韓世棟，李 新

(1.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，南京 211000;2.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆北疆地區(qū)某拱壩為常態(tài)混凝土雙曲拱壩，壩頂高程649.00 m，最大壩高 94 m，壩頂全長(zhǎng)319.64 m，壩頂厚10 m，壩底厚27 m，是中國(guó)在高緯度、極端溫差、寒潮頻繁、極度干燥地區(qū)建設(shè)的第1座大型混凝土雙曲拱壩。該拱壩所在地區(qū)，多年平均氣溫5 ℃，極端最高氣溫39.4 ℃，極端最低氣溫-41.2 ℃[1]，年溫度變幅達(dá)80 ℃。為掌握大壩安全運(yùn)行狀態(tài)，分析安全監(jiān)測(cè)資料是最直觀的方法。本文主要針對(duì)首次蓄水期間壩體滲透壓力異常變化情況進(jìn)行分析，結(jié)合大壩實(shí)測(cè)溫度和應(yīng)力資料，探討異常情況成因，為同類環(huán)境下的其他拱壩建設(shè)提供參考。

該拱壩安全監(jiān)測(cè)包括變形監(jiān)測(cè)、滲流滲壓監(jiān)測(cè)、溫度及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目，其中壩體滲壓計(jì)布置情況如下：

大壩選取了6號(hào)、9號(hào)、13號(hào)壩段作為典型監(jiān)測(cè)斷面，在581.00 m、601.00 m、625.00 m高程上游側(cè)混凝土中各埋設(shè)4支滲壓計(jì)(9號(hào)壩段在559.00 m高程多布置一層)，每層滲壓計(jì)分別距上游側(cè)1 m、1.2 m、2 m、5 m，共埋設(shè)40支滲壓計(jì)。典型高程內(nèi)觀儀器布置見圖1，壩體上游側(cè)混凝土內(nèi)除埋設(shè)有滲壓計(jì)外，還布置溫度計(jì)、裂縫計(jì)、應(yīng)變計(jì)組等監(jiān)測(cè)儀器。

圖1 9號(hào)壩段581.00 m高程儀器布置示意圖

2 滲壓變化情況

2.1 異常情況簡(jiǎn)述

該工程首次蓄水時(shí)間為2014年7月至2015年11月，庫(kù)水位最高到達(dá)高程645.65m。從壩體滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)成果來看，壩體內(nèi)大部分滲壓計(jì)處于無(wú)壓狀態(tài)，但也出現(xiàn)個(gè)別滲壓計(jì)水頭較大的情況，分別出現(xiàn)在6號(hào)壩段625.00 m高程，9號(hào)壩段581.00 m、601.00 m、625.00 m高程，13號(hào)壩段581.00 m高程。

(1) 6號(hào)壩段

6號(hào)壩段625.00 m高程僅靠近上游側(cè)1m位置的P1-9測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)滲透壓力，其余3支滲壓計(jì)均處于無(wú)壓狀態(tài)，說明滲漏通道止于P1-9埋設(shè)位置附近。P1-9測(cè)點(diǎn)過程線見圖2，可以看出當(dāng)上游水位到達(dá)高程625.00 m時(shí)，P1-9的水位也隨之上漲，且上漲的速率與上游水位幾乎一致。當(dāng)2015年11月11日上游水位開始下降時(shí)，P1-9的水位也開始下降，下降速率和上游水位保持一致，說明此處存在較為順暢的滲漏通道，且該滲漏通道在蓄水位到達(dá)625.00 m高程之前就已存在。

圖2 6號(hào)壩段625.00 m高程滲壓計(jì)過程線圖

(2) 9號(hào)壩段

1) 9號(hào)壩段581.00 m高程的4支滲壓計(jì)(P2-5、P2-6、P2-7、P2-8)在2015年8月15日之前基本處于無(wú)壓狀態(tài)，之后當(dāng)上游庫(kù)水位進(jìn)一步上漲時(shí)，P2-5和P2-6開始出現(xiàn)水頭，最高滲壓水位出現(xiàn)在2015年9月12日，分別為602.10 m和602.90 m，此時(shí)庫(kù)水位為616.8 m，水位差14 m；此后隨著庫(kù)水位進(jìn)一步增長(zhǎng)，兩支滲壓計(jì)的水位逐漸降低，說明滲漏通道有閉合的趨勢(shì)，在庫(kù)水位到達(dá)最高水位645.65 m時(shí)，兩測(cè)點(diǎn)的滲壓水位分別降至594.28 m和595.09 m。

從這兩支滲壓計(jì)的變化過程來看，滲漏通道存在的原因可能是581.00 m附近出現(xiàn)了豎向裂縫或斜豎向裂縫，在蓄水初期庫(kù)水沿著裂縫滲漏，而隨著庫(kù)水位的進(jìn)一步的抬升，受拱的壓力作用影響裂縫閉合，從而使得滲透水位降低。

