面板堆石坝实测沉降变形性态研究

杜雪珍，张 猛，朱锦杰

(1.国家能源局 大坝安全监察中心，浙江 杭州 311122； 2.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

近年来，随着水电资源的开发利用，堆石坝在水电工程坝型中的应用越来越广泛，尤其是面板堆石坝。面板和堆石体的协调变形直接影响大坝安全与稳定，因此堆石体的沉降变形控制是关键。目前堆石体沉降变形的量值范围在《混凝土面板堆石坝设计规范》《土石坝安全监测技术规范》中均无明确的量化指标，行业内也缺少系统、深入的研究。因此，高坝大库施工期及运行期堆石体沉降变形的量值范围及变化规律研究对大坝安全建设与运行管理具有重要意义。

1 沉降原理

混凝土面板堆石坝的堆石体在外荷载和自重作用下，填筑体中大小石料发生移动、达到新的平衡，填筑料颗粒间的相互接触点受压力作用使颗粒局部破碎，充填到空隙中，导致堆石体积缩小；发生降雨时，上部填筑料中的碎石在水流作用下充填到下部填筑料的空隙中去，也会造成堆石体积减小和沉降。此外，由于填筑料质量不好、风化较严重，其在压力作用下发生破碎，会使堆石体发生变形。因此，面板堆石坝必然会产生沉降变形。坝体变形较大时，将导致面板与坝体间变形不协调、面板与垫层料间易脱空或面板开裂等现象，危及大坝的安全[1-2]。

根据大坝运行时段，堆石体沉降可分为施工期沉降和运行期沉降。施工期沉降主要由填筑碾压和堆石的蠕变引起，可为施工期面板浇筑时间选择提供依据；运行期沉降则在此基础上还受水压和中后期堆石蠕变影响[3]。

2 沉降变形观测方法及布置

面板堆石坝沉降变形包括表面沉降和坝体内部沉降两种。表面沉降一般采用几何水准法或三角高程法观测，测点一般布置在上游面板、坝顶上、下游侧，以及坝后坡1/3，1/2，2/3坝高处或附近马道上。坝体内部沉降一般采用水管式沉降仪进行观测，测点一般布置在最大坝高断面的1/3，1/2，2/3坝高处，及最大坝高断面两侧典型断面的1/2和2/3坝高处；此外，在观测层面坝后坡位置建立观测房并布置沉降测点，以便换算坝体内部沉降的绝对值。

3 沉降变形性态分析

取水布垭、天生桥一级、天荒坪下库等23座国内已建面板堆石坝的沉降变形监测成果进行统计分析[4]，结合国内现有的研究成果[5-6]，了解大坝的沉降变形规律及工作性态。

3.1 实测数据统计

3.1.1 坝体内部沉降

如图1所示，坝高100 m以上的大坝坝体施工期沉降量为163～2 953 mm，平均为1 096.3 mm；大坝坝体总沉降量(观测12 a以上)为286～3 663 mm，平均1 458.5 mm。坝高100 m以下的大坝坝体施工期沉降量为264～1 162 mm，平均624.6 mm；大坝坝体总沉降量(观测15 a以上)为389～1 492 mm，平均900.8 mm。由此可知，坝体施工期沉降量和总沉降量与坝高有密切的关系。

图1 坝体内部沉降量Fig.1 Internal settlement of dam body

施工期坝体内部沉降量与总沉降量的比值为42.8%～97.4%，其中比值大于60%的约占总统计数量的78%，可见坝体内部沉降主要发生在施工期；施工期沉降变形较大，而运行期沉降较小。

施工期坝体内部沉降量与坝高的比值为0.1%～1.7%，平均为0.7%，且大部分在1%以内，见图2。结果表明：百米级面板堆石坝施工期最大沉降量一般在坝高的1%以下；如超过1%，则属偏大；超过2%，则属过大。

图2 施工期坝体内部沉降量与坝高的比值关系Fig.2 Ratio relationship between internal settlement of dam body and dam height during construction

3.1.2 坝顶表面沉降

因坝体填筑到顶后修建的临时位移测点资料不全，故大多数工程采集到的运行期坝顶沉降量为坝顶永久变形观测墩测值。如图3所示，坝高100 m以上的大坝运行期(观测11 a以上)坝顶沉降量为40～644 mm，平均为278.5 mm；坝高100 m以下的大坝运行期(观测14 a以上)坝顶沉降量在40～321 mm 间，平均177.2 mm。由此可知，坝顶运行期沉降与坝高及运行时间有密切的关系。

