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摘要：某水库大坝库区流域总面积24．5 km2，翻水面积18．181 km2。大坝坝型为上下游各带一级镇压层的黏土斜墙堆石坝，坝顶高程为8．3 m，坝顶宽为4．5 m，坝顶长度为3 041 m，最大坝高为7．2 m，标准断面最大坝底宽度为51．2 m，基础处理采用塑料排水板排水固结处理方案。笔者结合该工程实践，对在施工过程中大坝沉降观测问题进行分析探讨，得出以下结论，以供同行参考。
关键词：大坝观测；沉降
一、工程地质情况
坝址全区均为第四系覆盖层覆盖，厚度大，上部为全新统海相沉积淤泥质土，土质软弱，下部为更新统冲洪积，冲湖相沉积含泥砂砾石，粉质黏土等，土质较好。土层自上而下可分为：①Ⅰ1层粉质黏土，厚2．9～4．8 m，分布于北坝段；②Ⅱ层粉质黏土，层厚0．2～3．0 m；③ Ⅲ层淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土，层厚6．3～15．3 m；④Ⅲsil淤泥，层厚2．0～5．5 m；⑤Ⅲc粉质黏土，层厚1．0～1．5 m主要分布于东及南坝段；⑥Ⅳ1淤泥质粉质黏土，全区分布，层厚1．5～18．8m；⑦Ⅳsil淤泥，层厚3．0m；⑧Ⅴ1层粉质粘土，层厚0～12．5 m。各土层主要物理力学指标见表1。
表1 各土层主要物理力学指标表
二、观测成果分析
㈠沉降观测
沉降观测时间为2OO4年9月至2OO6年12月，观测成果见表2。以下原因引起沉降量漏测：
(1)沉降板均在塑料排水板施工之后埋设，对于垫层及插板施工影响而产生的沉降未能观测。
(2)局部坝段(如东坝段)由于涂面较低，为使整个坝基垫层在同一高程上，垫层下部铺设石渣，由石渣層产生的沉降未能观测。
(3)在坝体填筑施工期间，轴线部位沉降板屡屡被破坏，虽及时修复，但载瞬间的沉降未能观测。
(4)工程施工后期，坝顶及坝后坡绿化泥土施工时，部分沉降观测点被损坏，而同桩号防浪墙顶的沉降观测点又未能及时完成，期间的沉降未能观测。沉降观测成果见表2
表2 沉降观测成果表（mm）
由表2可知：
(1)东坝段平均沉降量为1486 mm；南坝段平均沉降量为1447 mm；西坝段平均沉降量为1441 mm；北坝段平均沉降量为1383 mm。4个坝段的累计沉降量均小于设计理论计算值，可能的原因有：①大坝沉降还未最终完成，蓄水过程对坝基是一次复加载过程，将进一步引起沉降的产生；②理论计算时可能未考虑碎石层上部的加筋处理，同时目前理论计算方法中对于沉降经验系数Ф的取值只是一种经验系数，对于不同的工程地质条件其取值多少都能引起沉降值估算的误差，该工程取值可能偏大；③实际施工加载过程中，施工期内沉降量必然被重复加载，实际施加于地基上部的附加应力值大于理论计算值。同时，为满足大坝工后沉降的需求，对坝顶采取预留超高加载，而设计对这些荷载均无法准确计算。
(2)以坝轴线观测点为分析对象，东南西北4个坝段平均沉降量趋势如下：北坝段平均沉降量1383 mm小于西坝段平均沉降量1441 mm小于南坝段平均沉降量1 447 mm小于东坝段平均沉降量1是486 mm。这与地质情况是相吻合的，东坝段与南坝段多为池塘及河道所在地，地质条件相对较差一点。
(3)设计计算时北坝段沉降量大于南、西2个坝段，而实测北坝段却最小，主要原因是因为北坝段坝轴线位置与初设有较大的变动。北坝段坝轴线外移，利用老海塘作为坝下游侧镇压层，而老海塘地基经过多年沉降变形，地质情况相对较好，有利于坝基的稳定。
