掌鸠河云龙水库大坝施工期及蓄水初期监测分析.pdf

324探矿工程(岩土钻掘工程)2009年增刊掌鸠河云龙水库大坝施工期及蓄水初期监测分析魏建周(四川大学水利水电学院,四川成都610065)摘要:阐述了云南掌鸠河云龙水库粘土心墙坝在施工期和蓄水初期,粘土心墙渗流及应力变化规律及特征值,对心墙的施工质量进行了初步评价。分析了坝体、坝基蓄水前后的渗流变化情况,对粘土心墙的工况和帷幕阻水效果进行了初步评价,并对心墙蓄水前后的土压力进行了定性分析关键词:粘土心墙坝;安全监测;施工期;蓄水初期;渗流;土压力中图分类号:TV69811文献标识码:A文章编号:1672-7428(2009)S1-0324-071工程概述况。在大坝主监测断面0+1401000,高程2017m云龙水库是昆明市掌鸠河引水供水工程的水源共布置了5支渗压计S6、S7、S8、S9、S10,其3工程,总库容4184亿m,属大型水库工程,工程等中S9、S10为在仪器埋设过程中,由于发现灌浆级为二等,永久性建筑物设计标准为2级,工程区砼底板有裂缝,为监测裂缝渗水,设计追加埋地震基本烈度为7度,按规范规定地震设防烈度为7设;大坝监测断面0+055,高程2045m共布置了级。云龙水库位于昆明市西北部禄劝县的云龙乡,3支渗压计S11、S12、S13,监测坝基孔隙水距昆明市区约86km。水库枢纽建筑物由大坝、导流压力。泄洪隧洞、溢洪道、引水隧洞等组成。大坝为粘土坝体浸润线观测分别布置在0+140m断面及0心墙堆石坝,最大坝高77133m,坝顶高程2095m,+053m断面。0+140m断面从上游到下游共布置3坝轴线长240m。坝壳堆石料填筑方量为117万m,3个坝体浸润线观测孔S1、S2、S3,0+053m断面3反滤料填筑方量为1719万m。从上游到下游共布置2个坝体浸润线观测孔S4、主坝填筑坝底高程▽2019m,上游坝坡在渡汛S5。每个孔内埋设1支渗压计观测。体▽2057100m高程以下坡比为1z212,此高程设在大坝0+140、0+53断面不同高程的心墙及置宽24100m的马道,从马道以上2057100m~下游堆石料中布置了17支渗压计。布置图参见图2095100m坝顶高程坡比收到1z118,下游坝坡坡1、图2。比在高程▽2063m以下为1z1180,▽2063m~212心墙土压力观测仪器布置2095m坝顶坡比为1z1175,其后坝坡在▽2042m、坝体土压力观测采用界面土压力计和土体土压▽2063m、2080m三个高程分别设置三个马道,并力计组观测。界面土压力计观测总土压力,土体土在2042m、2063m处建二个观测房,以便进行坝体压力计组采用观测水平及垂直土压力,确定主观测设备、仪器的永久观测及数据采集处理等应力。工作。界面土压力观测分别在0+140m断面,高程本文对大坝施工期及蓄水初期的心墙应力规律2019100m及0+055m断面,高程2045100m布置4和渗流情况进行了初步分析。组和3组。界面土压力计组每组仪器埋设包括:1支界面土压力计及1~2支渗压计。2观测仪器布置及资料计算土体土压力计组布置在0+140m,2043100m211大坝渗流观测仪器布置高程、0+140m,2063100m高程及0+05510m,在坝基布置了8支渗压计,监测坝基产生的2063100m高程。共布置7组土体土压力计组。土渗流及孔隙水压力和今后大坝运行期间的渗流状体土压力计组每组仪器埋设包括:2支测量水平土收稿日期:2009-08-30作者简介:魏建周(1975-),男,工程师,工程硕士,从事水库运行、管理和安全监测工作,woodywei2165@1261com。 2009年增刊探矿工程(岩土钻掘工程)325压力的土压力计,2支测量垂直土压力的土压力读数。计,2支测量土体孔隙水压力的渗压计。213孔隙水压力计算3渗流观测资料分析钢弦式孔隙水压力计是根据渗流水压力变化会311坝基渗压观测数据过程分析引起钢弦自振频率变化的原理,在室内对每个仪器坝基混凝土盖板下共计埋设有5支渗压计的渗流水压力和钢弦自振频率的关系进行率定,得(过程曲线见图3),S9、S10是在帷幕灌浆过程出两者之间的关系系数K,在大坝渗流压力观测中,坝基盖板隆起并产生裂缝后增加埋设的。