刘俊宏，王吉朝

（1.广西水利电力职业技术学院，南宁 530023；2.中国水利水电第三工程局有限公司勘测设计研究院，西安 710024）

1 工程概况

老挝南公1水电站位于老挝南部阿速坡省南公河上，是老挝、越南、柬埔寨三国交界区域，该工程是以发电为主，兼顾旅游、防洪及灌溉为一体的综合性水利枢纽，正常蓄水位320.00 m，库容6.33×108m3，具有多年调节能力。工程为二等大（2）型工程。电站装机容量为160 MW，保证出力为55.17 MW，多年平均发电量为6.33×108kW·h。坝轴线全长409.946 m，最大坝高90 m，坝顶宽度8.8 m，大坝面板厚度为0.3～0.62 m。上游坝坡1∶1.4，在270.00m高程以下设计盖重，压重体边坡1∶1.75、1∶2.5；下游坝坡1∶1.35，共设二级马道，马道高差30.0 m，马道宽度均为4.0 m。

2 监测仪器布置及沉降分析

2.1 监测仪器布置情况

根据《土石坝监测技术规范》（DL/T 5259-2010）要求，结合南公1水电站的结构特点，在坝体内部共计布置3 个垂直、水平位移监测断面（坝0+227.659 m、坝0+143.659m 及0+323.659 m），在监测断面内分层（270.85 m 高程、300.85 m 高程）布置水管式沉降仪，引张线式水平位移计，监测内部垂直、水平位移计坝体沉降，测点数为：270.85 m 高程布置1 套5测点式，300.85 m 高程各断面布置1 套3 测点式，在下游坝坡修建坝后观测房，将仪器引入观测房内，并在观测房顶部位设置观测沉降变形观测点（如图1所示）。

图1 南公1水电站大坝沉降监测B-B断面布置图

2.2 坝体最大沉降量监测资料分析

填筑施工期，随着大坝填筑的不断升高，坝体自重增加，累计沉降变形也逐渐加大，且前期发展较为迅速，后期缓慢增长；并且填筑速率越高，沉降速率越快，在此期间的累计压缩率也较大，说明大坝变形过程明显，流纹岩堆石体处于变形压缩状态[1]。大坝于2019年11月27日填筑完成，2020年4月3日开始大坝面板混凝土施工。期间270 m高程的最大沉降为87.70 mm，300 m高程最大沉降28.30 mm，压缩率分别为0.29%，0.09%。

大坝填筑完成后，不再增加外界负荷，自重保持恒定，坝体开始处于平稳沉降阶段，沉降速度和变形趋势减缓且变化减小，后期压缩率最大为0.31%，大坝已逐渐趋于稳定。最大沉降量位于坝体中部，这是由于大坝底部堆石体承受的荷载最大，但承受的可压层厚度较小。相反，堆石体上部承受的荷载相对下部要小，但承受的可压层厚度较大；这种组合关系使得大坝在中部的荷载与可压层厚度相对适中，最大沉降在坝体中部表现明显。坝体内部最大累计沉降为87.70 mm，且在大坝轴线上，沉降量为整个坝高的0.09%。典型断面坝体沉降随时间变化关系曲线见图2。

图2 沉降随时间变化关系曲线

3 坝体碾压振动监测试验

3.1 碾压振动监测目的

（1）研究达到设计填筑标准的压实方法，通过试验和比较确定合适的碾压施工参数，包括机械参数、铺料厚度、碾压遍数等。

（2）优化土、石料填筑施工工艺，研究土、石料压实质量控制措施及质量检测的有效方法。

（3）对坝体的各填筑分区石料的铺料方式、铺料厚度、振动碾的类型及碾压方式、碾压遍数、碾压速度、铺料过程中的最优加水量、压实层的孔隙率、干密度、沉降量、压实后级配等进行试验。结合现场堆石料的碾压施工，现场初步拟定了监测方案。上游主堆石区已填筑至EL.301.7 m，下游次堆石区已填筑至EL.297.3 m，上下游高差3 m。其中在上下游接合的部位存在宽度为1.3 m 左右的碾压区域，碾压薄弱区域主要依靠下游次堆石区在临近上游坡面位置处振动碾的碾压来实现密实。

3.2 碾压振动监测试验原理

碾压振动在散体介质中的传播及衰减规律受其孔隙率、密度、弹模等参数控制，为此可通过对比正常碾压区和薄弱区在相同竖直向衰减距离处的碾压振动峰值，以此来评价薄弱区的碾压质量。