图3 坝顶运行期沉降量与坝高关系Fig.3 Relationship between dam crest settlement and dam height during operation

坝顶运行期沉降量与坝高的比值在0.03%～0.35%间，平均为0.19%，大部分在0.3%以内，见图4。

图4 坝顶运行期沉降量与坝高的比值关系Fig.4 Ratio relationship between dam crest settlement and dam height during operation

3.2 分布规律

3.2.1 时间分布规律

施工期坝体内部沉降主要受坝体高度、填筑料抗压强度、碾压设备等影响。大坝坝体在填筑碾压过程中沉降最快，且坝体填筑越高、沉降量越大；沉降量随时间延长而增加，但蠕变分量一般小于填筑分量；因此，填筑高度是影响坝体沉降的首要因素，但蠕变的影响也不可忽略。典型工程(天生桥一级水电站)坝体内部沉降、坝体填筑高程、库水位相关曲线见图5。

图5 典型工程坝体内部沉降与坝体填筑高程、库水位相关曲线Fig.5 Correlation curves between internal settlement of dam body of typical projects，elevation of dam filling and water level of reservoir

运行期影响坝体变形的主要因素为水压和堆石体的中后期蠕变，温度变化对堆石体的影响较小。水库蓄水后，库水位对坝体沉降有一定的影响，但水库蓄水的影响较弱。在水压和蠕变过程中，水压影响相对稳定，蠕变量随时间增长而增加，并根据位置和水库蓄水过程不同而变化。随着运行年数的增长，沉降速率逐年减少，最终趋于稳定。典型工程坝顶永久观测墩测点沉降过程线[7]见图6。

图6 典型工程坝顶表面沉降测点过程线Fig.6 Process line of measuring points for dam crest surface settlement of typical projects

3.2.2 空间分布规律

坝体内部沉降受坝体填筑影响，每个观测层面的起测日不一致，一般中、下部大于上部，最大一般位于1/2～1/3坝高处。由于填筑密实度差异，一般情况下，上游区的密实度大于下游区，若采用统一基准日，则分布规律大致表现为：在同一横断面，大坝最大沉降量位于1/3～2/3坝高范围内，且上游侧大于下游侧；典型工程坝体内部沉降分布[8]见图7。

图7 典型工程坝体内部沉降分布Fig.7 Internal settlement distribution of typical dam body

大坝表面沉降分布规律一般为：河床中部大于两岸；受两岸地形条件影响，左右岸沉降大小差异较明显。典型工程(天荒坪下库大坝)[9]沉降分布见图8。

注：以1998年5月16日为基准值；括号外为沉降历史最大值；括号内为2012年12月24日沉降测值。图8 典型工程表面沉降分布(单位：mm)Fig.8 Typical engineering surface settlement distribution

3.3 影响因素分析

堆石体沉降量主要与坝高、堆石材料、施工和地形等有关，其中坝高和堆石材料为主要影响因素。

3.3.1 坝高

堆石体沉降量与坝高呈正比，坝体越高，坝体堆石厚度越大，沉降变形也越大。但坝高并不是影响沉降大小的唯一因素，如：坝高178 m的天生桥一级大坝施工期沉降量为2 953 mm，明显大于坝高179.5 m的洪家渡大坝(沉降量814 mm)；坝高92 m的天荒坪下库大坝施工期沉降量为1 059 mm，明显大于坝高93.8 m的万安溪大坝(沉降量639 mm)等。因此，沉降量大小还受其他因素影响。

3.3.2 堆石材料

面板堆石坝由面板、垫层和堆石体组成，堆石体所占的比重最大，且百米级面板堆石坝对筑坝材料要求相对较低，除硬质岩外，强、弱风化岩等抗压强度较低的软质岩也可做坝料，故坝体的变形与堆石体的材料特性密切相关，主要在岩石的抗压强度、风化程度等方面[9-10]。