S6时,再将测得的频率由该关系式换算出渗透水压埋设与帷幕前,压力稍高,S9和S10埋设位置在力,计算公式为:帷幕后。施工期埋设于坝基的渗压计压力主要受上22Pi=K(f0-fi)游河水水位、降雨量以及开始灌浆压力的影响,压式中:Pi)))某时刻测点的渗透水压力;K)))仪力都是在进入雨季后开始增加,2003年上游导流器系数;f0)))初始频率读数;fi)))某时刻频率洞进口水位一般在2031m左右,2003年6月23日 326探矿工程(岩土钻掘工程)2009年增刊图3坝基渗压计观测过程线达到最大水位高程2042108m,降雨量最大为2003年7月26日,最大值6413mm。除帷幕前S6测值稍大外(0105MPa),其余压力都很小,蓄水前坝基渗透压力很小,测值都很正常。从坝基渗透压力位势表可以看出,在04年2月底大坝蓄水前,坝基渗透压力呈上下游水位高于坝基中部的形状,主要是坝基开挖成凹形后,坝基中部地势比较低,成汇水地点。2004年2月底大坝蓄水后,各测点观测渗透压力明显发生变化,从上游到下游逐渐消散,坝基渗流场发生明显改变,渗透位势完全由库水位控制。从图4、图5中可以看出两者之间的相关性特别好,很好的反映了坝基渗流场的变化。图5坝基S8渗压计库水位相关性图了S9和S10,埋设位置在帷幕后,测值都比较高。从沿坝基渗透压力位势来看,帷幕前和帷幕后渗透压力最大差值为01309MPa,且这种渗透压力差值随库水位基本稳定后保持稳定,所以帷幕前后渗透压力差值为013MPa。从曲线上看坝基这5支渗压计与库水位之间的位势差值基本保持稳定,说明帷幕防渗效果良好。根据坝基0+140断面混凝土盖板下帷幕前后渗透水头差为3019m,渗透路径长度为2815m,按直线计算可得坝基盖板下帷幕前后渗透比降J图4坝基S6渗压计库水位相关性图为1108。蓄水期坝基帷幕前渗压计测值完全受库水位控埋设于0+140m主观测断面的渗压计S6、S7、制,位于帷幕轴线上的S9、S10测值受灌浆施工盖S8,由于测点S6埋设于帷幕前的混凝土盖板下,板隆起影响比较大,测值基本接近或高于帷幕前压力稍高,S7、S8位于帷幕后压力都稍微小些。S6的测值,从大坝蓄水后2年多的观测结果看,由于灌浆施工的影响,设计在坝基仪器埋设时增加该两个测点渗透压力变化稳定,无突变现象,今后 2009年增刊探矿工程(岩土钻掘工程)327运行期观测中要多注意这两个测点的变化,与帷幕段时间的观测结果看,心墙孔隙水压力变化正常。中的S7和上下游渗透压力比较,正确判断读数变水库一期蓄水到2070m高程时,2019高程观测渗化。从近两年的蓄水观测过程看,坝基渗透压力都压计所测比降为111,2043m高程观测渗压计所测比较正常,帷幕防渗效果较好。比降为111,两者相同;二期蓄水到2086高程时,312粘土心墙观测数据过程分析2019m高程观测渗压计所测比降为114,2043高程坝体心墙孔隙水压力观测主要布置了两个观测观测渗压计所测比降为118。从蓄水过程线反映,断面,与土压力观测位置相同。分别是:0+140下游坝基反滤测点处的渗压水头在库水位变化过程断面、0+55断面,0+140断面分3个高程布置渗中基本不受影响,都维持在202215m高程左右,压计,分别为2019高程、2043高程、2063高程;与下游水位相同,下游反滤的水头在204318高程0+55断面分2个高程布置渗压计,分别为2045m急剧下降,降至下游水位高程,水头比降为215左高程、2063m高程。右。在库水位从2070m上升至2086m高程时,下从孔隙水压力的实测压力过程线看出,蓄水游反滤水头比降基本无变化。前,孔隙水压力主要受大坝填筑控制,随坝体升高孔隙水压力也升高。一期大坝填筑结束后最大孔隙4土压力观测资料分析水压力为0122MPa,孔隙水压力不大,说明大坝填土压力计测值从曲线看,水平方向明显比垂筑速度比较好。一期和二期填筑施工之间孔隙水压直方向土压力小,压力随填土高程的增大而增力的下降,为固结过程中的孔隙水压力消散,同时大。测值比较有规律性。