(4)从整体上来看，虽东南2个坝段沉降量相对较大一些，但沉降量差异并不是很大，表明基础沉降较均匀，这对于坝体内侧的防渗土体是有利的。
㈡沉降速率
各观测点每级加载过程中的最大沉降速率Ⅴmax(mm∕d)及间歇期内的平均沉降速率Ⅴaver(mm∕d) (见表3)，2005年9月后，堆石体基本完成，轴线处月平均沉降速率见表4，月平均沉降速率趋势见图1。
表3 沉降速率观测成果表（mm∕d）
表4 沉降观测点2005～2006年平均沉降速率表（mm∕月）
图1 坝轴线2005年9月后平均沉降速率趋势图
由图1可知：
⑴在加荷过程时，瞬时沉降十分明显，最大的达32 mm∕d， 但一般持续时间较短，衰减很快，第2天或第3天即可降为10 mm∕d以内或5mm∕d以下。
⑵加载后的沉降速率变化明显与加载厚度有关，加载过大不仅使沉降速率异常增大，而且使其衰减也较为缓慢。如第级荷载，虽各观测断面已历经30 d或更长时间间歇期，但在加载厚度达1．4 m时，瞬时沉降速率明显比第7级荷载增大不少，最大的甚至达到37 mm∕d，地基虽未出现失稳现象，但第3 d后沉降速率仍有13 mm∕d，直至第4天后才恢复到10 mm∕d以下。
⑶采用薄层多次加载的施工工艺，减少一次集中加载值，可明显减少瞬时沉降。但在采用薄层轮加填筑荷载时，同样要控制好停荷预压期。
⑷堆石体加载施工结束后，轴线处平均沉降速率逐月下降，但内侧防渗体加载依然会影响轴线处沉降的产生，延长地基沉降稳定的时间，至2006年12月，轴线处平均沉降速率已降为0．28 mm∕d。
⑸对于软土地基的堆载排水预压，必须严格控制加载速率。当加载厚度过大，在地基中一定范围的剪应力达到某一临界值时，地基由以弹性变形为主进入以塑性变形为主，这时，在总沉降量中，由地基土剪切变形而产生的沉降将显著增大。如果再盲目加载，或者加上施工交通荷载等不利因素的综合作用，地基中的塑性区将继续扩大，则有可能发生地基的整体破坏。即使地基不出现明显的失稳现象，过大的剪切变形会造成地基土结构的破坏，这对地基的工后沉降控制十分不利。
㈢工后沉降
对于堤坝预留沉降的问题，因缺少地基土的详细土工参数资料，不宜采用纯土力学基本原理来推算预留沉降，这里通过对实测资料进行反馈分析，采用半理论、半经验的计算方法进行预测。具体的来说，利用坝轴线各沉降观测点的观测资料，用指数曲线配合法、双曲线法和法来研究其沉降规律或反算固结参数，来求得预留沉降。推算成果见表4。
表4 公后沉降推算成果表
三、总结与展望
㈠大坝坝基淤泥层的物理力学性能指标较差，为高含水量、高压缩性、低强度超软黏土地基，通过对实测沉降资料的统计以及最终沉降量的推算，总沉降量约占淤泥层厚度的20％ ，地基固结度达到90％左右，沉降已大部分完成。
㈡沉降速率是控制施工加荷速率的重要指标之一。按以往工程经验及湖南省海塘工程技术规定的相关建议，加载时沉降速率控制不大于30 mm∕d。实际施工时，某些部位加载期问最大沉降速率为 32～37 mm∕d，虽然短时间内最大沉降速率大于控制标准，但在及时观测并及时上报建设各方后，积极采取有力措施，并未产生稳定问题，保证了在安全的前提下能够不减慢施工速度，为控制总工期提供了安全依据。
㈢大坝填筑虽已完成，但坝体的沉降过程并没有完成，地基尚有一小部分主固结变形和相应的次固结变形，坝体本身也还有一定量的变形，大坝在蓄水后，由于荷载增加，也将产生相应的变形。因此运行期沉降观测应加强进行，以保证观测资料的连续性，为后期安全性态分析提供保障。