圖3 9號(hào)壩段581.00 m高程滲壓計(jì)過程線圖

P2-7和P2-8在蓄水期間基本處于無(wú)壓狀態(tài)，說明滲漏通道尚未擴(kuò)展到此處。

2) 9號(hào)壩段601.00 m高程的4支滲壓計(jì)(P2-9、P2-10、P2-11、P2-12)，在2015年10月12日庫(kù)水位到達(dá)641.60 m之前(水頭40.6 m)，滲壓計(jì)基本處于無(wú)壓狀態(tài)，之后P2-9測(cè)點(diǎn)滲透水位逐漸上升，2015年11月13日到達(dá)最大水位637.50 m，其余3個(gè)測(cè)點(diǎn)基本處于無(wú)壓狀態(tài)。

圖4 9號(hào)壩段601.00 m高程滲壓計(jì)過程線圖

從滲壓計(jì)變化規(guī)律來看，其滲漏通道發(fā)展存在一個(gè)過程，蓄水初期水頭壓力較小時(shí)，P2-9測(cè)點(diǎn)并未出現(xiàn)變化，說明滲漏通道尚未出現(xiàn)或滲漏通道尚未擴(kuò)展到此處;之后隨著庫(kù)水位進(jìn)一步上升，在水頭達(dá)40.6 m時(shí)，P2-9測(cè)點(diǎn)滲壓水位開始增大，發(fā)展至最高滲透水位637.50 m耗時(shí)1個(gè)月，說明該滲漏通道并不是暢通無(wú)阻。

3) 9號(hào)壩段625.00 m高程的4支滲壓計(jì)(P2-13、 P2-14 、P2-15、P2-16)，在2015年9月19日庫(kù)水位到達(dá)630.18 m之前(水頭5.18 m)，滲壓計(jì)基本處于無(wú)壓狀態(tài)，之后P2-13和P2-14測(cè)點(diǎn)滲壓水位開始增大，至2015年9月28日(庫(kù)水位636.51 m)，滲壓水位與庫(kù)水位持平，之后這2個(gè)測(cè)點(diǎn)的滲壓水位基本和庫(kù)水位同步變化，說明該處的滲漏通道已較為通暢。P2-15和P2-16測(cè)點(diǎn)處于無(wú)壓狀態(tài)，說明滲漏通道尚未擴(kuò)展到此處。

圖5 9號(hào)壩段625.00 m高程滲壓計(jì)過程線圖

(3) 13號(hào)壩段581.00 m高程的4支滲壓計(jì)(P3-1、P3-2、P3-3、P3-4)，在2015年11月7日庫(kù)水位到達(dá)644.67 m之前(水頭63.67 m)，滲壓計(jì)基本處于無(wú)壓狀態(tài)，之后P3-1、P3-2、P3-3測(cè)點(diǎn)的滲壓水位開始增大，至2015年11月26日滲壓水位達(dá)到最大，分別為624.95 m、621.31 m、620.56 m。

圖6 13號(hào)壩段581.00m高程滲壓計(jì)過程線圖

13號(hào)壩段581.00 m高程滲漏通道的發(fā)展存在一個(gè)過程，蓄水至644.67 m時(shí)(水頭63.67 m)，滲壓計(jì)測(cè)點(diǎn)才開始出現(xiàn)水頭，可能原因如下：① 前期未出現(xiàn)滲漏通道，在高水頭的作用下壩體出現(xiàn)裂縫形成滲漏通道；② 前期滲漏通道可能已存在，但尚未擴(kuò)展至滲壓計(jì)埋設(shè)位置(或由于壩體重力作用，滲漏通道處于緊閉狀態(tài))，而在庫(kù)水位較高時(shí)，在高水頭作用下滲漏通道擴(kuò)展。

P3-1、P3-2、P3-3測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)滲壓水頭后，其滲透水位并未完全和上游水位一致，說明滲透通道并不是完全暢通，仍存在一定的阻滲作用；滲漏通道已擴(kuò)展到P3-3(距上游面2 m)測(cè)點(diǎn)附近。

2.2 綜合分析

為綜合分析壩體滲壓情況，將上述5個(gè)部位的滲壓情況統(tǒng)計(jì)見表1，并計(jì)算了滲透水位和庫(kù)水位的相關(guān)系數(shù)，其中計(jì)算時(shí)段為庫(kù)水位達(dá)到該滲壓計(jì)所在高程時(shí)間至2015年12月15日，壩體滲透壓力異常測(cè)點(diǎn)分布見圖7。由表1及之前分析可得出：

