對湖南某水庫大壩沉降觀測問題探究

張征宇

摘要：某水庫大壩庫區(qū)流域總面積24．5 km2，翻水面積18．181 km2。大壩壩型為上下游各帶一級鎮(zhèn)壓層的黏土斜墻堆石壩，壩頂高程為8．3 m，壩頂寬為4．5 m，壩頂長度為3 041 m，最大壩高為7．2 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面最大壩底寬度為51．2 m，基礎(chǔ)處理采用塑料排水板排水固結(jié)處理方案。筆者結(jié)合該工程實(shí)踐，對在施工過程中大壩沉降觀測問題進(jìn)行分析探討，得出以下結(jié)論，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：大壩觀測；沉降

一、工程地質(zhì)情況

壩址全區(qū)均為第四系覆蓋層覆蓋，厚度大，上部為全新統(tǒng)海相沉積淤泥質(zhì)土，土質(zhì)軟弱，下部為更新統(tǒng)沖洪積，沖湖相沉積含泥砂礫石，粉質(zhì)黏土等，土質(zhì)較好。土層自上而下可分為：①Ⅰ1層粉質(zhì)黏土，厚2．9～4．8 m，分布于北壩段；②Ⅱ?qū)臃圪|(zhì)黏土，層厚0．2～3．0 m；③ Ⅲ層淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層厚6．3～15．3 m；④Ⅲsil淤泥，層厚2．0～5．5 m；⑤Ⅲc粉質(zhì)黏土，層厚1．0～1．5 m主要分布于東及南壩段；⑥Ⅳ1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，全區(qū)分布，層厚1．5～18．8m；⑦Ⅳsil淤泥，層厚3．0m；⑧Ⅴ1層粉質(zhì)粘土，層厚0～12．5 m。各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)表

二、觀測成果分析

㈠沉降觀測

沉降觀測時間為2OO4年9月至2OO6年12月，觀測成果見表2。以下原因引起沉降量漏測：

(1)沉降板均在塑料排水板施工之后埋設(shè)，對于墊層及插板施工影響而產(chǎn)生的沉降未能觀測。

(2)局部壩段(如東壩段)由于涂面較低，為使整個壩基墊層在同一高程上，墊層下部鋪設(shè)石渣，由石渣層產(chǎn)生的沉降未能觀測。

(3)在壩體填筑施工期間，軸線部位沉降板屢屢被破壞，雖及時修復(fù)，但載瞬間的沉降未能觀測。

(4)工程施工后期，壩頂及壩后坡綠化泥土施工時，部分沉降觀測點(diǎn)被損壞，而同樁號防浪墻頂?shù)某两涤^測點(diǎn)又未能及時完成，期間的沉降未能觀測。沉降觀測成果見表2

表2 沉降觀測成果表（mm）

由表2可知：

(1)東壩段平均沉降量為1486 mm；南壩段平均沉降量為1447 mm；西壩段平均沉降量為1441 mm；北壩段平均沉降量為1383 mm。4個壩段的累計(jì)沉降量均小于設(shè)計(jì)理論計(jì)算值，可能的原因有：①大壩沉降還未最終完成，蓄水過程對壩基是一次復(fù)加載過程，將進(jìn)一步引起沉降的產(chǎn)生；②理論計(jì)算時可能未考慮碎石層上部的加筋處理，同時目前理論計(jì)算方法中對于沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Ф的取值只是一種經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對于不同的工程地質(zhì)條件其取值多少都能引起沉降值估算的誤差，該工程取值可能偏大；③實(shí)際施工加載過程中，施工期內(nèi)沉降量必然被重復(fù)加載，實(shí)際施加于地基上部的附加應(yīng)力值大于理論計(jì)算值。同時，為滿足大壩工后沉降的需求，對壩頂采取預(yù)留超高加載，而設(shè)計(jì)對這些荷載均無法準(zhǔn)確計(jì)算。

(2)以壩軸線觀測點(diǎn)為分析對象，東南西北4個壩段平均沉降量趨勢如下：北壩段平均沉降量1383 mm小于西壩段平均沉降量1441 mm小于南壩段平均沉降量1 447 mm小于東壩段平均沉降量1是486 mm。這與地質(zhì)情況是相吻合的，東壩段與南壩段多為池塘及河道所在地，地質(zhì)條件相對較差一點(diǎn)。

(3)設(shè)計(jì)計(jì)算時北壩段沉降量大于南、西2個壩段，而實(shí)測北壩段卻最小，主要原因是因?yàn)楸眽味螇屋S線位置與初設(shè)有較大的變動。北壩段壩軸線外移，利用老海塘作為壩下游側(cè)鎮(zhèn)壓層，而老海塘地基經(jīng)過多年沉降變形，地質(zhì)情況相對較好，有利于壩基的穩(wěn)定。

(4)從整體上來看，雖東南2個壩段沉降量相對較大一些，但沉降量差異并不是很大，表明基礎(chǔ)沉降較均勻，這對于壩體內(nèi)側(cè)的防滲土體是有利的。

㈡沉降速率

各觀測點(diǎn)每級加載過程中的最大沉降速率Ⅴmax(mm∕d)及間歇期內(nèi)的平均沉降速率Ⅴaver(mm∕d) (見表3)，2005年9月后，堆石體基本完成，軸線處月平均沉降速率見表4，月平均沉降速率趨勢見圖1。

