張永泰,楊相球,戴春華

(1.東陽市橫錦水庫管理局,浙江 東陽 322100;2.仙居里林水電管理處,浙江 仙居 317300;3.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

1 工程概況

橫錦水庫位于東陽市東陽江鎮(zhèn)橫錦村之東,錢塘江流域金華江水系東陽江上游,壩址以上流域面積378 km2,總庫容2.74億m3,電站總裝機(jī)11 500 kW。水庫直接保護(hù)下游東陽江沿岸的8 400 hm2(12.6萬畝)農(nóng)田、55萬人口、鄉(xiāng)村、工廠、東陽市吳寧鎮(zhèn)及義嵊公路;間接保護(hù)義烏市稠城鎮(zhèn)、佛堂鎮(zhèn)及浙贛鐵路,是一座以灌溉、防洪為主,結(jié)合供水、發(fā)電綜合利用的大 (2)型水利工程。該工程樞紐建筑物由攔河壩、溢洪道、放空洞、輸水洞、電站等組成。

水庫大壩壩型為黏土心墻壩,設(shè)計(jì)壩高62.5 m,壩頂高程174.5 m,壩頂長280.0 m。迎水坡自上而下坡比為1∶2.25、 1∶2.50、1∶5.00, 背水坡自上而下坡比為 1∶2.00、 1∶2.20、1∶2.46,在變坡處設(shè)2.0 m寬馬道。大壩壩體、基礎(chǔ)防滲主要靠原黏土心墻。

工程于1958年9月動工興建,1964年底大壩主體工程基本建成。1977年8月開始進(jìn)行保壩工程施工,1984年9月竣工。水庫建成蓄水后,經(jīng)過20 a的運(yùn)行,大壩壩體滲漏情況嚴(yán)重,左岸壩肩存在繞壩滲流,2004年10月省水利廳專家對大壩進(jìn)行安全鑒定,認(rèn)為大壩存在嚴(yán)重安全隱患,必需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。2005年9月經(jīng)省水利廳批準(zhǔn),大壩除險(xiǎn)加固正式開始施工。

2 大壩防滲設(shè)計(jì)及監(jiān)測儀器布置

本次大壩基礎(chǔ)及壩體防滲設(shè)計(jì),主要是在原有的黏土心墻中再設(shè)1道80 cm厚的塑性混凝土防滲墻,防滲墻底部深入弱風(fēng)化基巖0.5 m,最大墻深59.0 m,防滲墻長280.0 m,并對大壩兩岸壩頭巖體進(jìn)行帷幕灌漿,以與防滲墻形成封閉的大壩防滲系統(tǒng)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,在防滲墻內(nèi)選取0+131 m和0+194 m共2個(gè)觀測斷面,每個(gè)斷面分別埋設(shè)18支應(yīng)變計(jì)、5支無應(yīng)力計(jì)和20支應(yīng)變計(jì)、5支無應(yīng)力計(jì),以監(jiān)測防滲墻的應(yīng)變情況,墻體內(nèi)儀器埋設(shè)見圖1;分別在2個(gè)斷面防滲墻上下游側(cè)及下游壩坡適當(dāng)位置埋設(shè)8支滲壓計(jì),監(jiān)測壩體的滲流狀況;距2個(gè)觀測斷面1 m的位置,在防滲墻內(nèi)布置19個(gè)固定式測斜儀探頭監(jiān)測墻體的變形。左右岸山體各布置6支繞壩滲壓計(jì)監(jiān)測繞壩滲流情況。大壩加固標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖2。

圖1 防滲墻應(yīng)變觀測儀器布置圖

3 監(jiān)測儀器資料分析

3.1 防滲墻應(yīng)變監(jiān)測資料分析

橫錦水庫防滲墻應(yīng)變監(jiān)測儀器采用VWS-15型振弦式應(yīng)變計(jì),其工作原理為:當(dāng)被測結(jié)構(gòu)物發(fā)生變化時(shí)將引起應(yīng)變計(jì)的變形,變形通過前后端座傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化,從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率,頻率信號由電纜傳輸至讀數(shù)裝置,即可測出引起結(jié)構(gòu)物變化的應(yīng)變量。同時(shí)可同步測出埋設(shè)點(diǎn)的溫度。而在測點(diǎn)附近埋設(shè)無應(yīng)力計(jì),以觀測混凝土的非應(yīng)力變形 (在溫度、濕度及化學(xué)作用下的變形),并從混凝土的總變形中扣除非應(yīng)力變形,即可求得應(yīng)力應(yīng)變。

一般計(jì)算公式:

上式中:ε為被測結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變量,單位為10-6;K為應(yīng)變計(jì)的最小讀數(shù),單位為10-6/kHz2;Δ F為應(yīng)變計(jì)實(shí)時(shí)測量的頻率模數(shù)相對于基準(zhǔn)值的變化量,單位為kHz2;b為應(yīng)變計(jì)的溫度修正系數(shù),單位為10-6/℃;α為混凝土的線脹系數(shù),單位為10-6/℃;Δ T應(yīng)變計(jì)實(shí)時(shí)測量的溫度相對于基準(zhǔn)值的變化量,單位為℃;

