張征宇
摘要:某水庫大壩庫區流域總面積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,標準斷面最大壩底寬度為51.2 m,基礎處理采用塑料排水板排水固結處理方案。筆者結合該工程實踐,對在施工過程中大壩沉降觀測問題進行分析探討,得出以下結論,以供同行參考。
關鍵詞:大壩觀測;沉降
一、工程地質情況
壩址全區均為第四系覆蓋層覆蓋,厚度大,上部為全新統海相沉積淤泥質土,土質軟弱,下部為更新統沖洪積,沖湖相沉積含泥砂礫石,粉質黏土等,土質較好。土層自上而下可分為:①Ⅰ1層粉質黏土,厚2.9~4.8 m,分布于北壩段;②Ⅱ層粉質黏土,層厚0.2~3.0 m;③ Ⅲ層淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土,層厚6.3~15.3 m;④Ⅲsil淤泥,層厚2.0~5.5 m;⑤Ⅲc粉質黏土,層厚1.0~1.5 m主要分布于東及南壩段;⑥Ⅳ1淤泥質粉質黏土,全區分布,層厚1.5~18.8m;⑦Ⅳsil淤泥,層厚3.0m;⑧Ⅴ1層粉質粘土,層厚0~12.5 m。各土層主要物理力學指標見表1。
表1 各土層主要物理力學指標表
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,對于墊層及插板施工影響而產生的沉降未能觀測。
(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,墊層下部鋪設石渣,由石渣層產生的沉降未能觀測。
(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,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,部分沉降觀測點被損壞,而同樁號防浪墻頂的沉降觀測點又未能及時完成,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個壩段的累計沉降量均小于設計理論計算值,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加載過程,將進一步引起沉降的產生;②理論計算時可能未考慮碎石層上部的加筋處理,同時目前理論計算方法中對于沉降經驗系數Ф的取值只是一種經驗系數,對于不同的工程地質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實際施工加載過程中,施工期內沉降量必然被重復加載,實際施加于地基上部的附加應力值大于理論計算值。同時,為滿足大壩工后沉降的需求,對壩頂采取預留超高加載,而設計對這些荷載均無法準確計算。
(2)以壩軸線觀測點為分析對象,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,地質條件相對較差一點。
(3)設計計算時北壩段沉降量大于南、西2個壩段,而實測北壩段卻最小,主要原因是因為北壩段壩軸線位置與初設有較大的變動。北壩段壩軸線外移,利用老海塘作為壩下游側鎮壓層,而老海塘地基經過多年沉降變形,地質情況相對較好,有利于壩基的穩定。
(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,表明基礎沉降較均勻,這對于壩體內側的防滲土體是有利的。
㈡沉降速率
各觀測點每級加載過程中的最大沉降速率Ⅴmax(mm∕d)及間歇期內的平均沉降速率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32 mm∕d, 但一般持續時間較短,衰減很快,第2天或第3天即可降為10 mm∕d以內或5mm∕d以下。
⑵加載后的沉降速率變化明顯與加載厚度有關,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30 d或更長時間間歇期,但在加載厚度達1.4 m時,瞬時沉降速率明顯比第7級荷載增大不少,最大的甚至達到37 mm∕d,地基雖未出現失穩現象,但第3 d后沉降速率仍有13 mm∕d,直至第4天后才恢復到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壓期。
⑷堆石體加載施工結束后,軸線處平均沉降速率逐月下降,但內側防滲體加載依然會影響軸線處沉降的產生,延長地基沉降穩定的時間,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壓,必須嚴格控制加載速率。當加載厚度過大,在地基中一定范圍的剪應力達到某一臨界值時,地基由以彈性變形為主進入以塑性變形為主,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,地基中的塑性區將繼續擴大,則有可能發生地基的整體破壞。即使地基不出現明顯的失穩現象,過大的剪切變形會造成地基土結構的破壞,這對地基的工后沉降控制十分不利。
㈢工后沉降
對于堤壩預留沉降的問題,因缺少地基土的詳細土工參數資料,不宜采用純土力學基本原理來推算預留沉降,這里通過對實測資料進行反饋分析,采用半理論、半經驗的計算方法進行預測。具體的來說,利用壩軸線各沉降觀測點的觀測資料,用指數曲線配合法、雙曲線法和法來研究其沉降規律或反算固結參數,來求得預留沉降。推算成果見表4。
表4 公后沉降推算成果表
三、總結與展望
㈠大壩壩基淤泥層的物理力學性能指標較差,為高含水量、高壓縮性、低強度超軟黏土地基,通過對實測沉降資料的統計以及最終沉降量的推算,總沉降量約占淤泥層厚度的20% ,地基固結度達到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之一。按以往工程經驗及湖南省海塘工程技術規定的相關建議,加載時沉降速率控制不大于30 mm∕d。實際施工時,某些部位加載期問最大沉降速率為 32~37 mm∕d,雖然短時間內最大沉降速率大于控制標準,但在及時觀測并及時上報建設各方后,積極采取有力措施,并未產生穩定問題,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。
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變形和相應的次固結變形,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,也將產生相應的變形。因此運行期沉降觀測應加強進行,以保證觀測資料的連續性,為后期安全性態分析提供保障。
結合穩定、成熟的自動化監測數據采集系統,應用于水工建筑物的工程安全監測是大勢所趨,是水利自動化與信息化的必經之路。對大壩進行實時自動化監測,及時掌握大壩的運行狀態,對大壩安全性態做出綜合評價,在事故到來之前采取對策,不僅可提高預報的精度和調度的準確度,且保證大壩運行安全,促進其經濟效益和社會效益充分發揮。
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