表3 沉降速率觀測成果表（mm∕d）

表4 沉降觀測點(diǎn)2005～2006年平均沉降速率表（mm∕月）

圖1 壩軸線2005年9月后平均沉降速率趨勢圖

由圖1可知：

⑴在加荷過程時，瞬時沉降十分明顯，最大的達(dá)32 mm∕d， 但一般持續(xù)時間較短，衰減很快，第2天或第3天即可降為10 mm∕d以內(nèi)或5mm∕d以下。

⑵加載后的沉降速率變化明顯與加載厚度有關(guān)，加載過大不僅使沉降速率異常增大，而且使其衰減也較為緩慢。如第級荷載，雖各觀測斷面已歷經(jīng)30 d或更長時間間歇期，但在加載厚度達(dá)1．4 m時，瞬時沉降速率明顯比第7級荷載增大不少，最大的甚至達(dá)到37 mm∕d，地基雖未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，但第3 d后沉降速率仍有13 mm∕d，直至第4天后才恢復(fù)到10 mm∕d以下。

⑶采用薄層多次加載的施工工藝，減少一次集中加載值，可明顯減少瞬時沉降。但在采用薄層輪加填筑荷載時，同樣要控制好停荷預(yù)壓期。

⑷堆石體加載施工結(jié)束后，軸線處平均沉降速率逐月下降，但內(nèi)側(cè)防滲體加載依然會影響軸線處沉降的產(chǎn)生，延長地基沉降穩(wěn)定的時間，至2006年12月，軸線處平均沉降速率已降為0．28 mm∕d。

⑸對于軟土地基的堆載排水預(yù)壓，必須嚴(yán)格控制加載速率。當(dāng)加載厚度過大，在地基中一定范圍的剪應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時，地基由以彈性變形為主進(jìn)入以塑性變形為主，這時，在總沉降量中，由地基土剪切變形而產(chǎn)生的沉降將顯著增大。如果再盲目加載，或者加上施工交通荷載等不利因素的綜合作用，地基中的塑性區(qū)將繼續(xù)擴(kuò)大，則有可能發(fā)生地基的整體破壞。即使地基不出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象，過大的剪切變形會造成地基土結(jié)構(gòu)的破壞，這對地基的工后沉降控制十分不利。

㈢工后沉降

對于堤壩預(yù)留沉降的問題，因缺少地基土的詳細(xì)土工參數(shù)資料，不宜采用純土力學(xué)基本原理來推算預(yù)留沉降，這里通過對實(shí)測資料進(jìn)行反饋分析，采用半理論、半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法進(jìn)行預(yù)測。具體的來說，利用壩軸線各沉降觀測點(diǎn)的觀測資料，用指數(shù)曲線配合法、雙曲線法和法來研究其沉降規(guī)律或反算固結(jié)參數(shù)，來求得預(yù)留沉降。推算成果見表4。

表4 公后沉降推算成果表

三、總結(jié)與展望

㈠大壩壩基淤泥層的物理力學(xué)性能指標(biāo)較差，為高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度超軟黏土地基，通過對實(shí)測沉降資料的統(tǒng)計(jì)以及最終沉降量的推算，總沉降量約占淤泥層厚度的20％ ，地基固結(jié)度達(dá)到90％左右，沉降已大部分完成。

㈡沉降速率是控制施工加荷速率的重要指標(biāo)之一。按以往工程經(jīng)驗(yàn)及湖南省海塘工程技術(shù)規(guī)定的相關(guān)建議，加載時沉降速率控制不大于30 mm∕d。實(shí)際施工時，某些部位加載期問最大沉降速率為 32～37 mm∕d，雖然短時間內(nèi)最大沉降速率大于控制標(biāo)準(zhǔn)，但在及時觀測并及時上報建設(shè)各方后，積極采取有力措施，并未產(chǎn)生穩(wěn)定問題，保證了在安全的前提下能夠不減慢施工速度，為控制總工期提供了安全依據(jù)。

㈢大壩填筑雖已完成，但壩體的沉降過程并沒有完成，地基尚有一小部分主固結(jié)變形和相應(yīng)的次固結(jié)變形，壩體本身也還有一定量的變形，大壩在蓄水后，由于荷載增加，也將產(chǎn)生相應(yīng)的變形。因此運(yùn)行期沉降觀測應(yīng)加強(qiáng)進(jìn)行，以保證觀測資料的連續(xù)性，為后期安全性態(tài)分析提供保障。

結(jié)合穩(wěn)定、成熟的自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),應(yīng)用于水工建筑物的工程安全監(jiān)測是大勢所趨,是水利自動化與信息化的必經(jīng)之路。對大壩進(jìn)行實(shí)時自動化監(jiān)測,及時掌握大壩的運(yùn)行狀態(tài),對大壩安全性態(tài)做出綜合評價,在事故到來之前采取對策,不僅可提高預(yù)報的精度和調(diào)度的準(zhǔn)確度,且保證大壩運(yùn)行安全,促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益充分發(fā)揮。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。