粘土心墙砂砾石坝的原型观测

“635”粘土心墙砂砾石坝的原型观测及工程性状分析

“635”粘土心墙砂砾石坝的原型观测

及工程性状分析

霍家平1 陈生水1 方绪顺1 石泉2 杜进新2

(1南京水利科学研究院 江苏南京 210024 2新疆额河建管局 新疆乌鲁木齐 83000) [摘 要] 基于“635”粘土心墙砂砾石坝的安全监测资料，对该坝的工程性状，特别是陡峭左坝肩防渗心墙与岸坡混凝土接触面处的工作性状进行了分析，得出了若干有意义的结论和建议。 [关键词] 粘土心墙砂砾石坝 安全监测 工程性状 分析

1．工程概述

“635”粘土心墙砂砾石坝主坝设计最大坝高73.0m，坝顶长约320.0m；左副坝最大坝高约12.0m，坝顶长840.0m；右副坝最大坝高37.5m，坝顶长740.0m。大坝顶高程?650.0m，心墙顶高程?648.40m，水库正常蓄水位?645.0m，设计洪水位?645.4m，校核洪水位?647.8m，

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总库容2.82亿m。该坝在建设过程中，主要遇到下列问题并采取了相应工程措施：

(1)坝基岩石风化严重，在大坝建基面上揭露出多条断层和裂隙，特别是有F1活断层从右副坝坝基穿过。坝体填筑前，对规模较大的断层以及节理密集带采用深挖并浇砼塞的方法处理；对于主河床断层漏水点，用先导渗后浇砼塞的方法处理。同时，在坝基设置了3排帷幕灌浆，心墙基础范围内进行全面固结灌浆，并在断层带适当加强，以解决坝基渗漏问题。

(2)用于填筑防渗心墙的Ⅰ号和Ⅵ号料场土料最优含水量和最大干密度很不均匀，其天然含水量在不同季节相差较大。按自由膨胀率与塑性图标准衡量，两个料场均属高塑性膨胀性粘土，且Ⅵ号料场土料属高膨胀性土。压缩试验表明，两个料场的土料在非饱和状态下压缩性不大，但浸水饱和后压缩性较大。鉴于此，工程设计单位曾建议在粘土中掺入一定量的砾石，考虑到粘土掺砾石的施工难度较大且质量难以保证，经论证，决定将心墙分区填筑，主坝心墙的下部采用压缩性较小的Ⅰ号料场B区的土料，并控制压实度不小于0.99，主坝心墙上部和副坝心墙采用料场的其它土料，控制压实度不小于0.98。

(3)主、副坝高差较大，特别是主坝左坝肩的坡度较陡。研究表明该部位心墙将发生不均匀沉降，从而可能导致心墙产生垂直于坝轴线的横向裂缝。为此，按规范要求将主坝左坝肩岸坡修整成不陡于1:0.75的平顺边坡，不允许有高于0.5m的陡坡或反坡存在。为了防止基岩裂隙水对心墙土料的冲刷，在防渗心墙和基岩之间设置了50cm厚的砼垫层，同时，适当加厚了该部位心墙，并将该部位填土的含水量控制在塑限附近，以延长其渗径和提高心墙土料的抗拉强度，同时，在心墙上、下游均设置了反滤层，特别是上游侧设置了“自愈性材料”层，以期防渗体一旦开裂，该层材料能在渗流水带动下自动封堵裂缝。

大坝自1998年6月开始填筑，1999年10月填筑到坝顶，2000年5月22日开始下闸蓄水，目前最高库水位已达正常蓄水位645.0m。

2．大坝安全监测仪器布置

为监测大坝在施工期，特别是运行期的工作性状，针对上述工程问题布置下列监测仪器。 (1)坝基、坝体和主坝心墙与岸坡接触面渗流观测。选择大坝9个断面对坝基进行渗流

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土石坝工程’2002年第1期

观测，其中左副坝2个断面，主坝4个断面，右副坝3个断面，目的是观测坝基帷幕灌浆和心墙固结灌浆效果。坝体和主坝心墙与岸坡接触面渗流观测共布置了5个断面，左右副坝各1个、主坝最大断面和主坝两坝肩各1个，主要目的是观测大坝心墙防渗效果，特别是主坝两坝肩防渗心墙与岸坡接触面渗流状态。渗流观测仪器为南京水利科学研究院生产的GKD型钢弦式孔隙水压力计。

