密云水库白河主坝沉降监测分析（罗阳春）

摘要：根据白河主坝45a的沉降监测资料, 选择具有代表性的标点, 绘制沉降过程线, 利用回归分析方法对时间—沉降量进行回归分析, 判断土石坝变形是否正常, 找出变形规律通过绘制沉降量的横断面、纵断面和平面分布图进行分析, 判断坝体是否因沉降不均匀而产生裂缝。

关键词：白河主坝 沉降 监测 分析

1 工程概况

白河主坝坝址为无阶地的箱形河谷。两岸陡立, 左岸坡为85°—90°, 右岸坡为70°—80°, 河床高程为94—98m。坝址区岩层主要有震旦纪片麻岩、震旦纪石英岩, 中生代石英岩节理发育, 渗透性强, 火成岩多呈岩脉状侵入岩层, 两岸岩层倒转, 倾向上游。由于构造发育,断层挤压破坏带和裂隙很发育, 河床砂卵石覆盖层深达44m, 平均渗透系数范围为500—800m/d。

白河主坝修建于1958年9月, 1960年9月竣工。该坝坝型为碾压式壤土斜墙土坝, 最大坝高66.4m,坝顶长960.2m, 坝顶高程160.0m, 坝顶宽8m, 最大坝底宽390m。由于坝基覆盖层透水性大, 覆盖层较厚, 最厚达44m, 坝基覆盖层采用了壤土齿槽、黏土水泥灌浆帷幕和混凝土防渗墙联合防渗的处理措施。1976年7月28日唐山发生7.8级强烈地震, 波及密云水库, 白河主坝上游保护层发生滑坡, 震后对白河主坝作了加固处理, 斜墙加厚。

2 变形监测设施情况

由于砂砾石坝体和地基的沉降、位移主要在施工期基本完成, 所以没有埋设观测坝体内部和地基沉降和位移的标点, 只埋设了观测主坝坝面沉降和位移的标点。在白河主坝的平行坝轴线和垂直坝轴线2个方向上分别布置了6排沉降、位移点和8个横断面, 共埋设标点45个。其中, 上游坝坡2排, 每排设有8个标点, 高程分别为158.0m和148.6m;下游坡共埋设4排, 第1排设有8个标点, 其余均为7个标点, 组成了个8横断面, 间距为50-200m不等。在两岸山坡埋设了观测工作基点和永久性水准基点。由于上游2排与下游第2排标点的埋设时间不同于其他3排,故分析时未采用。

3 沉降监测资料综合分析

本次变形分析主要是根据白河主坝45a的沉降观测资料, 选择具有代表性的标点, 绘制沉降过程线,横断面和纵断面沉降量分布图, 并利用回归分析法,推求沉降量与时间的关系, 预报最终的沉降量, 预测变形发展的趋势, 判断土坝变形是否正常, 沉降分布是否均匀, 是否产生了裂缝, 为今后的工程管理提供参考依据。

3.1 沉降过程线分析

选择下游坡最高一排标点具有代表性桩号0+300,0+400,0+680的监测值分别绘制其累计沉降过程线, 见图1。

由图1可以看出, 在白河主坝沉降过程中, 坝体的初期沉降量增加较快, 而后沉降量随时间推移缓慢增加, 至1973年已趋于稳定, 符合土石坝沉降的变化规律。1976年受唐山地震的影响, 白河主坝的沉降量出现突然增大的现象, 最大值为70mm(桩号0+400)。从历年的监测资料可以发现, 经过一段时间固结后, 1980年白河主坝的沉降量再次趋于稳定。

土石坝坝顶沉陷量的大小, 是判断填土密实性和施工质量优劣的一个主要指标, 也是衡量大坝安全运行的基本指标之一。由于填土的高度不同, 沉陷量绝对值大小的差异很大, 通常用相对沉降率(坝的沉陷量与坝高的比值)的大小来分析大坝的运行状况和判断是否产生了裂缝。相对沉降率小, 大坝不会裂缝,相对沉降率大, 坝体可能会产生裂缝。目前国内采用的相对沉降率经验数据是根据国内45座和国外10座土石坝的沉陷观测成果和运行情况综合分析得出的,即竣工后相对沉降率＜1%的坝都不裂缝竣工后相对沉降率＞3%的坝都裂缝。从2004年10月份的观测数据可知, 白河主坝最大累计沉降量为376mm(桩号0+300), 沉降率为6.32‰, 小于国内采用的沉降率值10‰, 由此可以说明该坝的填土压实质量较好, 不会产生裂缝, 计算结果见表1。