3.3 碾压振动监测试验方案

为保证碾压振动监测数据的准确性，设计平行于坝轴和垂直于坝轴线2种振动监测方案。

（1）振动碾平行于坝轴线工作，振动监测点见图3。

图3 振动监测仪器布置示意图

（2）振动碾垂直于坝轴线工作。振动碾垂直于坝轴线工作，振动监测点及振动碾工作路线布置见图4。

图4 测点及振动碾工作路线示意图

（3）对比分析。通过对上述两种方案进行分析对比，得出两种振动碾工作方案优缺点比较，如表1所示。

表1 两种振动碾工作方案优缺点比较

通过上述两种碾压方案的优缺点分析对比，最终监测方案确定如下：以碾压方案1碾压完成后，再以碾压方案2即垂直于坝轴线碾压振动一次。在布置测点和确定振动碾试验作用范围时，利用RTK、白石灰等做好定点工作。

3.4 振动监测试验方案的实施

3.4.1 试验场地

试验场地结合大坝施工进度，选在大坝300.0 m高程右岸侧（如图5 所示）。因观测房施工，坝体需上下游分阶段填筑，上游侧不间断填筑上升，下游侧需要观测房建造完成后开始填筑，其产生的临时边坡可以为本实验创造合适的试验条件。

图5 试验区域示意图

3.4.2 试验步骤

由于振动测试探头需要埋设在碾压区域内，为保护探头、保证监测方向、结合紧密等，将探头预制到混凝土试件中。混凝土试件为15 cm×15 cm×15 cm，标号为C50，在混凝土达到强度后对探头进行功能测试，可以有效对振动进行监测。

试验方案将铺料及碾压区域分成I1、I2、II1、II2、III、IV 和V，其铺料及碾压顺序为：I1→II1→I2→II2→III→IV→V；测点布置1#～5#共5 个，每个测点监测3个方向，其中1#、2#和3#布置在I1区域，4#和5#布置在II1区域。

3.4.3 振动碾及堆石料主要参数

振动碾型号为YZ32D，其主要工作参数见表2，试验区域碾压遍数均为10 遍，行驶速度不超过0.8 m/s。

表2 振动碾主要工作参数

试验区域填筑料均为堆石料，主要为流纹岩，根据室内物理力学性试验，干密度为2.25～2.40 g/cm3，比重为2.58～2.62，孔隙率为8.40%～12.79%，自然吸水率为2.93%～4.87%，饱和吸水率为2.95%～5.01%，湿抗压强度为52.5 MPa～126.2 MPa，平均为106.2 MPa，软化系数为0.62～0.94，平均为0.82，属硬质岩。

堆石料填筑设计要求如下：最大粒径不超过800 mm，小于5 mm的颗粒含量不宜超过20%，小于0.075 mm 的颗粒含量≤5%，含泥量≤5%，孔隙率≤22%，压实干密度≥2.12 g/cm3。不均匀系数≥15，曲率系数为1～3。其填筑主要参数见表3。

表3 堆石料填筑主要参数

3.5 碾压振动试验

3.5.1 常规区碾压试验

根据试验方案与现场施工进度，在常规区埋设了1#～3#测点的探头，并进行铺料及碾压，测点及铺料碾压示意图见图6。

图6 1#～3#碾压试验区示意图

将各测点各碾压遍数下的碾压振动峰值进行统计。可看到，1#测点振动峰值明显大于2#、3#测点，1#测点主要在10～20 cm/s，2#、3#测点主要在2～4 cm/s；且对于1#测点，Z方向振动速度峰值大于X、Y方向，但对于2#、3#测点，X方向振动速度峰值大于Y、Z方向。表明对于碾压振动，正下方和斜下方振动有很大区别，不仅峰值大小相差较大，正下方比斜下方峰值要大得多；最大峰值方向也不相同，正下方上竖直向振动最大，斜下方上以垂直于振动碾行驶方向振动最大。

随碾压遍数的增加，各测点振动峰值波动较大，分析其主要原因，一是堆石料最大颗粒粒径达80 cm，并不是均匀材料，即便密实度增加，对监测点的振动峰值影响也较小，需要接着监测更多数据；二是32 t 振动碾，在碾压过程中，振动幅值并不稳定，相对于碾压层本身激励荷载波动较大。

但在Z方向上，随着碾压遍数的增加，振动峰值呈先波动上升再趋于稳定，正下方1#测点Z方向上当碾压遍数增加到6遍时，振动峰值从10 cm/s逐渐增加到17 cm/s，之后在17 cm/s上下波动；同样的斜下方2#测点Z方向振动峰值从2.8 cm/s 增加到3.0 cm/s并趋于稳定，3#测点Z方向振动峰值从2.5 cm/s增加到3.0 cm/s并趋于稳定。

3.5.2 薄弱区碾压试验

薄弱区将在II2 层进行铺料碾压时产生，在II2层碾压时，利用测点2#和5#测点可监测薄弱区的碾压振动。根据施工进度，进行碾压振动监测。测点布置及碾压区域范围见图7。

