譚愷炎

（葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測有限公司，湖北宜昌443002）

0 前 言

混凝土面板堆石壩是以堆石體為支承結(jié)構(gòu)，并在其上游表面設(shè)置混凝土面板作為防滲結(jié)構(gòu)的一種堆石壩壩型。經(jīng)過多年的發(fā)展和技術(shù)改進(jìn)，混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)和施工方法日趨成熟，在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用也日益廣泛。就目前的發(fā)展而言，中國的面板堆石壩建設(shè)，無論是規(guī)模、數(shù)量和技術(shù)發(fā)展的程度，都走在了世界的前列。隨著我國西部水電開發(fā)進(jìn)程的加快，未來將在金沙江、瀾滄江、怒江、雅礱江、大渡河和黃河上游以及西藏的雅魯藏布江等地區(qū)修建一批高壩工程。這些地區(qū)由于地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，交通運(yùn)輸困難，缺乏防滲土料等因素，混凝土面板堆石壩壩型將可能是最為經(jīng)濟(jì)的選擇。

隨著混凝土面板堆石壩壩高的增加，壩體的應(yīng)力和變形以及大壩的運(yùn)行性態(tài)將不可避免地產(chǎn)生一些迥異于百米級壩高的新特性。堆石壩是典型的非均質(zhì)材料壩，常采用非線性彈塑性力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，由于堆石壩材料性質(zhì)差異很大，模型的適應(yīng)性受到較大影響，再加上縮尺效應(yīng)引起的試驗(yàn)參數(shù)誤差，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與原型觀測的差異較大，通常采用原型觀測的結(jié)果進(jìn)行反演分析，并不斷調(diào)整計(jì)算模型、修正模型參數(shù)。目前，大壩原型觀測通常稱為大壩安全監(jiān)測，其作用除了上面提到的驗(yàn)證和修正設(shè)計(jì)計(jì)算模型及模型參數(shù)，還包括指導(dǎo)施工，實(shí)時監(jiān)控大壩安全以及通過掌握建筑物運(yùn)行工況進(jìn)行合理調(diào)度，充分發(fā)揮工程效益。因此，大壩安全監(jiān)測對于高面板堆石壩尤其重要。

近年來，隨著國內(nèi)外一批200 m級高混凝土面板堆石壩的相繼建成，國內(nèi)外壩工界對于高混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形特性的認(rèn)識也不斷深入，在這些工程實(shí)踐中，既有成功的經(jīng)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了一些問題。就安全監(jiān)測而言，混凝土面板堆石壩的研究與混凝土壩相比，在研究的系統(tǒng)性、監(jiān)測方法手段的可靠性、監(jiān)測資料的采集和解釋應(yīng)用方面還存在諸多問題。

1 變形監(jiān)測問題

1.1 沉降觀測

堆石壩的內(nèi)部變形監(jiān)測系統(tǒng)通常有水平垂直位移計(jì)、測斜兼沉降管、土位移計(jì)等，其中沉降觀測主要有水管式沉降儀和沉降管兩種，在監(jiān)測設(shè)計(jì)中一般兩種設(shè)施兼有，互為校核。近年來，這種設(shè)計(jì)思路有所變化，因?yàn)槎咽瘔蔚奶钪狭捷^大，設(shè)計(jì)最大粒徑為80 cm，實(shí)際填筑粒徑達(dá)150 cm以上，施工現(xiàn)場的施工機(jī)械化程度高，沉降管埋設(shè)和保護(hù)均存在很大的難度，如果采取局部填筑細(xì)料替代則存在沉降代表性問題，所以近幾年設(shè)計(jì)的堆石壩大多只布置水管式沉降儀，同時在心墻、過渡料等細(xì)料區(qū)布置沉降管。水管式沉降儀是一種原理結(jié)構(gòu)簡單、觀測成果直觀的監(jiān)測系統(tǒng)，但也存在水管沉積淤堵、水管摻氣、通氣管堵塞等問題，引起測值不穩(wěn)失真，雖然近年來采用壓力傳感器進(jìn)行自動化觀測，但觀測期間的充水排氣以及觀測房沉降修正等還很難做到同步自動化，整體上講，水管式沉降儀觀測的自動化程度偏低，而且水管式沉降儀埋設(shè)時需要開挖溝槽，工程量很大，對填筑施工的干擾也很大，測線和測點(diǎn)布置一般較疏，尤其在垂直分層上測點(diǎn)偏少，一般在20～30 m甚至更大，不利于獲得更多的監(jiān)測信息。