结合稳定、成熟的自动化监测数据采集系统,应用于水工建筑物的工程安全监测是大势所趋,是水利自动化与信息化的必经之路。对大坝进行实时自动化监测,及时掌握大坝的运行状态,对大坝安全性态做出综合评价,在事故到来之前采取对策,不仅可提高预报的精度和调度的准确度,且保证大坝运行安全,促进其经济效益和社会效益充分发挥。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：大坝观测；沉降
一、工程地质情况
坝址全区均为第四系覆盖层覆盖，厚度大，上部为全新统海相沉积淤泥质土，土质软弱，下部为更新统冲洪积，冲湖相沉积含泥砂砾石，粉质黏土等，土质较好。土层自上而下可分为：①Ⅰ1层粉质黏土，厚2．9～4．8 m，分布于北坝段；②Ⅱ层粉质黏土，层厚0．2～3．0 m；③ Ⅲ层淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土，层厚6．3～15．3 m；④Ⅲsil淤泥，层厚2．0～5．5 m；⑤Ⅲc粉质黏土，层厚1．0～1．5 m主要分布于东及南坝段；⑥Ⅳ1淤泥质粉质黏土，全区分布，层厚1．5～18．8m；⑦Ⅳsil淤泥，层厚3．0m；⑧Ⅴ1层粉质粘土，层厚0～12．5 m。各土层主要物理力学指标见表1。
表1 各土层主要物理力学指标表
二、观测成果分析
㈠沉降观测
沉降观测时间为2OO4年9月至2OO6年12月，观测成果见表2。以下原因引起沉降量漏测：
(1)沉降板均在塑料排水板施工之后埋设，对于垫层及插板施工影响而产生的沉降未能观测。
(2)局部坝段(如东坝段)由于涂面较低，为使整个坝基垫层在同一高程上，垫层下部铺设石渣，由石渣層产生的沉降未能观测。
(3)在坝体填筑施工期间，轴线部位沉降板屡屡被破坏，虽及时修复，但载瞬间的沉降未能观测。
(4)工程施工后期，坝顶及坝后坡绿化泥土施工时，部分沉降观测点被损坏，而同桩号防浪墙顶的沉降观测点又未能及时完成，期间的沉降未能观测。沉降观测成果见表2
表2 沉降观测成果表（mm）
由表2可知：
(1)东坝段平均沉降量为1486 mm；南坝段平均沉降量为1447 mm；西坝段平均沉降量为1441 mm；北坝段平均沉降量为1383 mm。4个坝段的累计沉降量均小于设计理论计算值，可能的原因有：①大坝沉降还未最终完成，蓄水过程对坝基是一次复加载过程，将进一步引起沉降的产生；②理论计算时可能未考虑碎石层上部的加筋处理，同时目前理论计算方法中对于沉降经验系数Ф的取值只是一种经验系数，对于不同的工程地质条件其取值多少都能引起沉降值估算的误差，该工程取值可能偏大；③实际施工加载过程中，施工期内沉降量必然被重复加载，实际施加于地基上部的附加应力值大于理论计算值。同时，为满足大坝工后沉降的需求，对坝顶采取预留超高加载，而设计对这些荷载均无法准确计算。
(2)以坝轴线观测点为分析对象，东南西北4个坝段平均沉降量趋势如下：北坝段平均沉降量1383 mm小于西坝段平均沉降量1441 mm小于南坝段平均沉降量1 447 mm小于东坝段平均沉降量1是486 mm。这与地质情况是相吻合的，东坝段与南坝段多为池塘及河道所在地，地质条件相对较差一点。
(3)设计计算时北坝段沉降量大于南、西2个坝段，而实测北坝段却最小，主要原因是因为北坝段坝轴线位置与初设有较大的变动。北坝段坝轴线外移，利用老海塘作为坝下游侧镇压层，而老海塘地基经过多年沉降变形，地质情况相对较好，有利于坝基的稳定。
(4)从整体上来看，虽东南2个坝段沉降量相对较大一些，但沉降量差异并不是很大，表明基础沉降较均匀，这对于坝体内侧的防渗土体是有利的。
㈡沉降速率
各观测点每级加载过程中的最大沉降速率Ⅴmax(mm∕d)及间歇期内的平均沉降速率Ⅴaver(mm∕d) (见表3)，2005年9月后，堆石体基本完成，轴线处月平均沉降速率见表4，月平均沉降速率趋势见图1。