图7 碾压试验区示意图

试验碾压区为2.1×10.0 m，其中测点右岸侧4.0 m，左岸侧6.0 m，振动碾首次从左岸侧出发，时速大约在0.25 m/s。

将各测点各碾压遍数下的碾压振动峰值进行统计。总体上5#测点峰值大于2#和3#测点，2#和3#测点峰值相近。5#相比于2#和3#测点波动较大，尤其是X方向和Y方向。其中2#测点代表薄弱区2层处碾压振动，5#测点代表薄弱区1层处碾压振动。

在Z方向上，2#测点峰值在9.05～10.48 cm/s，3#测点峰值在10.65～14.26 cm/s，5#测点峰值在22.64～31.40 cm/s。其中2#和3#测点峰值有随碾压遍数增加先上升再趋于稳定的态势，而对于5#测点这种规律不明显。

3.5.3 碾压质量评价

将常规区与薄弱区分别在1层和2层的碾压振动汇总，（见图8）。可以看到无论常规区还是薄弱区，1层下的碾压振动均波动较大，且3条记录之间均相差较大，常规1 层I1-1 的振动峰值均值为15.31 cm/s，而II1-4 振动峰值均值为20.76 cm/s；薄弱1 层峰值均值为27.69 cm/s。这表明1 层下碾压振动峰值的影响因素较为复杂，随机性大。相比于1.0 m 的铺料厚度，最大颗粒粒径为0.8 m 的堆石料填筑，将难以保证1层中堆石体的均匀性，对振动峰值影响较大。

图8 常规区与薄弱区碾压振动峰值对比

对于2 层处振动峰值，可以看到常规2 层和薄弱2层均表现良好的规律性，当碾压遍数达6遍后，振动峰值趋于稳定，且两者相差不大，常规2 层7-10遍的振动峰值均值为9.35 cm/s，薄弱2层7-10遍的振动峰值均值为9.85 cm/s。那么从振动峰值的角度来说，薄弱区的碾压质量与常规区一致，是满足质量要求的。

3.6 碾压振动监测成果分析

（1）考虑到堆石料最大颗粒粒径可达0.8 m，相对于1层的铺料厚度1.0 m而言过大，难以假定1层堆石料材料均匀性，使1 层碾压振动峰值规律较为复杂。且采用32 t振动碾，振动激振力大，在1层相对较薄的介质中，其激振力偏差的影响也难以消除。故用1层下的碾压振动不足以评价碾压质量的好坏。

（2）根据对比常规区和薄弱区2 层处的碾压振动峰值，随着碾压遍数的增加，两者之间的差值减小。常规2层7-10遍的振动峰值均值为9.35 cm/s，薄弱2 层7-10 遍的振动峰值均值为9.85 cm/s。那么从振动峰值的角度来说，薄弱区的碾压质量与常规区一致，是满足质量要求的。

4 坝体沉降量综合分析

根据实际情况对坝体沉降量进行监测分析，得出如下结论：

（1）按照坝体内部埋设的14套水管式沉降仪所测的的坝体沉降量来看，最大沉降量为87.70 mm，最大沉降率0.31%，在同等坝高坝中属于坝体沉降量最小的面板堆石坝。

（2）通过碾压振动监测试验成果表明，振动碾激振力越大，坝体堆石料碾压密实性效果越好，故32 t 振动碾碾压效果比26 t 振动碾碾压密实度好，从而使坝体堆石间隙小，沉降量降低。

（3）通过碾压振动监测试验表明：在高强度振动碾的碾压条件下，随着碾压遍数的增加，振动频率逐渐趋于稳定值，说明32 t 振动碾激振力穿透性好，在深度为4.5 m 的情况下，振动峰值保持在4.66 cm/s。

上述三点表明，南公1水电站大坝坝体采用32t振动碾碾压，提高了坝体碾压密实度，降低了坝体填筑期间因施工造成的不均匀沉降，进一步提高了填筑质量。

5 结语

本文通过两种不同方式的的坝体施工期沉降监测，及对两种监测成果的方法分析与研究，得出了在重型振动碾条件下，碾压如流纹岩等硬质岩后、较低强度振动碾进一步提高了坝体的碾压密实度，提高了筑坝质量。从结果分析来看，南公1水电站面板堆石坝整体沉降的沉降符合一般的变化规律，经过与国内外相近坝高的堆石坝沉降量相比，南公1 水电站堆石体碾压质量好，沉降量小。目前水库已运行，坝体在水压力、坝体堆石蠕动的共同作用较小，需根据后期的监测资料及时加以分析，确保大坝安全稳定运行。