超高面板堆石坝施工期与运行期沉降规律对比及转化机制研究

引言

在现代水利工程中，超高面板堆石坝是不可或缺的核心结构之一，超高面板堆石坝施工期的沉降主要受到载荷影响，堆石料会发生瞬时压缩与延时流变，对于运行期的沉降，影响因素以材料流变、水利载荷为主。传统的超高面板堆石坝施工与运行通常缺少对沉降规律的总结及对沉降的控制，不利于维持堆石坝的稳定运行。为此，应明确沉降转化规律，针对性制定防控策略，优化施工工艺，提升坝体结构的稳定性与安全性，确保超高面板堆石坝的长期高效运行。

1 超高面板堆石坝施工期与运行期沉降规律对比

1.1 施工期沉降规律

针对超高面板堆石坝施工期的沉降问题，此阶段的沉降主要因填筑载荷引起，填筑速率不断增加的过程中，沉降量也会随之增大。以某抽水蓄能电站为例，通过监测发现在填筑高峰期，每月的沉降量可达数厘米，且总沉降量中填筑高峰期的沉降量所在比例较高。同时，与堆石体前区相比，后区的沉降量相对较大，受到孔隙率影响，使得变形空间出现差异，体现出时空分布不均特性。此外，施工单位通常会通过堆石料湿化及设置临时挡水等方式提升施工期的沉降速度，以有效控制沉降量[1]。

1.2 运行期沉降规律

超高面板堆石坝的运行期会出现沉降速率明显降低的现象，因为运行期的沉降主要表现为固结变形，总结相似工程的监测数据，其年均沉降量一般在 1cm 以下。以某监测案例为例，该项目经过 5 年的运行，其年均沉降量为 0.3-0.5cm ，且随着时间的延长，沉降量也在不断衰减。从载荷条件差异层面出发进行分析，超高面板堆石坝的运行期会受到水载荷反复作用的影响，容易引发附加变形，而与施工期的集中载荷相比，其在沉降方面的贡献率较低。

1.3 沉降规律的影响因素对比

施工期与运行期不同主导因素的动态调控是影响超高面板堆石坝沉降规律的主要因素，其中施工期沉降主要受填筑载荷的快速施加影响，且堆石体的瞬时压缩变形直接影响施工期沉降。同时，材料级配与填筑速率等在一定程度上决定了沉降速度，且与沉降总量密切相关。对于运行期沉降，长期蠕变与次固结变形为主要影响因素，地质条件与材料流变特性也是主导因素。

2 超高面板堆石坝施工期与运行期沉降转化机制

2.1 施工期材料特性与填筑工艺的耦合机制

填筑载荷的动态施加是超高面板堆石坝施工期的主要影响因素，且高沉降速率的特征十分显著，对应的变形机理为瞬时压缩变形与短期流变变形，以上因素引发的沉降通常会在总沉降量中占到 60— 70% 。为此，建立施工期材料特性与填筑工艺的耦合机制十分必要，如采用“爆破-筛分-掺配”的三级优化工艺策略，以实现对主堆石区不均匀系数的控制，降低压实作业结束后的孔隙率，还有助于降低瞬时沉降。同时，沉降转化应充分发挥湿化-振动的协同作用，即进行雨季填筑的过程中，可以通过喷淋湿润的方式缩小颗粒间的摩擦角，并利用 26t 的振动碾进行强振与慢碾，以获得更为理想的压实成效。

2.2 运行期水力载荷与流变效应的协同机制

蓄水初期的快速沉降与后期的缓慢流变叠加效应是运行期沉降的主要体现，也是最为显著的特点之一。为此，需建立运行期水力载荷与流变效应的协同机制，依托水力载荷产生的瞬时触发效应，在面板的作用下，上游水压力会传递到堆石体，这容易使下游区域受水位变化影响，即水位的上升会引发下游区域的湿化变形，此种情况下，坝轴线区域的沉降量会高于上游和下游。

对于流变效应的长期累积，通常由颗粒破碎引发的接触点蠕变沉降持续时间较长，总结一些工程的沉降监测经验，接触点蠕变沉降一般会超过10 年。流变参数主要包含流变指数与蠕变系数等，以上参数均与堆石料的长期强度密切相关。此外，受到上游面水压的影响，面板会受压，而在渗透压差的作用下，下游堆石体则会产生孔隙水压力梯度，这不仅会弱化颗粒间的有效应力，还容易增加流变速度，湿化-应力的耦合效应能够增加超高面板堆石坝运行期的沉降量[2]。

2.3 沉降控制的关键技术应用与动态反馈机制

针对超高面板堆石坝的建设和实际运行，全流程的反馈十分关键，完善的动态反馈机制有助于强化沉降控制成效。同时，沉降控制的关键技术应用及动态反馈机制有助于形成覆盖施工预控、实时监测及智能预警的精准管理体系。以某水利大坝工程为例，该工程通过采用 BIM 技术及搭建 BIM-数字孪生平台实现对多源数据的集成，这可以为施工期沉降预测的偏差控制提供可靠依据，还有助于控制运行期沉降量。动态反馈体系涉及施工期预沉降控制技术、多维传感网络及智能反演预警模型，其中预沉降控制技术主要依托预湿化与分层填筑工艺进行填筑控制，并应用 GPS-RTK 技术对压实状态进行实时监测，这有助于提升施工期的沉降量完成比例；多维传感网络集成了北斗形变监测系统，利用光纤光栅传感器，有利于提高坝体渗压、位移与沉降的响应速度，强化异常沉降识别与定位的准确性；针对智能反演预警模型的应用，该模型以沉降预测方程为基础，并结合高斯过程回归算法，能够有效提高沉降预警准确率[3]。

结语

超高面板堆石坝施工期与运行期的沉降规律对比有助于明确引发沉降的具体原因，还有利于建筑企业了解不同阶段的沉降变化，进而为沉降控制提供可靠依据。而沉降转化机制的建立可以为科学有效的沉降控制奠定良好基础，以减少沉降给超高面板堆石坝后期的安全运行及使用寿命造成的不良影响。针对沉降转化的未来落实，应聚焦于人工智能技术的应用，依托此项技术开发沉降实时预测系统，为沉降的精准控制提供技术支持。

参考文献：

[1]刘彪,张宗亮,姚虞,等.特高面板堆石坝混凝土面板防裂及耐久性措施研究[J].水电与抽水蓄能,2024,10(6):5-9.

[2]曾昭高,戚顺超.某混凝土面板堆石坝施工期变形特性分析[J].山西水利,2024(6):28-31.

[3]徐翔.水库混凝土面板堆石坝的面板裂缝防治技术[J].散装水泥,2025, (03):88-90.