西龍池下庫(kù)大壩施工期沉降分析

　　摘要：通過(guò)對(duì)山西西龍池下水庫(kù)大壩覆蓋層基礎(chǔ)處理、填筑施工強(qiáng)度、大壩干密度及變形模量檢測(cè)、大壩沉降觀測(cè)資料等進(jìn)行分析，研究西龍池下水庫(kù)大壩在深厚覆蓋層條件下施工期沉降的影響因素和沉降規(guī)律。結(jié)果表明:①壩基覆蓋層的穩(wěn)定沉降量與壩體高度和覆蓋層厚度之比成一元二次方程遞增關(guān)系，由此可以研究和較準(zhǔn)確地推測(cè)整個(gè)覆蓋層壩基的沉降變形情況。②不同分區(qū)內(nèi)壩體的施工期沉降與壩高成一元二次方程遞增關(guān)系。③理想的均一狀態(tài)下，壩體的施工期沉降與壩高的平方成正比，與密度成正比，與變形模量成反比。由于大壩的非均質(zhì)性，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值相差較大，但大壩的施工期沉降與壩高、密度、變形模量的關(guān)系可以在一定程度上反應(yīng)出來(lái)，即施工中可以通過(guò)提高壩體密度和變形模量來(lái)減少壩體施工期沉降。 

　　關(guān) 鍵 詞：施工方法;沉降沉降;面板堆石壩;西龍池抽水蓄能電站

　　1 工程概況

　　山西西龍池抽水蓄能電站位于山西省忻州市五臺(tái)縣境內(nèi)，滹沱河與清水河交匯處上游約3km處的滹沱河左岸。西龍池抽水蓄能電站由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫(kù)、地面開(kāi)關(guān)站等建筑物組成，工程等級(jí)為Ⅰ等。工程建設(shè)總工期為6a，2009年8月工程竣工，2008年8月第1臺(tái)機(jī)組發(fā)電，發(fā)電工期為5a。

　　下水庫(kù)位于滹沱河左岸，為岸邊式水庫(kù)，按設(shè)計(jì)正常蓄水位838.0m計(jì)，高出河床（高程662.0m）176.0m，水庫(kù)死水位798.0m，總庫(kù)容494.2萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容421.5萬(wàn)m3，工作水深46.5m，擋水壩壩型為瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂高程840.0m，壩頂長(zhǎng)度538.0m，最大壩高97.0m（壩軸線位置）。

　　下水庫(kù)壩基為覆蓋層，其覆蓋層分布廣、厚度大，壩體上、下游坡腳的連線整體坡向下游，坡度8°～10°，壩基左、右側(cè)分別為大龍池溝和瓦窯溝兩個(gè)沖溝，沖溝均為深厚碎石土覆蓋層。大龍池溝及瓦窯溝兩沖溝中部為巖基小山梁。

　　覆蓋層的地質(zhì)特性表現(xiàn)為各區(qū)覆蓋層的顆粒組成和物理性質(zhì)存在差異性，因在形成時(shí)代、沉積層序、組成物質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征上均存在差異，即使是處于同一區(qū)內(nèi)的洪積物，其物質(zhì)組成在粒徑、含量、膠結(jié)程度和厚度等方面也不相同。覆蓋層碎石的巖性以灰?guī)r為主，其次為白云巖，均處于弱風(fēng)化狀態(tài);其飽和抗壓強(qiáng)度為60.1～110.2MPa，均屬堅(jiān)硬巖類;吸水率一般在0.15%～0.50%之間;軟化系數(shù)為0.55～0.93。覆蓋層碎石的體形特征為棱角—次棱角狀。

　　2 施工方法

　　2.1 大壩填筑施工方法

　　下水庫(kù)堆石壩從上游至下游依次為2A墊層區(qū)、3A過(guò)渡層、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)，底部覆蓋層及兩側(cè)岸坡基礎(chǔ)設(shè)排水過(guò)渡層，下游壩腳設(shè)排水棱體。

