西龍池下庫大壩施工期沉降分析

　　摘要：通過對山西西龍池下水庫大壩覆蓋層基礎(chǔ)處理、填筑施工強度、大壩干密度及變形模量檢測、大壩沉降觀測資料等進(jìn)行分析，研究西龍池下水庫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)確地推測整個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，計算結(jié)果與實際值相差較大，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，即施工中可以通過提高壩體密度和變形模量來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、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫、地面開關(guān)站等建筑物組成，工程等級為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臺機組發(fā)電，發(fā)電工期為5a。

　　下水庫位于滹沱河左岸，為岸邊式水庫，按設(shè)計正常蓄水位838.0m計，高出河床（高程662.0m）176.0m，水庫死水位798.0m，總庫容494.2萬m3，調(diào)節(jié)庫容421.5萬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，壩頂長度538.0m，最大壩高97.0m（壩軸線位置）。

　　下水庫壩基為覆蓋層，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);其飽和抗壓強度為60.1～110.2MPa，均屬堅硬巖類;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

　　下水庫堆石壩從上游至下游依次為2A墊層區(qū)、3A過渡層、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)排水過渡層，下游壩腳設(shè)排水棱體。

　　大壩于2004年7月1日開始填筑，大壩填筑由低到高隨壩基的開挖和驗收進(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日開始從725.24m高程開始填筑，填筑施工采用全斷面上升法。主堆石區(qū)因壩基基礎(chǔ)處理和驗收的影響，垂直于壩軸線方向上分3個工作面進(jìn)行填筑，第1個工作面于2005年1月27日從主堆的最低處基礎(chǔ)746.15m高程開始填筑;第2個工作面于2005年11月14日從778.53m高程開始填筑;第3個工作面于2005年12月18日從775.31m高程開始填筑。第2個工作面和第3個工作面在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日填至同一個高程814.236m。兩側(cè)壩基排水過渡區(qū)與主、次堆石區(qū)同時上升。壩前2A墊層區(qū)和3A過渡區(qū)與主堆石區(qū)第3個工作面同時上升。

　　大壩各區(qū)在填筑施工前，均進(jìn)行了碾壓試驗，取得了相應(yīng)的碾壓施工參數(shù)。墊層和過渡區(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振動碾碾壓。

　　2.2 壩基開挖及處理施工方法

　　壩基覆蓋層開挖根據(jù)設(shè)計開挖深度采用大型挖掘機自上而下逐層開挖。壩基處理主要對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。

　　壩基開挖完成后，采用地質(zhì)雷達(dá)對整個覆蓋層進(jìn)行探測，次堆石區(qū)每10m寬度布設(shè)1條地質(zhì)雷達(dá)探測測線，主堆石區(qū)每2m寬度布設(shè)1條，檢測前通過不同頻率、不同點距、不同采樣率、不同疊加次數(shù)的參數(shù)進(jìn)行試驗探測，選定最佳檢測參數(shù)。經(jīng)過探測，壩基10m深度范圍內(nèi)主堆石區(qū)壩基無2m×2m的透鏡體和架空層，次堆石區(qū)壩基無10m×10m的透鏡體和架空層。共探測小于上述規(guī)格的透鏡體和架空層12個，經(jīng)開挖驗證，證明探測結(jié)果較為準(zhǔn)確，挖除后采用碎石土分層夯實處理。

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

　　壩基開挖完成后，覆蓋層均進(jìn)行了方格網(wǎng)密度和級配檢測，主堆石壩基為25m×25m方格，次堆石壩基為50m×50m方格。密度和級配達(dá)不到設(shè)計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

　　大壩在填筑過程中，壩基底部排水過渡料來至閃虎溝料場，兩側(cè)壩基排水過渡料來至水泉灣料場;排水棱體料來至閃虎溝料場;次堆石區(qū)填筑料來至庫岸石方開挖和少部分的地下廠房洞挖料;主堆石區(qū)和過渡料填筑以水泉灣料場為主，閃虎溝料場為輔，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。

　　下水庫次堆石所用的庫岸石方開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和閃虎溝料場均為中厚層的新鮮弱風(fēng)化灰?guī)r料。

　　4 沉降觀測

　　下水庫共埋設(shè)沉降測斜管7個，其分布情況和監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1。

　　根據(jù)以上兩次監(jiān)測數(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 變形模量實驗結(jié)果

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

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　　6 干密度試驗結(jié)果

　　大壩填筑干密度試驗均采用灌水法，每個填筑驗收單元至少進(jìn)行1個干密度點檢測。各區(qū)干密度檢測情況如表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觀測管所在大壩填筑分區(qū)上升過程中大壩填筑高程與沉降管監(jiān)測當(dāng)時的填筑高程所對應(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觀測管所在大壩填筑分區(qū)上升過程中大壩填筑高程與沉降管監(jiān)測的當(dāng)時填筑高程所對應(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

　　通過西龍池下水庫堆石壩覆蓋層基礎(chǔ)及大壩在施工期的沉降、壩體干密度檢測和變形模量檢測成果，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:

　　（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)確地推測整個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。

　　（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，計算結(jié)果與實際值相差較大，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，即施工中可以通過提高壩體密度和變形模量來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)定沉降過程，反應(yīng)了大壩的實際堆石填筑加荷過程。提高壩體上升速度可以有效縮短施工期沉降時間。