更值得指出的是，水管式沉降儀的觀測結(jié)果不能完全反映壩體沉降。壩體的真實(shí)沉降D壩可用式（1）表示：

式中：D測——水管式沉降儀觀測沉降值（已進(jìn)行觀測房沉降修正）；D0——水管式沉降儀測頭埋設(shè)時下覆土層沉降；D1——水管式沉降儀測頭埋設(shè)至觀測房安裝完畢首次觀測期間下覆土層沉降；D基——基礎(chǔ)沉降。

由式（1）可知：拋開基礎(chǔ)沉降，水管式沉降儀所測沉降值僅僅是首次觀測開始后的下覆壩體的沉降，而這個沉降值大大小于壩體的實(shí)際沉降值。實(shí)際施工中，由于施工手段和料源的限制，一條測線往往不能一次安裝，而需要根據(jù)施工安排采取分段安裝。觀測房的修建則由于下游面削坡護(hù)坡施工的滯后不能及時進(jìn)行，往往造成測線埋設(shè)達(dá)數(shù)十米仍不能開展首次觀測，造成水管式沉降儀沉降觀測值的代表性大大降低，尤其是占總沉降比重較大的施工期沉降大量被忽略。工程實(shí)踐中甚至經(jīng)常使用這個指標(biāo)來評價填筑施工質(zhì)量、決定面板施工時機(jī)等重大事項(xiàng)，如果不加以辨別，給工程造成的危害是很大的。

由上可知，采用水管式沉降儀觀測壩體沉降存在較大的系統(tǒng)偏差，而且極易形成認(rèn)識上的誤區(qū)。而采用沉降管觀測沉降可以較好地解決這個問題，埋設(shè)沉降管采用電磁式沉降儀進(jìn)行監(jiān)測，它可以從填筑施工一開始就進(jìn)行埋設(shè)和監(jiān)測，對沉降進(jìn)行累加，可獲得施工期全部沉降情況。這種沉降管的分層測點(diǎn)可以布置得很密，可每隔1～3 m布置一個測點(diǎn)，甚至更密，還可以計(jì)算各填筑層的壓縮量并以此計(jì)算填筑層總的實(shí)際沉降量。但這類儀器埋設(shè)時易因施工影響受損，不易埋設(shè)好，實(shí)踐證明，工程中采取加強(qiáng)保護(hù)、精細(xì)施工的措施完全可以達(dá)到預(yù)期目的。某堆石壩工程河床斷面沉降管竣工期觀測壩體沉降分布圖見圖1。

圖1 某堆石壩工程河床斷面沉降管竣工期觀測壩體沉降分布圖Fig.1 Settlement distribution on the river bed section of a completed rock-fill dam measured by settlement tube

圖1中沉降量是沉降環(huán)埋設(shè)后的該點(diǎn)的絕對沉降量，與填筑時間、埋設(shè)高程、填筑料及密實(shí)度等有關(guān)。由于施工期沉降環(huán)隨壩體填筑不斷上升進(jìn)行埋設(shè)，上部沉降環(huán)埋設(shè)時，其下部壩體填料已經(jīng)發(fā)生較大沉降，故該處沉降環(huán)的累積沉降量較上部偏大，而管底基巖相對穩(wěn)定，幾乎認(rèn)為不發(fā)生沉降，靠近基巖的下部沉降環(huán)沉降量也相對較小。從沉降量分布曲線可以看出：壩體內(nèi)上、下部沉降環(huán)的沉降量較小，而中間部位沉降環(huán)的沉降量較大，沉降變形較大部位在1/3～2/3填筑高度，這與壩體沉降的實(shí)際情況相一致。

