面板堆石坝深厚覆盖层安全监测资料分析——以宁海县西林水库为例

陈晓华，吴春晖，丁 玮，陆阳洋

（1.宁海县水库管理中心，浙江 宁海 315600；2.宁海县镇乡水利服务总站，浙江 宁海 315600；3.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210006；4.南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏 南京 210029）

1 问题的提出

在深厚覆盖层上建坝的原因主要有：减少投资和加快工期；满足水保、环保的需要；坝基覆盖层太过深厚，不可能将其完全挖除后在基岩上建坝[1]。无论是哪种情况，在深厚覆盖层上建坝一直是水利水电工程界需要解决的重点技术问题之一[1]。与基岩不同，深厚覆盖层的岩层不连续，结构松散，岩性变化显著，成因类型较复杂，物理力学性质不均匀，工程地质条件差[2]，容易产生不均匀沉降和坝基渗漏等问题，因此国内外在深厚覆盖层上建起的水库大坝数量并不是特别多[3]，监测资料也较少。本文以建在深厚覆盖层上的西林水库大坝为研究对象，针对深厚覆盖层上的面板堆石坝覆盖层沉降和坝基渗流安全监测资料进行分析，为其他类似工程深厚覆盖层处理提供参考。

2 工程概况

宁海县西林水库位于宁海县茶院溪支流西林坑上游，坝址位于宁海县茶院乡。水库由大坝、有闸溢洪道、泄洪供水洞、电站等主要建筑物组成，是一座以防洪、供水、灌溉为主，结合发电等综合利用的中型水库。水库总库容1 365万m3，电站装机容量400 kW；工程等别Ⅲ等，主要建筑物为3级建筑物[4-6]。

西林水库大坝为面板堆石坝，建立在深厚覆盖层之上，主断面覆盖层厚度为32.70 m，大坝坝顶高程71.40 m，最大坝高53.60 m。在上游坝趾板下方采用全封闭混凝土垂直防渗墙进行防渗，防渗墙嵌入弱风化岩层1.00 m。大坝自2016年8月开始填筑，于2017年9月底填筑至静碾区底部高程，2018年6月完成面板的浇筑，2018年12月开始蓄水，2019年5月大坝填筑至坝顶高程。

西林水库坝址区分布地层为侏罗系上统西山头组晶屑熔结凝灰岩和第四系松散层，两岸坝基岩石风化相近。左岸全风化带厚0.50~1.00 m，强风化带厚0.20~0.30 m，弱风化带厚6.40~14.50 m；河床强风化带厚0.20~1.20 m，弱风化带厚0.50~8.70 m；右岸全风化带厚0.00~1.20 m，弱风化带厚6.00~11.20 m。河床趾板置于砂砾卵石层上，两岸岸坡趾板置于弱风化岩石上，并进行固结灌浆。砂砾卵石覆盖层各物理力学参数为：密度ρ=2.10 g/cm3，摩擦角φ=35°，压缩模量Es=38~40 MPa，渗透系数k=2.5×10-4cm/s，允许水力坡降J允=0.1，承载力值fk=200~250 kPa。

3 安全监测仪器布置主要情况

西林水库大坝安全监测于2016年3月开始，有比较完善的安全监测资料，现已开展的监测项目主要包括：覆盖层坝基沉降监测、坝体沉降监测、坝体水平位移监测、坝基渗流压力监测、防渗墙应变监测、防渗墙水平位移监测、面板垂直缝变形监测、面板周边缝变形监测、面板温度监测、大坝表面变形监测、绕坝渗流监测等项目。共完成各类仪器安装埋设132支（台、套），其中应变计16支，无应力计8支，坝基覆盖层沉降仪10支，渗压计22支，温度计8支，脱空计6组，坝脚测压管+渗压计组合8套，防渗墙固定式测斜仪10支，水管式沉降仪8套，水平位移计4套、单向测缝计14支，二向测缝计6组（12支），三向测缝计6组（18支），绕坝渗流测压管+渗压计6套，表面变形测点30个。观测设备布置平面见图1，主要监测断面见图2~3。本文主要对坝基覆盖层沉降和坝基渗流观测数据进行分析。

图1 大坝安全监测设施平面布置图 单位：m

图2 0+163 m断面监测仪器布置图 单位：m

图3 0+208 m断面监测仪器布置图 单位：m

4 监测成果分析

4.1 覆盖层坝基沉降观测

本工程采用断面电位式沉降仪对坝基覆盖层沉降进行观测，共设置2个坝基覆盖层沉降观测断面，分别为断面0+163 m和断面0+208 m。0+163 m断面坝基覆盖层厚约30 m，0+208 m断面坝基覆盖层厚约15 m。每个断面分别布设5个坝基沉降测点，测点全部布设于坝基开挖面上，编号从上游往下游分别为BG1~BG5和BG6~BG10，具体位置见图2~3。

