某抽水蓄能电站特高面板堆石坝及库底回填料内部沉降监测设计及分析

韩荣荣，郑晓红

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州，311122）

0 引言

堆石体沉降量是评判堆石坝施工质量的最重要参数之一，沉降速率是大坝面板能否浇筑的决定性因素[1]。因此，在面板堆石坝各监测参数中，堆石体沉降监测是最重要的监测项目。目前常用的内部沉降监测设备包括：传统的水管式沉降仪、液压式沉降仪和沉降磁环，以及近几年新兴的柔性测斜仪、管道机器人和微芯串等。我国面板堆石坝内部沉降监测采用最多的是水管式沉降仪[2]，在众多水电站工程中都取得了良好的使用效果，为掌握堆石坝的变形情况提供了基础和依据。

1 工程概况

某抽水蓄能工程上水库由主坝、副坝和库周山岭围成。主、副坝坝型均为沥青混凝土面板堆石坝，主坝坝顶高程272.40 m，最大坝高182.30 m，坝顶长度810.00 m，为世界最高的抽水蓄能电站大坝，也是国内最高的沥青混凝土面板堆石坝。库盆为半开挖半回填布置，回填最大高度120 m，是目前国内规模最大的库盆填筑工程。库岸开挖后采用沥青混凝土面板防渗，库底采用土工膜防渗，上水库主坝及库底回填料分布典型断面见图1。

图1 上水库主坝及库底回填区横断面Fig.1 The cross section of main dam and backfill at the bottom of reservoir

主坝坝基以弱风化硅质白云岩、硅质条带白云岩及闪长玢岩脉作为大坝建基面，坝基岩体以Ⅲ类为主。主坝上游采用上库库内开采的新鲜或弱、微风化白云岩作为堆石料填筑；下游采用上库库内开采的新鲜或弱、微风化白云岩掺一定比例的闪长玢岩作为堆石料填筑；库底回填区利用上水库的开挖料填筑，包括上水库库底及坝基底部剥离的除掉表面腐殖土的含碎石黏土和上水库库盆开挖的弱、微风化白云岩掺一定量蚀变闪长玢岩等，成分复杂。

2 堆石体内部沉降监测设计

2.1 结构计算结果分析

本工程上水库沥青面板堆石坝坝高超过180 m，库盆回填土厚度达到120 m，坝体与库盆沉降变形控制是本工程的技术难题之一。特别是堆石坝采用沥青混凝土面板、库底采用土工膜联合防渗，两者的连接部位可能存在较难适应堆石体与库盆回填土之间不均匀变形的问题，需特别注意库底回填区土工膜范围与沥青面板连接区域的不均匀沉降对工程运行的影响。同时有效观测大坝及库盆堆填料的沉降变形是本工程内部沉降监测的重点。

从工程可研阶段主坝及库底回填区沉降三维有限元模拟计算结果（见图2）可知：对于主坝而言，下游堆石区的模量低于上游堆石区，沉降等值线在材料分区处有较明显的转折，沉降最大值发生在下游堆石区的中间位置，高程约1/2～1/3 坝高；库底回填区的模量整体较低，产生了较大的沉降，最大值发生在回填区中部。

图2 主坝及库底回填区沉降三维有限元数值模拟计算结果（单位：cm）Fig.2 Three dimensional finite element calculation of the settlement of main dam and backfill at the bottom of reservoir

2.2 堆石体内部变形监测设计方案

因堆石体内部变形测线需兼顾大坝及库区回填料的最大变形区域，经充分分析论证及工程实际应用调研，决定采用国内使用最多的水管式沉降仪水平测线监测模式，管路需穿过主坝最大沉降区向库底填筑区延伸，直至穿过库底回填料的最大变形区，以期通过实测资料尽可能找到库底回填区的最大变形分布范围，及时了解库底回填区与坝体变形的协调性，以此判断库底土工膜与沥青混凝土面板的结合情况，为掌握库盆防渗情况提供依据。

然而，受限于水管式沉降仪设备本身的特点，如果管路布设长度过长，且穿过部位变形量值较大，则存在水管被拉裂从而失效的风险。即使管路能够承受较大拉力不被破坏，对于水管式沉降仪而言，若测线太长或实际沉降变形较大，可能导致管路埋设难度大、管路形成倒坡、水管堵塞等问题。因此，测线布置需充分结合现场情况，针对性进行监测方案设计。

上水库主坝共布置2个主监测断面和1个副监测断面，主监测断面布置在最大坝高处，分别布置5层水管式沉降仪，布置高程分别为155 m、178 m、209 m、232 m和247 m，每条管线都向库底回填区延伸，延伸深度按可研阶段三维有限元计算结果粗略确定（178 m、209 m 高程测线延伸入库底回填料内部深度约93 m，231 m高程测线深度约75 m）。内部变形主监测断面见图3。另外，对于近库底232 m高程测线，在两区接头部位加密测点布置，分别在回填料与坝体分界线两侧、土工膜与面板接头部位进行针对性测点布置，为工程重点关注部位提供监测结果支撑。

图3 主坝水管式沉降仪主监测断面测点布置Fig.3 Layout of tube settlement meters in the main monitoring section of main dam

根据该监测方案，本工程水管式沉降仪的最大管线长度约440 m。国内典型工程的水管式沉降仪管路长度统计见表1。由表1可见，本工程的水管管路长度相比其他典型工程并不突出，但有别于其他常规电站管路敷设路径，除满足料源、碾压质量等坝体堆石体监测要求，本工程测线还需跨越不同变形模量区域，即最深部测线需同时穿过库底回填料及坝体下游堆石体两处大变形区域，因此为保证仪器施工埋设的方便、设备存活率及测值准确性，对设备埋设和方案设计均做了相应优化和改进。