近年來，一些工程采用振弦式沉降儀進(jìn)行壩體內(nèi)部沉降監(jiān)測，一般將儲液罐固定在已知沉降的可隨時進(jìn)行維護(hù)的部位，通過測頭部位的傳感器感知液體壓力獲得位置變化的數(shù)據(jù)，如果將儲液罐同時埋入，兩點(diǎn)間的相對垂直位移就可很方便地獲得。這種監(jiān)測系統(tǒng)較好地解決了沉降管監(jiān)測局部填料差異引起的沉降代表性問題和水管式沉降儀觀測滯后的沉降差異問題，也便于進(jìn)行自動化觀測。從目前應(yīng)用情況和儀器結(jié)構(gòu)看，大多采取將儲液罐固定在沉降體外部，同時將儲液罐埋入的監(jiān)測效果還有待工程驗(yàn)證。

綜上，堆石壩的內(nèi)部沉降監(jiān)測應(yīng)適當(dāng)增加沉降管的布置，同時為了改進(jìn)水管式沉降儀沉降觀測的代表性問題，建議在沉降測頭埋設(shè)時精確測量測頭安裝高程，以便獲得測頭安裝后至首次觀測時的壩體沉降值。

還有一個沉降標(biāo)準(zhǔn)問題，目前在土石壩建設(shè)中大家都習(xí)慣用1%壩高來衡量，有的工程甚至要求將沉降率控制在1%以內(nèi)，有的工程在驗(yàn)收中不去考察沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的來由，單憑報(bào)告的沉降率數(shù)據(jù)就下結(jié)論。從上面的分析可知，不同的監(jiān)測方法、不同監(jiān)測實(shí)施態(tài)度會出現(xiàn)不同的沉降率，如果采取沉降管監(jiān)測，或者沉降監(jiān)測設(shè)施及時得到安裝埋設(shè)、及時取得首次觀測，這樣觀測到的沉降率可能比較大。在高堆石壩或超高堆石壩中，由于高土壓力和高水壓力作用，壩體沉降可能超出常規(guī)堆石壩的沉降規(guī)律，需要在今后的高壩監(jiān)測中不斷總結(jié)提煉。

1.2 水平位移觀測

壩體內(nèi)部水平位移監(jiān)測常采用測斜儀和銦鋼絲位移計(jì)，測斜儀又分固定式和活動式兩種。測斜儀都是通過測量傳感器的角度變化和標(biāo)距來計(jì)算位移的，計(jì)算原理如圖2所示。

圖2中L為測量標(biāo)距，活動式一般為0.5 m，d1、d2、d3、dn為偏移量，θ1、θ2、θ3為角度偏移，d1＋d2＋d3為累計(jì)偏移，減去初始的累計(jì)偏移即為該點(diǎn)的水平位移。由此可知，任意測點(diǎn)的水平位移由其下部測點(diǎn)的位移累加而得，根據(jù)測量誤差的傳播特點(diǎn)分析，活動式測斜儀各點(diǎn)的測量誤差是不相等的，如以底部測點(diǎn)作為不動點(diǎn)測量，越到頂部誤差越大。

固定式測斜儀埋設(shè)在堆石壩中往往測點(diǎn)間距較大，常常達(dá)10 m以上，采用三角形來計(jì)算位移誤差很大，這是因?yàn)榇藭r測點(diǎn)之間的變形不符合三角形假設(shè)，尤其堆石壩是一種典型的非均質(zhì)材料壩，傳感器的角度偏移很難代表兩測點(diǎn)之間這么大區(qū)間的偏移，所以固定式測斜儀用于堆石壩水平位移監(jiān)測，測點(diǎn)間距應(yīng)盡量小。

圖2 測斜儀計(jì)算原理Fig.2 Calculation principle of inclinometer

銦鋼絲位移計(jì)相對于測斜儀而言，埋設(shè)難度和施工干擾較大，且觀測數(shù)據(jù)因測點(diǎn)沉降影響和鋼絲徐變影響使觀測精度降低，所以在埋設(shè)銦鋼絲位移計(jì)時應(yīng)相應(yīng)設(shè)置沉降測點(diǎn)，在儀器選型和埋設(shè)時應(yīng)特別注意鋼絲支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和鋼絲質(zhì)量。