　　大壩于2004年7月1日開(kāi)始填筑，大壩填筑由低到高隨壩基的開(kāi)挖和驗(yàn)收進(jìn)行施工，先進(jìn)行大龍池溝及瓦窯溝溝底基礎(chǔ)的排水過(guò)渡料及大壩下游坡腳的排水棱體填筑。次堆石區(qū)于同年8月28日開(kāi)始從725.24m高程開(kāi)始填筑，填筑施工采用全斷面上升法。主堆石區(qū)因壩基基礎(chǔ)處理和驗(yàn)收的影響，垂直于壩軸線方向上分3個(gè)工作面進(jìn)行填筑，第1個(gè)工作面于2005年1月27日從主堆的最低處基礎(chǔ)746.15m高程開(kāi)始填筑;第2個(gè)工作面于2005年11月14日從778.53m高程開(kāi)始填筑;第3個(gè)工作面于2005年12月18日從775.31m高程開(kāi)始填筑。第2個(gè)工作面和第3個(gè)工作面在2006年2月12日與787.284m高程齊平，主堆石區(qū)在2006年4月29日與807.245m高程合并為1個(gè)工作面。主堆石區(qū)和次堆石區(qū)于2006年6月3日填至同一個(gè)高程814.236m。兩側(cè)壩基排水過(guò)渡區(qū)與主、次堆石區(qū)同時(shí)上升。壩前2A墊層區(qū)和3A過(guò)渡區(qū)與主堆石區(qū)第3個(gè)工作面同時(shí)上升。

　　大壩各區(qū)在填筑施工前，均進(jìn)行了碾壓試驗(yàn)，取得了相應(yīng)的碾壓施工參數(shù)。墊層和過(guò)渡區(qū)因?qū)挾葍H3m，填筑施工采用自卸車后退法卸料，挖掘機(jī)平料和修面;其它各區(qū)均采用20～25t自卸車進(jìn)占法卸料，大型推土機(jī)平料，自行式破碎錘超徑石處理，采用兩側(cè)壩肩布置的供水系統(tǒng)接φ100水管進(jìn)行灑水，15～20t振動(dòng)碾碾壓。

　　2.2 壩基開(kāi)挖及處理施工方法

　　壩基覆蓋層開(kāi)挖根據(jù)設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度采用大型挖掘機(jī)自上而下逐層開(kāi)挖。壩基處理主要對(duì)壩基分布的勘探豎井、平洞、探槽、主堆石區(qū)覆蓋層中分布的深度10m內(nèi)的土質(zhì)透鏡體和松散碎石土架空層等平面尺寸大小為2m×2m的基礎(chǔ)缺陷、次堆石區(qū)覆蓋層中分布的深度10m內(nèi)的土質(zhì)透鏡體和松散碎石土架空層等平面尺寸大小為10m×10m的基礎(chǔ)缺陷、土巖分界處的巖坡地質(zhì)陡坎等進(jìn)行處理。

　　壩基開(kāi)挖完成后，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)整個(gè)覆蓋層進(jìn)行探測(cè)，次堆石區(qū)每10m寬度布設(shè)1條地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)測(cè)線，主堆石區(qū)每2m寬度布設(shè)1條，檢測(cè)前通過(guò)不同頻率、不同點(diǎn)距、不同采樣率、不同疊加次數(shù)的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)探測(cè)，選定最佳檢測(cè)參數(shù)。經(jīng)過(guò)探測(cè)，壩基10m深度范圍內(nèi)主堆石區(qū)壩基無(wú)2m×2m的透鏡體和架空層，次堆石區(qū)壩基無(wú)10m×10m的透鏡體和架空層。共探測(cè)小于上述規(guī)格的透鏡體和架空層12個(gè)，經(jīng)開(kāi)挖驗(yàn)證，證明探測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，挖除后采用碎石土分層夯實(shí)處理。

　　壩基分布的豎井為地質(zhì)勘探井，兼做大壩沉降監(jiān)測(cè)儀器的埋設(shè)點(diǎn)。開(kāi)挖時(shí)為保證施工期安全，采用黃砂回填，開(kāi)挖至設(shè)計(jì)高程后，人工將黃砂清除，采用碎石土逐層夯實(shí)。 [Page]

　　壩基開(kāi)挖完成后，覆蓋層均進(jìn)行了方格網(wǎng)密度和級(jí)配檢測(cè)，主堆石壩基為25m×25m方格，次堆石壩基為50m×50m方格。密度和級(jí)配達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的部位按要求進(jìn)行了挖除，面積和深度較大的部位采用回填黃砂和墊層料兩層過(guò)渡處理。