对埋设在土压力旁的渗在曲线上体现为心墙中的渗压计EP2、EP3压力减压计孔隙水都很小,从观测值看,心墙中间的渗小,EP1、EP4压力在一期填筑结束后压力开始增压计测值比埋设靠近两侧的测值明显大,这跟孔长,说明心墙中的孔隙水向两边堆石体消散(曲隙水消散的路径有关系。观测值都比较有规律。线见图6、图7)。由于土压力计设计埋设成两个水平方向和两个垂二期填筑开始后,孔隙水压力继续增长,直方向,故最大主应力无法计算得到,对于位于2063m高程孔隙水压力增长最明显,下部孔隙水压心墙轴线上的土压力计可近似把垂直方向做为最力增长已经比较缓慢。大主应力。蓄水后,上游测点孔隙水压力基本跟库水位一一期填筑到206918m高程时,2043m高程最致,主要是此测点埋设于上游反滤料中或者测点距大垂直总土压力为:01521MPa,有效垂直土压力离反滤料比较近,其他测点孔隙水压力除心墙中间为01461MPa,最大水平总土压力为:01267MPa。的渗压计受库水位影响小外,下游反滤料和心墙的二期填筑到2094高程坝顶时,2043m高程最大垂测点基本不受库水位制约,从施工期到运行初期这直总土压力为01770MPa,有效垂直土压力为图6心墙混凝土盖板上2019m高程渗压计过程图 328探矿工程(岩土钻掘工程)2009年增刊图7心墙2043m高程渗压计过程图01655MPa,最大水平总土压力为:01335MPa。01065MPa。变化最大的是水平总土压力,最大增2003年2月底水库开始蓄水,在初蓄水到幅为01145MPa,库水位稳定后压力也基本稳定。2070m高程期间,土压力有小幅度增长,在一期蓄2006年4月到5月由于水库放水,水位降至水稳定库水位后,土压力经过调整,逐渐稳定,稳2082m高程,降幅4m,从图8上可以看出,土压定后的最大垂直总土压力为0189MPa。有效土压力力也有小幅度降低,最大降幅为0102MPa,降幅为:0178MPa。此后随库水位增长土压力变化很比较小。由于库水位在短期内又逐渐抬升,土压小,二次蓄水到2086高程左右时,垂直总土压力力也逐渐增加,从土压力反映的情况看,在库水基本无太大变化,只有个别点存在较大变化,最大位骤降4m后,土压力分布比较正常,大坝比较增幅在心墙轴线位置的土压力计上,增幅为安全。表1坝基0+140断面砼垫层上土压力观测值统计测点编号EJ1EJ2EJ3EJ4埋设高程/m201912201912201912201912距心墙轴距/m2115772115填筑高程部位上反滤心墙心墙下反滤/m有效计算土有效计算土有效计算土有效计算土观测值/MPa总压力总压力总压力总压力压力柱重压力柱重压力柱重压力柱重观测日期/MPa/MPa/MPa/MPa/MPa/MPa/MPa/MPa/MPa/MPa/MPa/MPa2002-12-20011530115201202011320112701188010780107501188013650134301201202818392003-1-20013790137801431012710120101398012040114101398017670173501430203918352003-3-18018240182001752014770130801693014100125401693115971157501750205512702003-6-20112381115011054016810147501972015240133201972210061196511053206918402003-10-19112841120311054016940150401972015450136701972211212108311053206918402003-11-19112911121711064017120151801980015870137701980212342119711062207013002003-12-14113551128511203017710153511109016270139311109212832124811201207619902004-1-8114341137811413018400156711321016640140711321213332129911412208711012004-7-2611484019981155601944016031132101544012361132121498214621155520941000 