1.3 壩基變形

通常在進(jìn)行壩體內(nèi)部變形監(jiān)測時，習(xí)慣以壩基作不動點(diǎn)為參照物，如測斜管、沉降管的安裝埋設(shè)時，一般要求埋設(shè)在完整基巖中。堆石壩的基礎(chǔ)一般沒有混凝土壩要求高，很多時候大壩是在覆蓋層上稍做處理后進(jìn)行填筑的，對于許多工程，由于覆蓋層較厚，埋設(shè)至完整基巖不太現(xiàn)實(shí)，此時的大壩變形觀測值必須考慮壩基變形的影響。一般來說，沉降觀測受壩基影響較大，而且不同的監(jiān)測手段，影響是不一樣的。采用沉降管觀測沉降，在施工期一般以管底作為不動點(diǎn)進(jìn)行觀測計(jì)算，觀測到的沉降是相對于壩基的。采用水管式沉降儀觀測沉降時，一般用觀測房的絕對高程作為基準(zhǔn)，觀測計(jì)算的沉降就包含了壩基的沉降，此時如需計(jì)算壩體沉降就應(yīng)考慮扣除壩基沉降，一般可通過壩基試驗(yàn)成果推算壩基沉降，也可通過在壩基埋設(shè)基巖變位計(jì)實(shí)測壩基變形。圖3是某堆石壩經(jīng)過強(qiáng)夯處理的壩基沉降觀測實(shí)測資料，最大沉降約為100 mm。

圖3 某堆石壩經(jīng)過強(qiáng)夯處理的壩基沉降觀測曲線Fig.3 Foundation settlement of a rock-fill dam after treatment by heavy tamping

2 防滲監(jiān)測問題

滲流監(jiān)測是堆石壩的重點(diǎn)監(jiān)測項(xiàng)目，主要是監(jiān)控防滲系統(tǒng)的防滲效果，所以混凝土面板和趾板就是面板堆石壩的主要監(jiān)測對象。水庫蓄水后，防滲結(jié)構(gòu)的破壞一般伴隨著滲流，所以在防滲趾板、面板裂縫監(jiān)測處應(yīng)同時布置滲壓計(jì)進(jìn)行滲壓監(jiān)測，也起到互相校核的作用。尤其是在周邊縫的監(jiān)測中，目前工程中廣泛應(yīng)用的三向測縫計(jì)，實(shí)際監(jiān)測效果并不理想，適當(dāng)多布置些滲壓計(jì)就顯得很重要了。

堆石壩下游的總滲漏量監(jiān)測是考核堆石壩質(zhì)量的重要依據(jù)，一般采用量水堰監(jiān)測，其監(jiān)測成果的準(zhǔn)確性和代表性受量水堰布置、監(jiān)測方法以及環(huán)境的影響較大。有些中小工程往往為了節(jié)約投資，布置量水堰時沒有設(shè)計(jì)相應(yīng)的降雨量等環(huán)境監(jiān)測設(shè)施。如某工程下游量水堰滲流監(jiān)測成果見圖4，圖中2006年和2007年5～9月間的滲流異常波動即受降雨影響所致，因缺乏相應(yīng)的降雨監(jiān)測手段而無法修正。

圖4 滲流量和庫水位的變化曲線Fig.4 Curve of seepage and the water level of reservoir

3 混凝土面板應(yīng)力監(jiān)測問題

混凝土面板應(yīng)力監(jiān)測通常采用應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)，采用應(yīng)變計(jì)監(jiān)測面板應(yīng)力時需要埋設(shè)無應(yīng)力計(jì)來扣除混凝土自生體積變形。由于無應(yīng)力計(jì)的體積較大，而面板在厚度方向的尺寸很小，為了不影響面板結(jié)構(gòu)的完整，一般都將無應(yīng)力計(jì)埋設(shè)在面板下部的墊層料里，而實(shí)際上，由于在墊層料中人為楔入了一個硬質(zhì)的混凝土墩，可能對混凝土面板變形產(chǎn)生約束作用，導(dǎo)致混凝土面板局部受力狀態(tài)改變。