(1) 岩石的抗压强度。岩石根据其抗压强度分为坚硬岩(抗压强度60 MPa以上)、中硬岩(抗压强度30～60 MPa)和软岩(抗压强度30 MPa以下)。以砂砾石、石英岩等坚硬岩为主要堆石填料的堆石坝，变形相对较小，如坝高162 m的滩坑大坝，其坝体中部为砂砾石料，抗压强度为110 MPa，施工期最大沉降量与坝高的比值为0.4%。以玄武岩、花岗岩、安山岩、流纹岩、凝灰岩、砂岩等中硬岩为主要堆石填料的堆石坝，变形稍大，如坝高80.8 m的松山大坝，其堆石体岩性为安山岩和条状玄武岩，抗压强度大于40 MPa，施工期最大沉降量与坝高的比值为0.6%。以石灰岩、板岩、泥质页岩等软质岩为主要堆石填料的堆石坝，变形较大，如坝高150 m的董箐大坝，其堆石体岩性为砂泥岩料，部分填筑料抗压强度小于30 MPa，施工期最大沉降量与坝高的比值为1.2%。因此，抗压强度高的坚硬岩碾压变形量、变形与坝高比值较小，中硬岩稍大，软岩较大。

此外，填筑料岩性相同、抗压强度相近的大坝，其沉降量与坝高的比值也相差较大，如芹山、桐柏下库、三板溪、天荒坪下库大坝，主堆石区筑坝材料均为凝灰岩，相应变形量与坝高的比值见图9。天荒坪下库坝的沉降量与坝高的比值明显大于其余3座坝，可见除坝高和岩石的抗压强度外，沉降变形还受其他因素影响。

图9 国内部分已建面板坝变形量与坝高比值比较Fig.9 Comparison of deformation and dam height ratio of some built concrete face dams in China

(2) 岩石的风化程度。坝体填筑料的风化程度越深，其抗压强度越低、越易破碎，风化岩在自重和降雨等作用下，岩石碎块充填到下部堆石体空隙中，使堆石体积缩小。堆石体风化程度越高，堆石体体积缩小越明显，变形量越大。

3.3.3 施 工

堆石体变形的大小与堆石填筑施工有关，主要包括填筑层铺料厚度、堆石填筑顺序、施工质量、碾压加水情况、碾压机具和遍数等[9-10]。

(1) 填筑层铺料厚度。大多数面板堆石坝主堆石区的铺层厚度为60～80 cm，次堆石区铺层厚度为80～120 cm。如果堆石铺层太厚，则不易碾压密实，堆石体变形就较大。如天荒坪下库大坝主堆石区铺层厚度为80 cm，次堆石区铺层厚度为160 cm，略偏大，故其变形较类似的工程大。

(2) 堆石填筑顺序。主次堆石填筑一般采用全断面上升法，但因实际施工时，很多工程为抢工期，填筑不规范，导致上、下游堆石体不能均衡上升，次堆石区与主堆石区高差太大，最终导致坝体变形不均，特别是主、次堆石结合部位，对坝体填筑整体性造成一定的影响，后期变形也较大。

(3) 施工质量。堆石变形大小与施工质量关系密切，若填筑过程中，出现粗、细料过于集中、超层厚、对新老填筑接触带形成的高差和接触面处理不到位、漏碾压等现象，则会造成堆石碾压效果不佳，进而导致变形量过大。

(4) 碾压加水情况。在堆石填筑碾压过程中，加水是为了湿化、软化材料，减低堆石料的抗压强度；适当洒水能润滑和软化堆石料，在压力作用下破碎的填筑料更易充填到下部堆石体空隙中碾压密实，特别是对软岩。

(5) 碾压机具和遍数。堆石区选用的碾压机具及碾压遍数合理，堆石体越易碾压密实，后期变形越小、稳定时间越短。

3.3.4 地 形

堆石体变形与地形条件关系密切。河谷有宽河谷和窄河谷之分，其中，宽高比大于3.1或谷形系数大于2.6的河谷属于宽河谷；其余河谷属于窄河谷。对于堆石坝而言，坝顶沉降量与沉降率受河谷形态影响，两岸岸壁对堆石坝体存在拱效应，而削弱拱效应的影响需要经历更长的时间，故拱效应的作用主要是延长沉降过程，而不会减小沉降量。

4 结 论

通过对面板堆石坝沉降变形的统计及分析，可以得出以下结论。

(1) 堆石体沉降量大小与坝高、填筑体的抗压强度、施工工艺、施工质量密切相关。坝体高、筑坝材料抗压强度低、施工质量差的面板堆石坝沉降量较大。

(2) 应重视施工期沉降变形监测，分析判断大坝变形是否在设计允许范围内、评价施工质量，为选定面板施工最佳时期提供依据。

(3) 重视运行期变形监测特别是坝顶沉降变形监测，并根据变形速率评价大坝运行性态，为由沉降变形引起的面板、防浪墙破损修复的时间选择提供依据。