表1 国内长管路水管式沉降仪统计Table 1 Statistics of tube settlement meters with long pipeline in China

2.3 工程优化方案

对水管式沉降仪的设备选型和施工工艺等各方面进行综合考虑，从以下几方面对本工程水管式沉降仪监测方案进行了针对性设计和改进：

（1）采用四管式水管式沉降仪，即在常规的三管式沉降仪基础上增加1 根进水管。进水管是水管式沉降仪获取数据的主要组成部分，四管式测头能够很好地解决进水管路易堵塞、淤塞的问题[3-4]。本工程长度超过200 m 的测线均采用四管式沉降仪，有效地提高了设备的可靠性。

（2）为克服因水管管路进气、管路随坝体不均匀沉降而发生曲折，导致回水困难、观测稳定时间过长等问题，水管式沉降仪水管埋设坡度均按照结构情况分段进行区分，管路坡度根据结构计算预期变形情况进行针对性设计，并预留一定安全裕度。以231.70 m高程测线为例，预期沉降量较大的库盆填筑区管路埋设坡度为1.70%，坝体上游堆石区管路埋设坡度为0.80%，下游堆石区管路埋设坡度为1.10%，开挖槽带坡度分区如图4所示。

图4 水管式沉降仪分段开挖槽带Fig.4 Segmented trenching of tube settlement meters

同时，为减小水管埋设槽的土料开挖量及对土建施工进度的干扰，水管埋设槽开挖也相应进行分段施工，按照坝体下游堆石区、上游堆石区及库盆填筑区的土建施工顺序，在每段起坡点填筑至高于测点埋设高程1 m时，分段进行水管基槽开挖与水管敷设施工。该方案极大地方便了现场施工，加快了施工进度。

（3）为避免坝体与库底回填料接口部位水管由于堆石体不均匀沉降发生剪切破坏，针对库底土石料与坝体过渡部位的水管特别增加了过渡结构。在库盆与主坝分界线前后1 m范围内，将水管外保护PPR管断开，改为直径规格大于PPR管的金属波纹管进行保护，并用土工布缠绕固定；在分界线前后2 m范围内外包厚度5 cm的橡胶垫层，强化对管线的保护。

3 实测资料分析

截至目前，库盆填筑高程为234 m（到顶高程237 m，最大高度120 m），主坝填筑高程为255 m（到顶高程271.8 m，总坝高182 m）。所有高程测线水管式沉降仪均已埋设完成，设备完好率100%。

库底和主坝坝体内的典型测线测点沉降量与浇筑高程关系过程线见图5～6。由图可见，沉降随时间变化过程线符合一般规律，说明目前水管式沉降仪运行状况良好。随着填筑高程增加，堆石料内部沉降逐渐增大，变形量缓慢增加，符合施工期堆石体沉降变化的一般规律。从累计位移量来看，库盆内最大累计沉降为953 mm，坝体内最大累计沉降为458 mm，均发生在最大坝高监测断面的中下部和下部高程，库底料沉降总体为坝体沉降的近2 倍，经分析主要与堆石料的性能和碾压要求相关。近半年两处最大变形部位的变形速率分别约0.56 mm/d 和0.40 mm/d。目前坝体最大沉降约为坝高的0.39%，库盆最大沉降约为库盆高的0.57%。

图5 库盆典型测线测点沉降量与库底料填筑高程相关过程线Fig.5 Correlation between settlement of reservoir basin on typical monitoring line and filling elevation at reservoir bottom

水管式沉降仪主监测断面的内部沉降分布见图7。由图可见，以库盆发生最大变形的178.6 m高程测线为例，库盆测线埋设坡度为1.7%，预期相对于库盆和坝体分界点，水管能承受的倒坡变形量约1.5 m，目前测得的库盆最深测点相对于库坝分界线的沉降变形约为0.75 m，尚有较大的安全裕度。对于同一高程的库盆和坝体沉降测线，库盆沉降总体大于坝体沉降，这是由于坝体填料及压实要求均高于库盆。目前最大沉降变形均位于最深部测点，分析测线可能尚未覆盖最大变形区域，即库盆最大变形区域的深度可能超过93 m（即测线伸入库盆深度）。对于坝体而言，坝轴线上游为主堆石区，下游为次堆石区，坝轴线下游最终沉降大于上游。针对不同高程测线，库盆与坝体最大变形均发生在178.6 m 高程测线，位于监测断面的中下部高程。以目前现场监测结果来看，测值分布规律与前期可研阶段有限元计算结果基本一致。

图6 主坝典型测线测点沉降量与坝体料填筑高程相关过程线Fig.6 Correlation between settlement of main dam on typical monitoring line and filling elevation of dam body

图7 主坝典型内部沉降监测断面监测结果分布（单位：mm）Fig.7 Monitoring results of internal settlement of main dam on typical monitoring section

4 结语

该抽蓄电站的库底回填及堆石坝工程规模较大，需对传统水管式沉降仪的监测方案进行设计优化。由于测线需跨越库底及主坝上、下游三大不同变形模量区，根据前期结构计算结果，对管路埋设坡度进行分段设计，并在库底和坝体接头部位针对性加密测点布置。为强化设备的保护及耐久性，采用四管式水管沉降仪，并对库底回填料与坝体过渡部位的进水管增加了过渡保护结构。同时为减少现场施工开挖量，采用分段（区域）基槽开挖与水管敷设施工。通过以上方案设计和改进，在堆石体施工过程中实时进行监测和数据分析，使整个碾压施工处理过程处于有效监控状态，为施工程序和设计方案的优化调整提供依据。水管式沉降仪的监测资料表明，主坝及库底回填料的内部沉降测值规律与设计预期基本一致。■