菲古坝顶溢流面板堆石坝运行期变形特性分析

赵泽锦，周 斌，龙 建，习利华,湛 杰

(1.文山州白牛厂水务开发有限公司，云南 文山 663099；2.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

面板堆石坝在当今水坝中的比重日益增大，特别在高坝领域数量较多，具有施工快、造价低的优点[1-3]。而溢流面板堆石坝更因其显著的独特性而逐渐受到工程界的重视，溢流面板坝避免了在地形复杂区域修建溢洪道，节省了投资，同时避免了开挖弃渣，减小了对自然环境的影响[4]。但坝顶溢流同样具有极高的风险，正确认识该类型坝体的变形特性将有助于类似工程的设计与施工，具有重大的工程价值。

混凝土面板坝其安全性深受坝工界青睐，较少出现坝身整体失稳现象[5-6]，变形破坏问题主要集中在混凝土面板和趾板上[7-9]，但坝顶溢流面板坝一般坝高较矮，面板变形问题并不突出，其坝顶溢洪道的安全可靠性是更为关注的主要问题。与建造在岸坡的溢洪道相比，坝顶溢流最不利的影响因素是堆石体作为基础具有沉降变形的显著特点[10]。合理控制堆石体变形是坝顶溢流方案成立的关键问题，主要采取的措施主要是提高溢洪道坝段的坝体变形模量，选用合适的筑坝材料、提高填筑标准等手段[11-12]。目前国内对于坝顶溢流面板坝的运行期变形特性缺少实测数据的研究与总结，特别是坝顶溢洪道的沉降与变形[13-14]，泄洪时高速水流作用在溢洪道泄槽边墙与底板上，若溢洪道各泄槽段发生较大的不均匀沉降，一旦发生破坏后果极其严重[15]。因此，在设计与施工时应高度控制坝体与溢洪道的沉降与变形。

本文以监测资料为基础，采用时空序列类比、相关性分析等手段，对云南省白牛厂菲古水库坝顶溢流面板坝的坝体和溢洪道变形特性进行分析研究，着重分析影响变形的控制因素，最后对大坝和溢洪道的安全性态进行综合评价。

1 工程概况

菲古水库最大坝高51.5 m，坝顶宽度6 m，坝顶总长230 m。坝顶溢洪道最大下泄流量94.7 m3/s，净宽8 m，堰顶高程1 696 m。

溢洪道控制段及泄槽的1 668 m高程以上部分建在坝身之上，泄槽1 668 m高程以下大部分建在基岩上。溢洪道泄槽坝段填筑料采用主堆石料参杂部分埋石混凝土，泄槽底板下分别铺垫厚1.0 m的垫层区和1.5 m的过渡区。泄槽为矩形断面，底坡为1.0∶1.5，导水边墙厚1.0 m，水平全长63.3 m，为混凝土矩形槽结构；泄槽底板采用厚度1.0 m钢筋混凝土结构。

2 监测设计

2.1 设计原则

监测系统布置主要遵行了以下原则[16]。

a)目的明确，针对性强。布设变形监测系统的主要目的是掌握坝体和坝顶溢洪道的相对位移，了解整体变形的时空分布规律，监测项目设置和测点布置应围绕监测大坝变形安全为主。

b)系统布置，重点突出。监测项目应空间布局合理，同时重点监测关键部位，对关键部位应集中优势，重点反应，做到既能全面反映工程的运行状态，又能突出重点，做到少而精。

c)方法简洁，易于巡查。观测项目安装应尽量简单可靠，易于保证质量，减少对主体工程施工影响，同时应做到监测仪器布置与巡视检查相结合。保证在恶劣条件下，仍能进行必要项目的监测。

2.2 主要监测项目及布置

为考察大坝的变形情况，在坝顶布置了8个变形观测水准墩；为了测量溢洪道边墙横向错动，布置了6个测缝计，并在溢洪道底板布置2个位错计。溢洪道坝段位错计和测缝计布置见图1，各检测仪器布置参数见表1。

菲古水库混凝土面板堆石坝于2019年12月完成大坝填筑，本次研究范围为大坝蓄水后运行期变形特性分析，因此相关监测数据自2020年10月下旬始。

图1 坝顶溢洪道位错计和测缝计布置示意(cm)

表1 测量仪器布置参数

3 成果分析

3.1 坝体

大坝坝顶的顺河向水平变形和竖直变形见图2、3，监测成果均为大坝填筑完毕蓄水后运行期变形值。顺河向水平变形以指向下游为正，垂直变形以竖直向下为正。

由图2可以看出，蓄水后分析时段内沉降最大值约为14.2 mm，最大沉降测点TP5位于大坝填筑高度最高坝段附近；夏季测得坝顶沉降最小值约为3.4 mm，最小沉降测点TP3位于坝顶溢洪道堰顶，由于坝顶溢厚道下方坝体填筑料为主堆石料与水泥混合埋石混凝土，因此变形量较小。

由图3可以看出，顺河向水平变形最大值约21.2 mm，最大变形测点TP6位于河床中心附近。水平变形值略大于沉降值，大坝中部河床段沉降量大于岸坡坝段，为不规则“U”形分布，基本呈现中间大两头小的规律，溢洪道附近坝段略小于河床坝段位移。