圖2 大壩加固標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

水庫于2007年5月底開始蓄水,將儀器埋設(shè)后至2009年12月底這段時(shí)間測得的數(shù)據(jù)根據(jù)(1)式進(jìn)行計(jì)算,各斷面計(jì)算的微應(yīng)變最大、最小值如表1所示,防滲墻的最大拉應(yīng)變 (S2-2)為85.98×10-6,最大壓應(yīng)變(S2-15)為370.25×10-6,根據(jù)試驗(yàn)得出的彈性模量2 800 MPa,計(jì)算得最大拉應(yīng)力為0.24 MPa,最大壓應(yīng)力為1.03 MPa,均小于試樣的平均抗拉及抗壓強(qiáng)度,這說明防滲墻的受力處于正常狀態(tài),墻體內(nèi)沒有出現(xiàn)裂縫。同時(shí)對各儀器微應(yīng)變隨時(shí)間變化過程線進(jìn)行分析,在儀器安裝后的1個(gè)月時(shí)間里,數(shù)據(jù)波動較大,這是由于水泥水化熱的作用、混凝土強(qiáng)度逐漸增加及防滲墻相鄰槽段施工等原因引起的。在庫水位逐漸升高時(shí),0+131.00 m斷面各測點(diǎn)微應(yīng)變均與庫水位有一定的相關(guān)性,0+194.40 m斷面墻頂部測點(diǎn)應(yīng)變計(jì)曲線與庫水位的相關(guān)性很小,其余測點(diǎn)微應(yīng)變與庫水位有一定相關(guān)性,在2個(gè)斷面的中部,應(yīng)變計(jì) (S1-6～S1-14、S2-6～S2-14)反映的混凝土應(yīng)變過程線與水位相關(guān)性更大,當(dāng)庫水位上升時(shí)應(yīng)變值上升,水位下降時(shí)應(yīng)變值下降,這種情形主要緣于庫水壓力的作用。同時(shí),雖然水位上升過程中,墻體中部仍然處于受壓狀態(tài),但庫水位的升高使墻體受拉,導(dǎo)致了壓應(yīng)變變小;在庫水位較低時(shí),各應(yīng)變計(jì)曲線與庫水位的相關(guān)性不明顯。在水庫運(yùn)行過程中,防滲墻絕大部分測點(diǎn)微應(yīng)變均為負(fù),處于受壓狀態(tài),少數(shù)測點(diǎn)微應(yīng)變?yōu)檎?處于受拉狀態(tài),但拉應(yīng)變在允許范圍內(nèi)。

表1 各斷面計(jì)算的應(yīng)變計(jì)最大、最小微應(yīng)變表

3.2 防滲墻變形監(jiān)測資料分析

該工程防滲墻變形監(jiān)測儀器選用美國基康公司生產(chǎn)的振弦式GK6300型固定式測斜儀。由圖3知,一般的計(jì)算式為:

其中θ=G(f02-f12)/1 000

式中:θ為計(jì)算角度,單位為°;G為線性修正系數(shù),單位為°/(kHz2/1 000);f0為儀器的初始頻率,單位為kHz;f1為某時(shí)刻儀器頻率,單位為kHz;正負(fù)號規(guī)定:測斜儀以向上游方向偏轉(zhuǎn)為“-”,以向下游方向偏轉(zhuǎn)為“+”。

圖3 固定式測斜儀安裝圖

固定式測斜儀分別安裝在0+130 m和0+193.4 m 2個(gè)斷面,編號為CX1-1～CX1-9、CX2-1～CX2-10,均于2008年6月6日安裝。對位移隨時(shí)間變化過程線分析,由于受到庫水壓力的作用,測斜儀各測點(diǎn)的位移量隨時(shí)間逐漸增大,同一斷面自底部至頂部的位移量也逐漸增大,在2009年9月份后位移逐漸趨于穩(wěn)定;0+193.4 m斷面頂部測點(diǎn)位移在2009年2月份達(dá)到最大后又逐漸減小,其余測點(diǎn)曲線變化平穩(wěn)。各測點(diǎn)的位移量均在正常范圍內(nèi),位移特征值見表2。

表2 固定式測斜儀實(shí)測特征值表

續(xù)表2

3.3 壩體滲壓計(jì)監(jiān)測資料分析

該工程選用GK4500s型滲壓計(jì),它是通過實(shí)測振弦的頻率換算得到滲流壓力。通過實(shí)測壩體內(nèi)的滲流壓力水頭再加上滲壓計(jì)的埋設(shè)高程可以得到滲壓水位。由于原黏土心墻的作用,埋設(shè)在防滲墻上游側(cè)的G1-2～G1-3、G2-2～G2-3滲壓計(jì)水位相比庫水位有小幅度的削減,但與庫水位的相關(guān)性較好,G1-1、G2-1兩滲壓計(jì)埋設(shè)位置較高,在大部分時(shí)間測不到滲流壓力;位于壩體下游坡一、二級馬道處的滲壓計(jì)G1-7、G1-8、G2-7、G2-8因遠(yuǎn)離壩體上游面且在防滲墻的下游,其孔隙水壓力變化過程線不受庫水位變動的影響,主要受下游地下水位的影響,符合實(shí)際情況。