2009年增刊探矿工程(岩土钻掘工程)329表2坝体2043100m高程心墙轴线处土压力计算(MPa)测点编号E1-1E1-222土柱重实测垂直实测水平纵向桩号(m)0+1400+140计算值/计算值/计算值备注横向桩号(m)0-0030-003观测值观测日期垂直土压力水平土压力MPa直压系数侧压系数2003-1-300100601014010180133201795填筑期间2003-3-300125701130013140181901414填筑期间2003-4-300135401177014410180301401填筑期间2003-6-290143701207015130185101404填筑期间2003-8-300143401203015130184701396填筑期间2003-9-280145201213015130188101415填筑期间2003-10-310145601215015130188901419填筑期间2003-12-290159401274017640177701358填筑期间2004-3-220170601297019750172401305蓄水初期2004-4-260172301323019750174201331蓄水初期2004-5-250171501317019750173401325蓄水初期2004-6-260172001329019750173901338蓄水初期2004-7-260173201346019750175101355蓄水初期从表1、表2数据表明,心墙土压力普遍小于心墙中最大有效土压力为01602MPa,占总土压力上方土柱压力,而高程越高,土压力与土柱压力之的61%,最小有效土压力为01272MPa,占总土压比值越小。力的46%。出现EJ3点处有效土压力突然减小的从总的监测结果看,监测数据规律性比较一原因是在此过程中总土压力突然减小,此位置的渗致,数据能正确反映大坝心墙填筑过程土压力和孔透水压力随库水位上升而增大,故有效土压力减隙水压力的变化。小,在库水位稳定在2070m高程后,此点土压力界面土压力计测值及埋设在起旁边的的渗压计也比较稳定,二次开始蓄水后,此点总土压力随库测值都比较小,土体的有效应力所占比重都还比较水位上升而增大,逐渐恢复至01841MPa,有效土大。界面土压力计所测总土压力随坝体填筑而压力也从占总土压力的46%提高到58%,土体趋增长。于安全。界面土压力计和渗压计目前测值比较有规律,从总体上看,界面土压力的变化很好的反应了随着心墙大坝填筑高程的增大,总土压力也随着逐心墙受力的变化过程,据此可以判断心墙安全。渐增大,从实测曲线上看一致性比较好,目前实测总土压力最大值发生在EJ4上,最大值11388MPa,5结论从测值的分布情况看,在心墙两边的压力比心墙中(1)帷幕削弱水头达76%左右,说明帷幕防部的压力大,从而形成了一个拱型的压力分布。实渗效果良好;测压力比计算压力要小,说明观测结果比较正常。(2)经过近2年多的蓄水及初期运行,心墙底部砼垫层面总土压力分布反映心墙底部土压力分中还未形成浸润线;布不均匀。心墙部分呈低压应力区,上下反滤为高(3)水库蓄水后大坝各测点渗透压力均在正应力区,这种分布与坝体断面拱效应有关。常范围内,符合规律,大坝工作性态正常;从图9可以看出下游反滤埋设的界面土压力计(4)从渗压计观测数据看,库水位与渗压计总土压力明显大于上游反滤,这与大坝横断面内的测值相关性比较好,渗压计测值相对库水位滞后时拱效应有一定关系。在水库蓄水到2070m高程时,间非常短,可以不考虑滞后; 330探矿工程(岩土钻掘工程)2009年增刊(5)土中土压力和接触土压力因受埋设效应资料基本可信,取得的资料可作为评价大坝安全性和拱效应影响,表现出来的情况比较复杂,仪器埋状的依据。从监测的数据结果看,心墙存在拱效设方法基本符合规范要求,以期完好率较高,观测应,同时也反映心墙的应力状态正常。