圖7 壩體滲透壓力異常測(cè)點(diǎn)分布圖 單位：m

表1 首次蓄水期間壩體出現(xiàn)滲壓的部位統(tǒng)計(jì)表

(1) 從出現(xiàn)滲透壓力的5個(gè)部位來看，9號(hào)最高壩段有3個(gè)高程出現(xiàn)異常，6號(hào)壩段和13號(hào)壩段各有1個(gè)高程出現(xiàn)異常，說明9號(hào)壩段的滲漏現(xiàn)象更為普遍。

(2) 將滲漏通道的暢通程度分為3個(gè)級(jí)別：① 完全或基本暢通：6號(hào)壩段625.00 m高程和9號(hào)壩段625 m高程，特別是6號(hào)壩段625.00 m高程，P1-9滲透水位和庫(kù)水位相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98；② 未完全暢通：625.00 m高程壩段601.00 m高程和13號(hào)壩段581.00 m高程；③ 滲透通道出現(xiàn)閉合：9號(hào)壩段581.00 m高程。

(3) 從滲漏通道的擴(kuò)展深度來看，大部分深度不大，截止在距上游壩面1～1.2 m附近，僅13號(hào)壩段581.00 m高程滲漏通道擴(kuò)展深度超過2 m。

(4) 在滲壓計(jì)安裝部位附近埋設(shè)有裂縫計(jì)、應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)等儀器，結(jié)合這些儀器的監(jiān)測(cè)成果分析如下：

1) 蓄水期間大部分裂縫計(jì)測(cè)值變化小于0.1 mm，僅6號(hào)壩段625.00 m高程和9號(hào)壩段601.00 m高程變幅略大(最大變幅0. 3 mm)，這兩處的滲壓均有變化，蓄水階段特征值統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 蓄水期間裂縫計(jì)特征值統(tǒng)計(jì)表

2) 從滲漏部位附近安裝的應(yīng)變計(jì)組計(jì)算成果來看，施工期或多或少存在一些拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為2.3 MPa(9號(hào)壩段581.00 m高程上游側(cè))，歷史最大拉應(yīng)力統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 滲水部位歷史最大拉應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

3) 從出現(xiàn)滲漏部位相應(yīng)高程安裝的溫度計(jì)測(cè)值來看，未見明顯變化，但從滲壓計(jì)自身的溫度測(cè)值和庫(kù)水溫度對(duì)比來看，部分滲壓計(jì)和庫(kù)水溫變化存在一定的相關(guān)性，說明滲漏確實(shí)已經(jīng)發(fā)生。

表4 滲壓水頭和氣溫、壩體變形的相關(guān)情況表

4) 表4統(tǒng)計(jì)了滲壓水頭和氣溫、壩體變形(采用垂線監(jiān)測(cè)成果)的相關(guān)系數(shù)，可以看出：滲透壓力和氣溫、壩體變形相關(guān)系數(shù)普遍不大，說明滲壓水位受兩者影響較小。

5) 該工程滲透壓力儀器采用了進(jìn)口滲壓計(jì)，在安裝前均進(jìn)行了檢驗(yàn)測(cè)試，電纜也進(jìn)行了耐水壓測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，在施工過程中也嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了安裝。在發(fā)現(xiàn)滲壓計(jì)出現(xiàn)滲壓水頭后，根據(jù)DL/T 1271-2013《鋼弦式監(jiān)測(cè)儀器鑒定技術(shù)規(guī)程》[2]，對(duì)滲壓計(jì)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，其頻率極差、溫度極差、絕緣電阻等檢測(cè)結(jié)果均滿足規(guī)范要求，可判斷儀器工作狀態(tài)為正常，基本可排除由于儀器本身以及電纜問題引起的測(cè)值異常。

3 成因分析

通過查閱施工資料和分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)出現(xiàn)滲漏通道的原因分析如下：

(1) 該拱壩位于我國(guó)西北邊疆，環(huán)境條件惡劣，年溫差最大達(dá)80 ℃，對(duì)拱壩施工和運(yùn)行十分不利。為了改善該拱壩的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)單位制定了嚴(yán)格的溫控措施，并在拱壩內(nèi)部布置了大量溫度計(jì)及時(shí)監(jiān)測(cè)壩體溫度情況。

(2) 每年11月至次年3月處于冬歇期停止施工，由于入冬前澆筑的混凝土因冬季散熱致使表面溫度較低，而來年澆筑的混凝土因水化熱溫升導(dǎo)致溫度較高，致使上下層溫差過大而易產(chǎn)生水平裂縫。因此，該工程采取了塑料膜、保溫被、噴涂發(fā)泡聚氨酯等保溫措施[3]，并在來年澆筑混凝土?xí)r采取嚴(yán)格的溫控措施，控制混凝土的最高溫度，以減小新老混凝土上下層溫差，降低結(jié)合面溫度應(yīng)力，并在越冬面布置了溫度計(jì)和測(cè)縫計(jì)來觀測(cè)溫度，掌握新老混凝土結(jié)合情況。