防滲墻下游側(cè)G1-4～G1-6、G2-4～G2-6滲壓計(jì)水位過程線見圖4、5,各測點(diǎn)與庫水位的相關(guān)性較小,典型日期2007年10月11日(庫水位為163.05 m)統(tǒng)計(jì)各測點(diǎn)的實(shí)測水頭及位勢見表3、4,由表可知防滲體下游的位勢較上游位勢均有明顯的削減,同時(shí)經(jīng)過3 a多時(shí)間的運(yùn)行,目前各測點(diǎn)隨時(shí)間變化過程線比較平穩(wěn),表明防滲墻防滲效果較好。

圖4 G1-4～G1-6滲壓計(jì)水位變化過程線

圖5 G2-4～G2-6滲壓計(jì)水位變化過程線

表3 0+131.00 m斷面各測點(diǎn)位勢特征值表m

表4 0+194.40 m斷面各測點(diǎn)位勢特征值表m

3.4 繞壩滲壓計(jì)觀測資料分析

右岸繞壩測壓管中的R2～R5與庫水位的相關(guān)性非常小,其水位變化主要是由于地下水位的變化引起的。R6位于下游坡腳附近,其水位波動主要是由于下游壩腳的地下水位變動引起。R1與庫水位的相關(guān)性最大,且水頭削減很少,經(jīng)查證,該測壓管位于水庫右岸放空洞附近,而放空洞工作閘門位于下游出口附近,放空洞周圍圍巖存在裂隙,導(dǎo)致R1測壓管與放空洞中的水位密切相關(guān),水庫將放空洞閘門打開,排干洞內(nèi)水流后,R1測壓管中的水位隨之下降,這也證實(shí)R1與放空洞內(nèi)的水位密切相關(guān)。

左岸L1測壓管在庫水位較高時(shí),測得的水位與庫水位相差約3.0m,當(dāng)庫水位下降時(shí),L1管的水位與庫水位逐漸接近,2009年2月下旬庫水位在152.80 m左右的低水位運(yùn)行時(shí),L1管的水位反而高于庫水位,這表明,在庫水位較高時(shí),L1測壓管水位與庫水位相關(guān)性明顯,且水頭削減不大,因此存在繞滲的可能。在庫水位較低時(shí),L1管主要受山體地下水位控制。L2管水位與庫水位差值一般穩(wěn)定在6 m左右,但當(dāng)降雨量大時(shí),地下水位對其影響較大;L3～L6管與庫水位相關(guān)性很小,且水頭削減均較大?？傮w來說左壩肩存在繞壩滲漏的可能。

根據(jù)繞壩觀測資料的分析結(jié)果,設(shè)計(jì)在壩頂左岸增加了7支帷幕灌漿孔,并對右岸放空洞周圍圍巖裂隙進(jìn)行灌漿處理,目前處理效果較好。

4 結(jié) 語

從埋設(shè)后防滲墻應(yīng)變計(jì)的實(shí)測結(jié)果來看,其最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變經(jīng)換算后對應(yīng)的應(yīng)力值均小于防滲墻混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo),在水庫運(yùn)行過程中,防滲墻絕大部分測點(diǎn)微應(yīng)變均為負(fù),處于受壓狀態(tài),少數(shù)測點(diǎn)微應(yīng)變?yōu)檎?處于受拉狀態(tài),但拉應(yīng)變在允許范圍內(nèi),從防滲墻實(shí)測應(yīng)變變化趨勢來看,經(jīng)過一段時(shí)間后,各應(yīng)變值變化趨勢是平穩(wěn)的,沒有突變的情況。固定式測斜儀各測點(diǎn)位移量較小,墻體變形在允許范圍內(nèi)。在高水位條件下,滲水通過大壩防滲體后的水頭位勢均有明顯的削減,同時(shí)經(jīng)過3年多時(shí)間的運(yùn)行,目前各測點(diǎn)隨時(shí)間變化過程線比較平穩(wěn),壩體滲流符合實(shí)際情況,說明大壩防滲體運(yùn)行情況正常。對左、右岸兩壩肩經(jīng)過帷幕灌漿處理后,繞壩滲流狀況有所改善。

綜上對各監(jiān)測儀器資料分析,防滲墻墻體所受拉、壓應(yīng)力均小于防滲墻混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)。實(shí)測防滲墻應(yīng)變變化趨勢平穩(wěn),大壩整個(gè)防滲體系運(yùn)行情況正常,該處理方案可供類似工程作參考。