　　壩基部位出露的土巖、分界巖坡、地質(zhì)陡坎，采用墊層料摻水泥貼坡回填處理，處理后的坡度緩于1∶4。

　　3 料源

　　大壩在填筑過(guò)程中，壩基底部排水過(guò)渡料來(lái)至閃虎溝料場(chǎng)，兩側(cè)壩基排水過(guò)渡料來(lái)至水泉灣料場(chǎng);排水棱體料來(lái)至閃虎溝料場(chǎng);次堆石區(qū)填筑料來(lái)至庫(kù)岸石方開(kāi)挖和少部分的地下廠房洞挖料;主堆石區(qū)和過(guò)渡料填筑以水泉灣料場(chǎng)為主，閃虎溝料場(chǎng)為輔，壩軸線以下主堆石區(qū)部分采用水泉灣斷層帶風(fēng)化巖填筑;墊層料為水泉灣料場(chǎng)爆破料經(jīng)砂石系統(tǒng)破碎形成的碎石料與黃砂按比例摻和而成。

　　下水庫(kù)次堆石所用的庫(kù)岸石方開(kāi)挖料與地下廠房洞挖料巖性均為灰?guī)r，巖石物理力學(xué)性相近;主堆石區(qū)填筑所用的水泉灣料場(chǎng)和閃虎溝料場(chǎng)均為中厚層的新鮮弱風(fēng)化灰?guī)r料。

　　4 沉降觀測(cè)

　　下水庫(kù)共埋設(shè)沉降測(cè)斜管7個(gè)，其分布情況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1。

　　根據(jù)以上兩次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，壩基覆蓋層的施工期沉降已趨于穩(wěn)定，壩體沉降在2006年8月底填筑到頂后沉降已明顯趨緩。

　　5 變形模量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　下水庫(kù)壩體在上升過(guò)程中對(duì)各填筑區(qū)進(jìn)行了多次變形模量（淺層平板載荷）試驗(yàn)，其檢測(cè)成果如表2。

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　　6 干密度試驗(yàn)結(jié)果

　　大壩填筑干密度試驗(yàn)均采用灌水法，每個(gè)填筑驗(yàn)收單元至少進(jìn)行1個(gè)干密度點(diǎn)檢測(cè)。各區(qū)干密度檢測(cè)情況如表3。

　　7 壩體沉降與壩高

　　為分析壩體的沉降與壩高的關(guān)系，分別選取主堆石區(qū)和次堆石區(qū)的觀測(cè)管在不同填筑高程的最大沉降量進(jìn)行研究，圖3是根據(jù)ES-1、ES-4、ES-7觀測(cè)管所在大壩填筑分區(qū)上升過(guò)程中大壩填筑高程與沉降管監(jiān)測(cè)當(dāng)時(shí)的填筑高程所對(duì)應(yīng)的最大沉降量所繪制的擬合曲線，擬合方程為###y=0.0871x2+1.8069x-14.498，R2=0.9529（R2為關(guān)聯(lián)系數(shù)）。圖4是根據(jù)ES-2、ES-3、ES-5、ES-6觀測(cè)管所在大壩填筑分區(qū)上升過(guò)程中大壩填筑高程與沉降管監(jiān)測(cè)的當(dāng)時(shí)填筑高程所對(duì)應(yīng)的最大沉降量所繪制的擬合曲線，擬合方程為y=0.2409x2-10.372x+127.18，R2=0.9754。因此，大壩的施工期沉降隨壩高的增加成一元二次方程遞增關(guān)系。

　　8 結(jié)論

　　通過(guò)西龍池下水庫(kù)堆石壩覆蓋層基礎(chǔ)及大壩在施工期的沉降、壩體干密度檢測(cè)和變形模量檢測(cè)成果，分析其相互的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而得出西龍池特定地質(zhì)條件、特定筑壩材料下的施工期沉降規(guī)律:

　?。?）壩基覆蓋層的穩(wěn)定沉降量與壩體高度和覆蓋層厚度之比成一元二次方程遞增關(guān)系，由此可以研究和較準(zhǔn)確地推測(cè)整個(gè)覆蓋層壩基的沉降變形情況。

　?。?）不同分區(qū)內(nèi)壩體的施工期沉降與壩高成一元二次方程遞增關(guān)系。

　?。?）理想的均一狀態(tài)下，壩體的施工期沉降與壩高的平方成正比，與密度成正比，與變形模量成反比。由于大壩的非均質(zhì)性，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值相差較大，但大壩的施工期沉降與壩高、密度、變形模量的關(guān)系可以在一定程度上反應(yīng)出來(lái)，即施工中可以通過(guò)提高壩體密度和變形模量來(lái)減少壩體施工期沉降。

　?。?）壩體施工期沉降的速度與壩體上升速度基本同步，大壩的不穩(wěn)定沉降過(guò)程，反應(yīng)了大壩的實(shí)際堆石填筑加荷過(guò)程。提高壩體上升速度可以有效縮短施工期沉降時(shí)間。