深厚覆盖层混凝土建筑物的稳定性分析

陈洪志

（江西应用工程职业学院，江西 萍乡 337042）

0 引言

当混凝土建筑物处于深厚覆盖层的条件下，很容易出现变形和渗漏等问题，会对其稳定性和耐久性产生不利影响。对于此类混凝土建筑物，相关单位需要做好变形监测工作，运用合理的变形监测技术，以便及时发现建筑物变形过大或危及安全的变形问题。通过这样的变形分析，可以为处于深厚覆盖层条件下的混凝土建筑物的质量和安全提供良好保障。

某水电站中的永久性闸坝基础建设在深厚覆盖层中，其防渗墙为塑性混凝土结构，长度是589.2m，宽度是1.0m，最大深度是65.1m。该水电站的主要任务是发电，兼顾航运和灌溉等任务，其正常蓄水位是432.0m，水库总容积是4867万m3。总装机容量是480MW，坝壅水高度是15.5m，衔接上游水电站。水电站厂房为河床式，后接9015m长度的长尾水渠。该工程中，塑性混凝土防渗墙设置在闸室前端，与闸坝轴线平行布置，左端连接面板坝防渗墙，右端连接厂房防渗帷幕，闸室间和连接板垫层应用的是C15混凝土。在闸底和连接板之间、连接板和墙体之间均设置一道橡胶止水和一道铜止水，从而形成一个封闭形式的防渗体。为确保此项工程的应用质量，提升其安全性，本文特对其闸坝、闸基扬压力和闸室稳定性、塑性混凝土防渗墙变形等进行监测。

1 工程的变形分析

1.1 闸坝变形

1.1.1 变形监测的必要性

下闸蓄水后发现，该闸坝顶部顺水流向具有较小的水平变位，其中，5#闸室的水平变位最大。闸室顶部顺轴向水平变位，由于地基存在差异，使得整体的变位朝向右岸，且其变位会在温升时变大，其最大变位是6mm。同时，因为厂房在岩基上建立，1#～5#闸室地基为人工回填的砂砾石，6#～10#闸室和面板坝地基是天然砂砾覆盖层。经工程计算确定，其沉降量最大值应控制在12.0cm以内，相邻部位沉降差最大值应控制在1.0cm以内。

1.1.2 变形情况分析

为了实现闸坝变形的科学监测，特在闸室上下游布设了监测点。经监测发现，该工程中的闸室沉降和不均匀沉降均超过了计算值，主要为强烈沉降和不均匀沉降变形。以下是主要的变形监测结果：

（1）地基为人工回填砂砾石的1#闸室顶部沉降量最大，其上游LS37 监测点处的沉降值为111mm，下游LS38监测点位置的沉降值为174.2mm，后部比前部沉降大，整体闸室微倾向于下游。经进一步监测发现，蓄水3年以来，此处的沉降变形并未收敛。

（2）1#和2#闸室属于一个单元，其监测点均布设在闸室顶部。其中，1#闸室的LS37 监测点测值比2#闸室LS39 监测点大50.7mm，由此判断该单元闸室右侧比左侧沉降大，整体闸室微倾向于右侧。

（3）因同一个单元闸室略微朝右，并倾斜向下游，所以其底板钢筋应力变化较大，即1#和2#闸室单元底板上方右侧的钢筋受压。经监测可知其右侧钢筋应力值是20MPa，左侧钢筋拉应力是25MPa；临近中墩底板的拉应力最大值是20MPa。1#孔中部底板应力值为0～25MPa之间，2#孔中部底板应力值在-15～5MPa 之间。钢筋应力虽然没有超出本次设计允许范围，但是同一单元中的左右两侧底板上方却存在应力不平衡情况，经实地勘察发现，右边墩上的两只钢筋计已经损坏[1]。

（4）因为基岩上部的厂房具有较小沉降变形情况，所以1#闸室右边墙和4#厂房左边墙的沉降差较大，经监测发现其上游沉降差为105mm，下游沉降差为130mm。

（5）闸室顶部门机和厂房顶部门机互相对立，虽然闸坝之间的不均匀沉降已使门机轨道发生变形，但并未对两台门机产生过大影响，闸门依然可以正常开启和关闭。

2.2 闸基扬压力和闸室稳定性分析

2.2.1 闸基扬压力分析

为合理监测闸基扬压力，该项目中，特将P4-1 与P4-2两个渗压计分别布设在了塑性混凝土防渗墙的前后，并将UP1、UP2以及UP3测压管布设在下游，其埋设高程是409.50m。在2022 年7 月，闸基上游水位是426.9m，下游水位是418.68m，表1为该项目0+437.8m闸坝剖面渗压值监测结果.

