.50m高程。防渗体采用粘土填筑，两侧采用石渣填筑，迎水面采用抛大块石护坡。随后复工，继续进行坝体填筑。

5 大坝安全监测成果

本工程坝体于2016年1月21日开始填筑，2016年8月24日填筑至坝顶高程，于2017年5月下闸蓄水，2017年11月28日蓄满溢洪运行。

5.1 大坝渗压、渗流监测成果

大坝基础共埋设渗压计5支。大坝基础渗压计P1埋设在帷幕前，渗压计测值受库水位变化较明显。其余渗压计测值稳定，变化不大。大坝基础渗压监测成果见表5。大坝基础渗压计与库水位变化过程曲线如图6—10所示。

图6 大坝基础渗压计P1水位高程与库水位变化过程线

图7 大坝基础渗压计P2水位高程与库水位变化过程线

图8 大坝基础渗压计P3水位高程与库水位变化过程线

图9 大坝基础渗压计P4水位高程与库水位变化过程线

表5 大坝基础渗压计监测成果统计表

图10 大坝基础渗压计P4水位高程与库水位变化过程线

大坝下游设置量水堰，量水堰渗水量较小，渗流量在允许范围内。量水堰渗流量及库水位变化过程线如图11所示。

图11 量水堰渗流量与库水位变化过程线

5.2 大坝变形监测成果

大坝内部变形监测断面设置在桩号坝横0+100.45处，水平位移采用引张线式水平位移计监测，垂直位移采用水管式沉降仪监测。在监测断面850.00m高程布置4个测点，870.00m高程布置2个测点，共6个测点。引张线式水平位移计5套，水管式沉降仪各6套。大坝850.00m高程坝体沉降观测成果见表6，大坝850.00m高程坝体沉降位移分布曲线如图12所示。

表6 大坝沉降(850.00m高程)观测成果表

图12 大坝沉降仪(850.00m)沉降位移分布曲线图

大坝870.00m高程坝体沉降观测成果详见表7，大坝870.00m高程坝体沉降位移分布曲线如图13所示。

表7 大坝沉降仪(870.00m)观测成果表

图13 大坝沉降仪(870.00m)沉降位移分布曲线图

大坝850.00m高程坝体水平位移观测成果见表8，大坝850.00m高程坝体水平位移过程线如图14所示。

大坝870.00m高程坝体水平位移观测成果见表9，大坝870.00m高程坝体水平位移过程线如图15所示。

大坝内部变形监测成果表明，850.00m高程：目前最大累计沉降量为206.6mm，年度变化量为-1.3mm，位于坝轴线附近的SG3(纵上0+001.24)，其余测点沉降变化量不明显。水平位移计3个测点位移量不大，SE1、SE2表现为向上游位移，SE3位移不明显；870.00m高程：目前最大累计沉降量为118.4mm，年度变化量为0.3mm，位于坝轴线附近的SG6(纵上0+001.24)。水平位移计2个测点位移量较小。

表8 大坝水平位移计(850.00m高程)观测成果表

图14 大坝850.00m高程坝体水平位移过程线图

表9 大坝水平位移计(870.00m)观测成果表

图15 大坝870.00m高程坝体水平位移过程线图

大坝坝顶及下游马道共设置17个综合位移标点。综合位移标点变化不大，最大位移变化范围在-2.9～6.2mm之间，处于正常范围。大坝大坝表面变形监测成果见表10。

大坝面板共设置10支单向测缝计。单向测缝计实测开合度变化很小，当前年度开合度变化范围在-0.14～4.49mm之间，处于正常范围。大坝面板测缝计监测成果见表11。

表10 大坝表面变形监测成果表

表11 大坝面板测缝计监测成果表

6 结语

本文根据现场实际情况，通过理论计算分析和大坝安全监测成果，得出主要结论如下：

(1)坝体垫层料的不均匀系数Cu=50.82，过渡料的不均匀系数Cu=19.44；垫层料渗透比降J1=0.068，过渡料渗透比降J2=0.07，均小于管涌型、流土型允许渗透比降；大坝在施工期被动挡水过程中，垫层料和过渡料均未产生渗透破坏。

(2)大坝基础渗压、坝体渗水量、沉降量、水平位移量、表面变形和面板接缝开合度均在正常测值范围，大坝处于安全稳定状态。采取的尽快复工和安全度汛的工程处理措施得当。