图2 坝顶沉降测值分布

图3 坝顶顺河向水平变形测值分布

其中测点TP3位于坝顶溢洪道，测点TP6位于大坝最高断面坝顶处，关键测点TP3和TP6监测数据与环境变量的监测成果见图4。由图中可以看出，随着库水位的上升，顺河向位移和沉降均逐渐增大，随着库水位的回落，变形也逐渐缩小。大坝变形与库水位呈正相关，而气温、水温均和大坝变形相关性不大。

a)顺河向水平位移与库水位测值

b)顺河向水平位移与气温、水温测值

c)垂直位移与库水位测值

d)垂直位移与气温、水温测值

为了找出影响坝体变形的关键因素，将测点TP3(溢洪道坝段)和测点TP6(最高坝段)的监测数据与上游库水位、气温(测点高程1 687 m)和上游水温(测点高程1 673 m)进行相关性分析，分析结果见图5。

从统计数据可以看出，对于测点TP6：气温对坝顶水平变形和沉降量的影响最大，与水平变形相关系数R1为0.72，与沉降量相关系数R2为0.83；其次为库水位，与水平变形相关系数R1为0.72，与沉降量相关系数R2为0.62；水温相关性最低，与水平变形相关系数R1为0.42，与沉降量相关系数R2为0.61。说明大坝变形与水温关系不大，但受到库水位和气温的影响。

对于测点TP3，库水位对坝顶水平变形和沉降量的影响最大，与水平变形相关系数R1为0.69，与沉降量相关系数R2为0.64；其次为气温，与水平变形相关系数R1为0.62，与沉降量相关系数R2为0.73；水温相关性最低，与水平变形相关系数R1为0.30，与沉降量相关系数R2为0.61，说明溢洪道坝段变形与水温关系不大，但收到库水位影响和气温影响。

比较测点TP6和TP3可知，测点TP6的坝顶水平变形与沉降量对外界环境因素更为敏感，容易受到环境变量的影响。而测点TP3坝段坝高较矮，坝高仅24 m，填筑材料为主堆石料参杂埋石混凝土，自身变形小，受环境变量的影响较少。

a)顺河向水平位移与库水位

b)顺河向水平位移与气温

c)顺河向水平位移与水温

d)垂直位移与库水位

e)垂直位移与气温

f)垂直位移与水温

3.2 溢洪道

坝顶溢洪道底板各泄槽段错动情况和泄槽边墙错动情况见图6。从图中可以看出，泄槽底板和边墙最大错动量不超过0.2 mm。位错量与测点温度呈明显的相关性，测点温度高则错动量大，温度低侧错动量小。为了评估温度对溢洪道相邻泄槽段错动变形的影响程度，将测点IF1(1号泄槽与2号泄槽底板连接处)、测点IF2(2号泄槽与3号泄槽底板连接处)的监测数据，以及测点JY4(1号泄槽与2号泄槽边墙连接处)、测点JY5(2号泄槽与3号泄槽边墙连接处)的监测数据与各自测点温度进行相关性分析，分析结果见图7。

a)泄槽底板位错值与测点温度

b)泄槽边墙位错值与测点温度

a)泄槽底板位错值与测点温度

b)泄槽边墙位错值与测点温度

由图7可以看出，相邻泄槽底板和边墙的错动量与温度呈高度相关性，其中泄槽底板与温度相关系数R1为0.80，泄槽边墙与温度R2为0.92。且错动量均小于0.3 mm，错动量可随温度的变化增大或减小，说明相邻泄槽的错动量基本上是混凝土结构热胀冷缩引起的，并非由于坝体的沉降等其他原因。为评估本工程泄槽的安全风险，按照式(1)可估算温度变形ST[17]：

ST=Hε=HαΔT

(1)

式中H——混凝土结构长度；ε——温度应变；α——线膨胀系数；ΔT——温度变化量。

混凝土线膨胀系数取5×10-6/℃，温度变化为20℃，泄槽宽8 m可计算出温度变形为0.8 mm，即相邻泄槽错动量理论最大值可为1.6 mm，实测值仅为0.3 mm，说明泄槽虽然受到温度影响，但相邻泄槽变形协调，错动量较小，泄槽处于较安全状态。监测表明，菲古坝溢洪道坝段采用主堆石料混杂少量埋石混凝土的做法，不仅减少了大坝运行期溢洪道沉降，使得沉降量与周边相邻坝体基本保持一致，而且溢洪道变形协调，各泄槽段未出现显著不均匀沉降，说明该法是行之有效的。

4 结论

运用数理统计、时空分布分析等手段相结合的方法，对菲古水库坝顶溢流面板坝运行期的坝体和坝顶溢洪道泄槽变形特性进行了深入分析，主要结论如下。

a)大坝坝顶水平变形和沉降量均小于安全警戒值，水平变形值略大于沉降值，大坝中部河床段沉降量大于岸坡坝段，为不规则“U”形分布，基本呈现中间大两头小的规律，溢洪道附近坝段略小于河床坝段位移。

b)大坝和溢洪道变形与水温关系不大，但受库水位和气温的影响。相比采用主堆石料参杂埋石混凝土的溢洪道坝段，采用主堆石料的最大坝高坝段变形对外界环境因素更为敏感，更容易受到环境变量的影响。

c)溢洪道泄槽边墙与底板错动量对温度十分敏感，错动量基本上是混凝土结构热胀冷缩引起的，并非由于坝体的沉降等其他原因。相邻泄槽变形协调，错动量小，处于较安全状态。

d)采用主堆石料混杂少量埋石混凝土的做法，可以减少大坝运行期坝顶溢洪道的沉降，并使溢洪道内部变形保持协调，减少不均匀沉降。