表1 本项目0+437.8m闸坝剖面渗压值监测结果

经监测与计算得出，该工程闸基扬压力折减系数是0.66，超过了无排水条件下的防渗规定（0.45～0.60）。经进一步分析发现，闸基扬压力之所以超标，是因为该工程中的塑性混凝土防渗墙在闸室前方0-015m位置通过混凝土连接板和闸室底板相连接，防渗墙和连接板之间、连接板和闸室之间都设置了柔性止水。在这样的情况下，防渗墙自身的防渗性能不仅由其本身决定，也和柔性止水效果紧密相关，尤其是在闸室沉降较大时，柔性止水将起到更重要的作用[2]。

2.2.2 闸坝柔性止水性能分析

通过监测数据可知，在0+437.8m闸坝剖面内，塑性混凝土防渗墙和第一道柔性止水所能达到的防渗效果是76%，但是第二道柔性止水后方的防渗效果则下降到33%。由此可见，这里的防渗墙、墙体和连接板接头位置已经出现了柔性止水破坏问题。经进一步监测和计算发现，导致这一问题的主要原因是闸室已经发生了17cm的沉降，但是由于厚度是2m 的连接板下方设置的是三角形C15 混凝土结构，使得连接板不能和闸室一起沉降，在闸室沉降量超出止水变形允许范围后，柔性止水便被撕裂，从而提升了闸基扬压力。

为实现第二道柔性止水具体工作性态的科学监测，本次监测中，特将J4-4测缝计布置在了0-437.8m坝的连接板和闸室间0+000m 位置。布设好后不足一个月，测缝计便已经失效，说明此处的柔性止水已经撕裂，其止水作用已经丧失。因闸室沉降变形最大值是17.42cm，超出了允许规定（15cm）；1#和2#闸室沉降差是5.07cm，1#闸室和4#厂房的沉降差是13cm，均超出了规定值（5cm）。

2.2.3 闸室抗滑稳定性分析

设计单位按照实际监测到的扬压力值对闸室进行了抗滑稳定性复核，经相关计算发现，在目前的工况条件下，闸室抗滑稳定性安全系数是1.61，较规定的最低安全系数（1.30）高。由此可判断，在不出现地震等特殊情况的基础上，该工程中的闸室依然具有较好的稳定性[3]。

2.3 塑性混凝土防渗墙变形分析

2.3.1 防渗墙受力分析

为实现塑性混凝土防渗墙具体变形情况的科学监测，该项目中，将一套六点测斜仪布设在了0+437.8m坝剖面上的防渗墙里，对其变形情况进行监测。经监测发现，防渗墙在蓄水之前，由于下游的深厚覆盖层会对其产生较大的挤压作用，所以整个墙体呈现出朝上游变形的趋势，其最大变位是22mm。在蓄水之后，由于受到温度、土压力、闸室和水压等的共同作用，整个墙体呈现出朝下游变形的趋势，其最大变位是15mm。

为确保塑性混凝土防渗墙的稳定性，设计单位特根据监测结果与实际情况对其应力应变进行了计算，表2为该工程中的塑性混凝土防渗墙应力应变计算结果。

表2 塑性混凝土防渗墙应力应变计算结果

通过以上监测结果可知，该项目中的塑性混凝土防渗墙内应力会随着其弹性模量的增加而增加。在完成施工后，蓄水之前，整个防渗墙都处在受压状态，其水平变位最大值是6.9mm，防渗墙底部受压力最大，但没有拉应力出现。在蓄水之后，当上游水位达到432m 的情况下，防渗墙水平变位最大值是32.8mm，其上部有拉应力出现，下部依然存在压应力。在弹性模量是3000MPa的情况下，其上部拉应力最大值是0.04MPa；在弹性模量上升到了3600MPa 的情况下，其上部拉应力最大值是0.07MPa，比拉应力最大允许范围（0.2～0.3MPa）小。