混凝土的自生體積變形是由于水泥水化作用和其它一些未知的物理化學(xué)變化引起的，其大小主要由化學(xué)收縮和自收縮的大小決定,主要來自膠凝材料的水化。影響混凝土化學(xué)收縮和自收縮的主要因素是水膠比、水泥的礦物組成、摻合料品種及其摻量、膠凝材料的細(xì)度、集料的顆粒尺寸和養(yǎng)護(hù)溫濕度等。水泥熟料中C3A、C3S的含量越大，化學(xué)收縮越大；膠凝材料的細(xì)度和用量越大，化學(xué)收縮越大;低水膠比更易引發(fā)自收縮?？梢哉f混凝土自生體積變形主要取決于膠凝材料的特性和用量，采用室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試件的自生體積變形觀測數(shù)據(jù)是可以代表的，況且現(xiàn)場儀器埋設(shè)方法不當(dāng)造成的觀測誤差有時也會很大而無法正確應(yīng)用，這在一些工程的觀測資料中可以看出，如原材料相同、配合比相同、施工方法相同的混凝土，在結(jié)構(gòu)相同的不同部位觀測到的自生體積變形不但大小不同，有時甚至規(guī)律也不同。

計(jì)算混凝土面板應(yīng)力時，除需要自生體積變形資料，還需要混凝土線膨脹系數(shù)、混凝土徐變等資料，而許多中小工程往往缺乏徐變和線膨脹系數(shù)的實(shí)測資料，一般都采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。我國幅員遼闊，混凝土原材料性質(zhì)變化很大，加上各種外加劑和摻和料的應(yīng)用，都會影響到這些引用參數(shù)的準(zhǔn)確性。如混凝土線膨脹系數(shù)一般按10×10-6/℃計(jì)算，而室內(nèi)實(shí)測數(shù)據(jù)則在5×10-6/℃～14×10-6/℃之間，偏差達(dá)40%～50%。為了減小計(jì)算誤差，實(shí)際計(jì)算時常常采用現(xiàn)場埋設(shè)的無應(yīng)力計(jì)資料計(jì)算混凝土線膨脹系數(shù)，這基于無應(yīng)力計(jì)測得的變形僅包含溫度變形，所以一般選擇儀器埋設(shè)后期的降溫段，假定混凝土自生體積變形在后期基本穩(wěn)定無變化。但在混凝土面板中，由于面板較薄，受蓄水等因素影響存在一定的濕度變形，況且儀器埋設(shè)后受蓄水影響，溫度變化很小，回歸計(jì)算的混凝土線膨脹系數(shù)離散性較大。

針對上述情況，建議在混凝土面板應(yīng)力監(jiān)測中規(guī)定進(jìn)行室內(nèi)自生體積變形和混凝土線膨脹系數(shù)試驗(yàn)，并以此數(shù)據(jù)作為計(jì)算依據(jù)，現(xiàn)場無應(yīng)力計(jì)可適當(dāng)減少甚至不埋。

4 結(jié) 語

混凝土面板堆石壩的發(fā)展，隨著一些200 m級的高壩建成，正朝著越來越高的趨勢發(fā)展，一些超高壩正在建設(shè)和設(shè)計(jì)中，對安全監(jiān)測的要求也越來越高。毋庸置疑，隨著壩工技術(shù)的發(fā)展，近20年來，我國大壩安全監(jiān)測技術(shù)得到了快速發(fā)展，為水工建筑物的安全起到了保駕護(hù)航的作用，這是正面的，另一方面，也出現(xiàn)了一些“生搬硬套”、“拿來就用”帶來的問題。本文提到的一些問題是我國目前混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測中較常見的，旨在提請監(jiān)測人員注意并進(jìn)行探討。