坝基覆盖层沉降过程线见图4~5。由图4~5可知，各测点沉降测值与测点上部坝体填筑过程密切相关。填筑初期，随坝体填筑高程增加，坝基覆盖层各测点部位沉降逐渐增大。2017年3月后，坝体填筑高程上升加快，相应地各测点测值迅速增长。至2017年9月，坝体填筑至静碾区底部，填筑高程稳定在68.40 m，各测点测值增速迅速降低，沉降增量均在5 mm以内并逐渐减小，表明覆盖层沉降变形趋于稳定。截至2019年8月，0+163 m断面各测点最大累积沉降量为244.96 mm（BG4测点位置），约为该断面坝基覆盖层厚度的0.82%，约为最大坝高的0.46%，0+208 m断面各测点最大累积沉降量为137.52 mm（BG9测点位置），约为该断面坝基覆盖层厚度的0.91%，约为最大坝高的0.25%。2个断面最大沉降量均小于覆盖层沉降量的技术警戒值（2.00%覆盖深度，1.00%最大坝高），坝基总沉降量正常。同一断面内，位于坝轴线位置的测点（BG4、BG9）测得覆盖层沉降量最大。同时，可以看出靠近右岸坝肩山体的0+208 m断面各测点沉降量明显小于0+163 m断面。

图4 0+163 m断面坝基覆盖层沉降过程线图

综上可以看出，坝基覆盖层沉降数据特点与坝体填筑过程、覆盖层深度、上覆堆石料厚度等吻合。覆盖层的沉降量值在合理范围之内，未超出技术警戒值。

图5 0+208 m断面坝基覆盖层沉降过程线图

4.2 面板周边缝观测

本工程采用6组二向测缝计和6组三向测缝计对面板周边缝进行观测，二向测缝计布置在面板下游底部与趾板交接处，三向测缝计分别布置在面板左右岸与趾板交接处，从左往右分别为SJ1~SJ3、LJ1~LJ6、SJ4~SJ6，具体位置见图1。

对于二向测缝计，每组测缝计一方向为垂直面板方向，另一方向为垂直面板-趾板板间缝方向，三向测缝计分别测量面板与趾板之间的开合度、剪切量和沉降量。面板周边缝变形过程线见图6。由图6可知，二向测缝计所测面板开合度最大值在5 mm以内，测值不大；三向测缝计各测点开合度和剪切量测值均不是很大，且测值也较为稳定，最大开合度6.38 mm（SJ2），剪切量3.35 mm（SJ3）。面板沉降变形量在2018年12月水库蓄水后开始出现变化，主要为SJ2、SJ4出现明显增大，最大沉降值变形为22.06 mm（SJ4），目前测值已基本稳定。

图6 面板周边缝变形过程线图

综上，西林水库面板周边缝测发展情况正常。

4.3 坝基渗流压力观测

本工程中采用钢弦式渗压计对坝基渗流压力进行观测，共设置2个坝基渗流观测断面，即0+163 m断面和0+208 m断面，在每一断面的防渗墙下游及砂砾卵石坝基内各布设8个渗流压力测点（见图2~3）。0+163 m断面的渗压计编号为K1~K8，其中K1~K3位于防渗墙下游侧，K4~K8沿下游方向依次布置；0+208 m断面的渗压计编号为K9~K16，其中K9~K11位于防渗墙下游侧，K12~K16沿下游方向依次布置。

各测点渗压计水位实测过程线见图7~10。由图7~10可看出，2018年12月蓄水之前，坝基各测点孔压水位总体保持稳定，各测点测值基本稳定在21~24 m，由于水库尚未蓄水，测值主要反映了测点部位的地下水位状态。埋设初期具有一定波动，主要由坝体填筑高度有限、外界雨水入渗所致。随着坝体填筑高度增加，各测点测值波动程度降低，实测过程线较为光滑。2018年12月水库蓄水开始后，受水库蓄水影响，位于防渗墙后的各测点测值有所升高，但最大测值32.90 m仍远小于当前蓄水位64.50 m，表明防渗墙工作状态良好，随着蓄水位达到正常库水位，防渗墙后渗压计测值也逐渐稳定。位于坝基下游的各测点测值基本稳定在21~23 m，无较大变化，表明下游排水通畅。

图7 0+163 m断面防渗墙后渗压计水位过程线图

实测的坝基渗透坡降见图11。由图11可知，实测坝基渗透坡降随着库水位变化较明显，这是由于随着库水位上升，防渗墙后的测点孔压水位增加比较明显，而下游出逸点的水位几乎不会随上游库水位的变化而变化。测得的最大渗透坡降为0.034，小于允许的渗透坡降。

图11 坝基实测渗透坡降过程线图

综上所述，坝基渗流压力的监测成果表明，防渗墙防渗效果良好，工作状态正常，坝基下游覆盖层透水性良好。

图8 0+163 m断面渗压计水位过程线图

图9 0+208 m断面防渗墙后渗压计水位过程线图

图10 0+208 m断面渗压计水位过程线图

5 结 语

通过对西林水库大坝坝基覆盖层沉降和覆盖层内渗压计孔压水位的监测数据进行分析，结果表明：

（1）坝基覆盖层的沉降随着筑坝高度的增加而增加；

（2）同样横断面内，越靠近坝轴线的部分，坝基覆盖层沉降越大；

（3）不同横断面之间，越靠近山体的横断面，相对来说坝基覆盖层的沉降越小；

（4）随着蓄水位增加，坝基覆盖层内防渗墙后孔压水位有一定程度增加，而下游位置的孔压水位则变化不大，坝基实测渗透坡降在允许范围内；

（5）深厚覆盖层在经过建坝后一段时间，沉降基本稳定，面板周边缝测值也无异常，其对大坝的影响在可控范围内；

（6）设置防渗墙措施后，能够有效改善深厚覆盖层的渗漏问题。