2.3.2 防渗墙变形分析

为实现该防渗墙具体应变情况及其应力状态的科学监测，特将5个单向应变计埋设在了0+437.8m闸坝断面上高度不同的墙体中。经监测发现，除了墙顶埋设的S4-1之外，其他监测点测量到的都是拉应变，整个墙体呈现出的是受拉状态，且下部较上部的拉应变大，其最大拉应变值可达500μℇ，其弹性模量设计值是1500MPa，实际测量值是2600MPa，拉应力测量值是500kPa，超过塑性混凝土拉应力允许值200～300kPa，说明墙体可能已经出现了开裂问题[4]。

3 工程的稳定性及危害性分析

3.1 工程稳定性分析

结合工程监测和实地考察结果来看，该水电站工程项目中的闸坝沉降变位虽然已经超出了规定，但是目前并不会对其正常运行产生不利影响，整体运行和应用效果依然能够得到保障。其中的1#闸室和2#闸室具有较大的不均匀沉降差，使得其单元倾斜率达到了0.00126，与规定的控制目标已经十分接近，如不加以控制，便很可能使其闸门左右两侧支臂出现受力不均问题；此种问题长时间发展下去，便很可能损坏闸门本身和开启、关闭系统[5]。因此在该工程项目的后续运维过程中，相关单位应对此进行重点关注，进一步加强其变形监测工作，并以此为依据来合理控制变形问题的发展。

3.2 工程潜在危害分析

经整体的变形监测与计算分析发现，该水电站工程在深厚覆盖层条件下的混凝土建筑物主要变形危害表现在以下几个方面：

（1）因其闸坝的整体工作环境较为复杂，闸坝高度和地基应力都比较大，加之深厚覆盖层分布并不均匀，细砂透镜体与砂夹卵砾石的承载能力较低，压缩模量较小，在荷载作用下很容易出现较大的变形问题。另外，其承压水中的硫酸根离子含量高达1000mg/L以上，对混凝土基础具有较大的腐蚀性。在这样的情况下，闸坝便更容易出现沉降变形等问题，从而影响到其整体质量和应用效果。

（2）该工程中的塑性混凝土防渗墙弹性模量比较低，整个墙体对周边土体变形具有较强的适应能力，整个墙体应力也比较低，这样便可有效降低防渗失效以及墙体破坏情况的发生几率。但是在这样的情况下，塑性混凝土材料强度也比较低。为有效适应此类墙体的低强度、低弹性模量等实际特征，该工程中，特将该防渗墙设置在了闸前方15m位置，通过连接板将其与闸室进行连接。通过这样的方式，不仅可有效降低墙体压力，也可以让墙体对闸室沉降变形具有更高的顶托作用。但是由于受到深厚覆盖层的荷载作用，墙体将很容易出现较大的沉降变形问题，墙体和连接板位置的止水工作条件也将很容易恶化，从而导致其防渗效果降低。

（3）该水电站项目中的塑性混凝土防渗墙材料中掺加的膨润土用量为水泥用量的40%，且其抗腐蚀性能、抗渗性能以及耐久性能都并未得到科学验证。在这样的情况下，防渗墙的整体应用性能便难以得到良好保障，具体运维中，还需要进一步监测其墙体的耐久性，以便及时发现相应问题，并根据实际情况及时将其中存在的问题解决，从而有效确保其防渗效果和使用寿命[6]。

（4）根据此项工程的实际应用需求，其中的塑性混凝土防渗墙不仅应具备防渗和止水效果，同时其连接板也应该具备足够好的工作性态。但是由于其连接板和闸室之间设置了三角形的C15混凝土垫层，垫层厚度为4m，这样就使得连接板对闸室变形情况的适应能力降低，从而增加了闸室间的止水压力以及连接板的工作压力，整体防渗墙所具有的防渗效果也将明显下降。

基于上述问题，相关单位应加强该水电站工程运维过程中的变形监测工作，并根据实际情况及时作出相应的维护处理。必要的情况下，可通过止水修复以及防渗墙修补等措施来保障闸室稳定。

4 结束语

综上所述，对于深厚覆盖层条件下的混凝土建筑物而言，科学合理的变形监测工作是提升其运维质量的关键措施。基于此，相关单位应根据工程设计和应用需求，结合现场实际情况，将各类监测点设置在适当的位置，以此来实施变形监测。然后将获取到的变形监测结果作为依据，进一步分析和计算混凝土建筑的稳定性。通过这样的方式，才可以实现此类混凝土建筑稳定性的科学评估，并明确其主要的影响因素，以便相关单位和工作人员及时采取针对性的措施来加以解决。