(2)防渗心墙变形观测。选择大坝6个断面在防渗心墙轴线附近埋设了6根沉降测斜管，其中主坝及其两坝肩4个断面，右副坝2个断面，主要目的是观测防渗心墙在施工和蓄水运行期的沉降、沿坝轴线和上下游方向的水平位移。

(3)主坝左坝肩防渗心墙与岸坡混凝土垫层间接触变形及右副坝断层位移观测。主坝左坝肩岸坡陡峭，为观测该处防渗心墙与岸坡砼垫层间的水平和剪切位移，在不同高程心墙上下游分别埋设了18支南京水利科学研究院生产的TS型电测位移计。为监测右副坝断层变化，在该处也埋设了4支同型号的位移计。

主坝仪器布置纵剖面图见图1。典型横断面(0+870)观测仪器布置见图2。

图1 主坝仪器布置纵剖面图

图2 主坝典型断面(0+870)仪器布置图

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3．大坝观测资料及其运行性状分析

上述安全监测系统对大坝施工期和蓄水运行期的性状进行了全过程监测，取得了丰富的观测资料，对指导大坝施工和水库安全蓄水起到了积极作用。

对主副坝9个断面坝基的渗流观测表明，坝基帷幕灌浆和心墙基础的固结灌浆对削减水头有一定作用。但各断面坝基防渗效果存在差异，右副坝防渗效果不及主坝和左副坝。需要指出的是，水库蓄水过程中，当水位达637.0m时，发现有水从右副坝下游渗出，经在右副坝下游坡脚打设排水洞，证实水是从右副坝坝基渗出，右副坝下游打设排水洞后，积水消除，坝后水位也相应降低。这说明，对于基岩破碎和裂隙发育的坝基，做好坝基防渗工作，严格控制施工质量，对减少水库渗漏，确保水库安全蓄水和正常运行至关重要。 3.1 大坝变形分析

由大坝防渗体轴线附近6个沉降测斜管观测得出的变形规律很好，施工期和竣工后蓄水引起的各断面防渗心墙最大沉降值见表1。

表1 各断面防渗心墙最大沉降量 断面(m) 最大沉降(mm) 占坝高百分比(%) 施工期 蓄水期 施工期 蓄水期 0+870 315 258 0.75 0.61 0+960 731 246 1.06 0.36 1+066 616 217 0.92 0.32 1+105 382 103 0.92 0.25 1+680 173 129 0.49 0.36 1+785 185 62 0.50 0.17 从表1可以看出，大坝防渗心墙施工期的最大沉降量发生在大坝最大断面0+960断面，其值为731mm，约占坝高的1.06%；水库蓄水至正常蓄水位后，防渗体最大沉降量为977mm，约占坝高的1.42%，最大沉降量位于大坝605.0m高程，约为防渗体的1/3高度处，图3是4个断面防渗心墙的最大沉降过程线。需要说明的是，尽管该防渗心墙土料属膨胀性土，但水库蓄水还是使0+960断面防渗心墙产生了246mm的沉降增量，证实了防渗心墙土料饱和后压缩性较之天然状态明显增大这一试验结果的正确性。另外，坝体表面变形观测表明，蓄水引起的大坝上游砂砾石坝壳的最大沉降量为324mm，下游坝壳最大沉降量不到100mm，均发生在0+960断面，显然这一变形量主要是砂砾石料的湿陷所致。

图3 典型断面坝内最大沉降过程线

3.2 主坝两坝肩工作性状分析

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土石坝工程’2002年第1期

埋设在主坝左坝肩的TS位移计(见图1)主要用于观测防渗心墙与岸坡砼垫层间的水平位移和剪切位移。随着库水位上升，各TS位移计的位移值逐渐增大，较为明显的规律是：心墙轴线上游的水平和剪切位移值明显大于下游，水平位移明显小于剪切位移，最大位移值发生在607.5m高程和613.0m高程之间。图4(a)～(d)分别给出了该区域各TS位移计观测结果，从图中可以看出，该部位防渗心墙和砼垫层间的水平位移值换算成拉应变，其值已远