表3 沉降速率观测成果表（mm∕d）
表4 沉降观测点2005～2006年平均沉降速率表（mm∕月）
图1 坝轴线2005年9月后平均沉降速率趋势图
由图1可知：
⑴在加荷过程时，瞬时沉降十分明显，最大的达32 mm∕d， 但一般持续时间较短，衰减很快，第2天或第3天即可降为10 mm∕d以内或5mm∕d以下。
⑵加载后的沉降速率变化明显与加载厚度有关，加载过大不仅使沉降速率异常增大，而且使其衰减也较为缓慢。如第级荷载，虽各观测断面已历经30 d或更长时间间歇期，但在加载厚度达1．4 m时，瞬时沉降速率明显比第7级荷载增大不少，最大的甚至达到37 mm∕d，地基虽未出现失稳现象，但第3 d后沉降速率仍有13 mm∕d，直至第4天后才恢复到10 mm∕d以下。
⑶采用薄层多次加载的施工工艺，减少一次集中加载值，可明显减少瞬时沉降。但在采用薄层轮加填筑荷载时，同样要控制好停荷预压期。
⑷堆石体加载施工结束后，轴线处平均沉降速率逐月下降，但内侧防渗体加载依然会影响轴线处沉降的产生，延长地基沉降稳定的时间，至2006年12月，轴线处平均沉降速率已降为0．28 mm∕d。
⑸对于软土地基的堆载排水预压，必须严格控制加载速率。当加载厚度过大，在地基中一定范围的剪应力达到某一临界值时，地基由以弹性变形为主进入以塑性变形为主，这时，在总沉降量中，由地基土剪切变形而产生的沉降将显著增大。如果再盲目加载，或者加上施工交通荷载等不利因素的综合作用，地基中的塑性区将继续扩大，则有可能发生地基的整体破坏。即使地基不出现明显的失稳现象，过大的剪切变形会造成地基土结构的破坏，这对地基的工后沉降控制十分不利。
㈢工后沉降
对于堤坝预留沉降的问题，因缺少地基土的详细土工参数资料，不宜采用纯土力学基本原理来推算预留沉降，这里通过对实测资料进行反馈分析，采用半理论、半经验的计算方法进行预测。具体的来说，利用坝轴线各沉降观测点的观测资料，用指数曲线配合法、双曲线法和法来研究其沉降规律或反算固结参数，来求得预留沉降。推算成果见表4。
表4 公后沉降推算成果表
三、总结与展望
㈠大坝坝基淤泥层的物理力学性能指标较差，为高含水量、高压缩性、低强度超软黏土地基，通过对实测沉降资料的统计以及最终沉降量的推算，总沉降量约占淤泥层厚度的20％ ，地基固结度达到90％左右，沉降已大部分完成。
㈡沉降速率是控制施工加荷速率的重要指标之一。按以往工程经验及湖南省海塘工程技术规定的相关建议，加载时沉降速率控制不大于30 mm∕d。实际施工时，某些部位加载期问最大沉降速率为 32～37 mm∕d，虽然短时间内最大沉降速率大于控制标准，但在及时观测并及时上报建设各方后，积极采取有力措施，并未产生稳定问题，保证了在安全的前提下能够不减慢施工速度，为控制总工期提供了安全依据。
㈢大坝填筑虽已完成，但坝体的沉降过程并没有完成，地基尚有一小部分主固结变形和相应的次固结变形，坝体本身也还有一定量的变形，大坝在蓄水后，由于荷载增加，也将产生相应的变形。因此运行期沉降观测应加强进行，以保证观测资料的连续性，为后期安全性态分析提供保障。
结合稳定、成熟的自动化监测数据采集系统,应用于水工建筑物的工程安全监测是大势所趋,是水利自动化与信息化的必经之路。对大坝进行实时自动化监测,及时掌握大坝的运行状态,对大坝安全性态做出综合评价,在事故到来之前采取对策,不仅可提高预报的精度和调度的准确度,且保证大坝运行安全,促进其经济效益和社会效益充分发挥。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。