3.2 回归分析及沉降过程预报

3.2.1 回归分析

根据观测数据绘制散点图, 从散点图分析发现累计沉陷量S与时间t之间具有对数曲线关系, 可选择对数曲线建立经验公式, 即S1=a+blnt。由于1976年受唐山地震的影响, 白河主坝标点的沉降量突增, 变化规律也发生变化, 故分别对1960一1975年和1976一2004年的监测数据按对数曲线函数进行回归计算和分析, 求出实测沉降量与时间的回归方程, 回归分析结果见表2。

从表2可以看出沉降量与时间的相关系数较大,说明二者的相关关系显著。根据回归方程推求回归过程线, 可以看出, 2条曲线拟合较好, 说明该坝的累计沉降量与时间呈对数曲线函数关系, 所建立的回归方程符合土石坝变形规律。

3.2.2 沉陷过程的预报

土坝的沉陷量与时间回归方程建立后, 可利用该方程预测土坝未来某年的或下一年的沉陷预报值, 预报值的精度取决于回归方程的精度。从监测统计资料可以看出, 采用对数曲线拟合后, 其计算的沉陷预报值与观测值之差普遍较小, 说明建立的对数曲线回归方程预报精度比较高, 可以比较客观地反映土坝的沉陷变化规律。利用推求的沉降量与时间回归方程, 预测土坝建成100a后的累计沉陷量。通过计算, 土坝建成100a后的预报值与2004年的观测值之差最大仅为39mm, 由此也说明土坝沉陷已基本稳定。

3.3  沉降分布图分析

3.3.1 横断面沉降分布图分析

分别绘制了(桩号0+400)1963年、1970年、1976年、1984年、1995年和2004年的横断面沉降量图, 见图2。

由图2可以看出:沉降量与填土高度成正比的关系。靠近坝顶处的沉降量大的是坝中部的8倍。从近坝脚一排可以看出:下4的沉降量很小, 只有17mm,说明坝基虽然是软基, 但固结密实, 不会产生大的沉陷。

3.3.2 纵断面沉降分布图分析

分别绘制了1965年、1973年、1976年、1984年、1995年和2004年的沉降量, 见图3。

由图3中可以看出初期沉降速度较快, 以后逐渐减缓, 在填土高度基本相同的条件下, 0+300,0+400的沉降量明显大于其他部位, 也说明了该坝段的填筑质量较差。从图中还可以看出:主坝坝头(0+050、0+900)部位填土高度虽不大, 但沉降量却比较大。这一现象似乎违反了土坝沉降规律, 实际上是由于0+050,0+900标点位于坝头壤土贴坡上,壤土的可压缩性大于砂砾料的特性所致。

3.3.3 平面沉降量等值线分布图分析

根据观测资料, 绘制2004年10月的沉降量等值线图, 可以看出白河主坝沉降量的平面分布规律, 靠近坝顶段等值线较密, 坝脚处等值线较稀疏。等值线越密, 说明沉降量越大, 符合沉降量与填土高度成正比例这一规律(靠近坝顶处的填土高度大)。此外, 在0+300断面处, 等值线最密, 说明0+300处沉降量最大, 而0+300为该坝的最大断面, 符合土坝的变形规律。

4 结论

通过对白河主坝45a的沉降观测资料采用绘制土坝沉降过程线、横纵断面分布图、回归分析及沉降过程预报等方法进行综合分析, 可以看出该坝的沉降量变化呈对数曲线变化, 符合土坝的沉降规律, 坝体的填筑质量较好, 累计沉降量正常, 沉降率小于国内采用的沉降率值, 土坝的填土压实质量较好, 不会产生裂缝。

参考文献

[1]罗谷怀, 甘明辉.土石坝安全论证理论与方法[M].北京:科学出版社,2001.

[2]梅孝威.水工监测工[M].郑州:黄河水利出版社,1998.

作者简介：罗阳春（1978-）, 女, 工程师。

来源：《北京水务》2006.2