[1]

超过心防心墙土体的极限抗拉应变值，防渗心墙局部产生裂缝的可能性很大。该断面防渗心墙与岸坡砼垫层接触面的渗流观测结果进一步证实了上述推断。从图5(a)可以看出，随

(a) 0+871断面607.5高程测点水平位移过程线图 (b) 0+870.7断面608.0高程测点剪切位移过程线图

(c) 0+867.2断面612.5高程测点水平位移过程线图 (d) 0+866.9断面613.0高程测点剪切位移过程线图

图4

(a) 0+870断面 (b) 1+105断面

图5 心墙与底板接触面孔隙水头过程线

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着库水位的上升，S28渗压计水头值与S22渗压计水头值趋于相同(渗压计具体位置参见图2、6)，这至少说明S28与S22号渗压计之间防渗体，即上游防渗心墙已失去正常防渗作用，而S33渗压计水头值与S22和S28渗压计水头值相差较大，说明下游防渗心墙目前还在正常防渗。图4(b)是主坝右坝肩防渗心墙与岸坡砼垫层间的渗流观测结果，从图中可以看出，该部分防渗心墙目前还在正常防渗状态，但从防渗心墙上游到下游3个渗压计S65，S71和S76位势分别为84.3%，67.3%和53.7%，这说明，该部位心墙的防渗效果较差，不及其它断面好，因为除两坝肩防渗心墙与岸坡砼垫层接触面外，其它断面防渗心墙轴线附近的渗压计尚未受到库水位影响。

4．结论和建议

基于对上述坝体安全监测资料和运行性状的分析，我们有以下几点体会：

(1)该粘土心墙砂砾石坝防渗心墙与岸坡砼垫层连接是严格按照《碾压式土石坝设计规范》(SDJ218-84)进行的，但监测资料表明，该部位防渗心墙与岸坡砼

图6 左坝肩渗压计位置示意图

垫层间还是出现了相当大的水平和剪切位移，防渗心墙的防渗效果令人担忧。我国鲁布格坝的情况与之类似，在心墙与溢洪道高边坡接触面，也产生了较大的位移。究其原因，我们认为规范对与土质防渗体连接的岸坡开挖要求，主要考虑的是“正常”粘土与岸坡接触的情况，对于本文所述坝体，由于其防渗体土料饱和后压缩性明显增大，确定什么样的开挖边坡可以防止因防渗体的不均匀沉降而致使其产生裂缝应作专门研究，不宜简单参照规范执行。

(2)粘性土室内抗压试验条件和大坝心墙实际工作条件不尽相同，利用室内抗拉试验得出的粘性土极限抗拉应变值来准确判别大坝防渗心墙是否产生裂缝难度较大。通过原位观测得出的大坝防渗心墙的变形值只是对其裂缝成因和发生过程的描述，而渗流观测结果是大坝防渗心墙产生裂缝结果的直接反映。因此，今后大坝安全监测设计时，应加强对防渗心墙薄弱部位的渗流观测。

(3)土石坝变形包括施工期变形和竣工后蓄水期变形，显然，坝体运行性状主要受制于后者。因此，在设计方案比较阶段进行计算分析时，对施工期和蓄水期应该选用非饱和和饱和两套土性指标，否则将低估坝体竣工后蓄水期的变形，从而影响方案比较成果的可靠性。

(4)建议在今后类似工程中应更加重视原型观测。本工程的原型观测资料对评价大坝安全起到了十分重要的作用，但由于种种原因，观测仪器的数量较原设计方案减少了许多，如左坝肩有更多的变形、渗流观测仪器，对监控大坝安全将更加有利。

参考文献

[1] 霍家平、陈生水、方绪顺，新疆引额济克“635”水利枢纽大坝安全监测资料分析[R]，南京水利科学研究院，2000 [2] 陈生水、李国英、赵魁芝，新疆引额济克“635”水利枢纽大坝坝料试验及应力变形分析[R]，南京：南京水利科学研

究院报告，1998

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/r2h5.html