(3) 從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，根據(jù)澆筑期最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，主監(jiān)測(cè)壩段存在部分測(cè)點(diǎn)超標(biāo)現(xiàn)象，但整體超標(biāo)幅度不大，最高溫度31.1 ℃。混凝土澆筑后進(jìn)行了通水冷卻，根據(jù)“混凝土的日降溫速度控制在每天0.5～1.0 ℃范圍內(nèi)”的溫控要求[4]，通水冷卻降溫幅度整體控制較好，主監(jiān)測(cè)壩段實(shí)測(cè)共有9處通水冷卻時(shí)降溫速率超標(biāo)(1.0 ℃/d)，日降溫速度控制達(dá)標(biāo)率為91.7%。該工程從最初建設(shè)到蓄水，歷時(shí)5 a，經(jīng)歷了多個(gè)冬季低溫的考驗(yàn)，從冬季溫度監(jiān)測(cè)成果來看，主監(jiān)測(cè)壩段和越冬面存在個(gè)別測(cè)點(diǎn)溫度低至零度的情況，這對(duì)拱壩的應(yīng)力控制不利。

以9號(hào)壩段601.00 m高程的T2-17測(cè)點(diǎn)為例，其測(cè)點(diǎn)過程線見圖8，可看出：混凝土澆筑初期，受水化熱影響，溫度逐漸上升，最高溫度為28.6 ℃，略高于夏季最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)26 ℃。

圖8 壩體典型溫度計(jì)T2-17測(cè)點(diǎn)過程線圖

冷卻措施分兩期：① 一期冷卻：開倉(cāng)前0.5 h即開始通天然河水(春季)或制冷水(夏季、秋季)對(duì)開澆混凝土進(jìn)行一期冷卻，冷卻時(shí)間按混凝土降溫幅度控制，約束區(qū)為6～8 ℃,自由區(qū)為8～10 ℃；② 中期冷卻：每年9月份對(duì)當(dāng)年4—7月份澆筑的混凝土,10月份對(duì)當(dāng)年8、9月份澆筑的混凝土進(jìn)行中期冷卻，冷卻采用天然河水，冷卻時(shí)間按混凝土溫度降到16～18 ℃為準(zhǔn)。

T2-17測(cè)點(diǎn)一期冷卻日降溫速率小于1.0 ℃/d，降溫幅度6.5 ℃；二期冷卻日降溫速率小于1.0 ℃/d，溫度降至16 ℃，滿足冷卻溫控要求。

(4) 根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，施工期壩體主拉應(yīng)力應(yīng)小于0.5 MPa，滲水部位附近應(yīng)變計(jì)組歷史最大拉應(yīng)力大部分超過該指標(biāo)，雖然未超過混凝土抗拉強(qiáng)度，但不能排除上游面出現(xiàn)裂縫的可能性。

(5) 總體來看，大壩溫控措施基本到位，但也存在個(gè)別部位上游側(cè)混凝土溫度較低現(xiàn)象。異常滲壓計(jì)對(duì)應(yīng)高程靠上游側(cè)溫度計(jì)最低溫度統(tǒng)計(jì)見表5，可以看出有滲透壓力的5個(gè)部位上游側(cè)混凝土溫度有接近或低于0 ℃的現(xiàn)象。結(jié)合上游側(cè)混凝土溫度和應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，推斷冬季壩體上游側(cè)表面溫度較低引起較大的拉應(yīng)力，從而造成上游面混凝土出現(xiàn)裂縫。在蓄水階段，由于水壓作用，個(gè)別位置裂縫還有一定程度的擴(kuò)展，從而造成壩體上游側(cè)混凝土內(nèi)滲壓水頭出現(xiàn)增長(zhǎng)的現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 溫度控制[5-9]是拱壩建設(shè)至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，特別是位于高寒地區(qū)的拱壩，除混凝土澆筑過程外，在冬季低溫時(shí)段，對(duì)上下游面和越冬面混凝土的保護(hù)措施要執(zhí)行到位，需布置足夠數(shù)量的溫度計(jì)，掌握大壩溫度情況，及時(shí)反饋并指導(dǎo)施工。

表5 壩體滲壓計(jì)對(duì)應(yīng)高程上游側(cè)溫度計(jì)最低溫度統(tǒng)計(jì)表

(2) 拱壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目相結(jié)合，拱壩上游側(cè)混凝土內(nèi)布置了溫度計(jì)、應(yīng)變計(jì)、滲壓計(jì)、裂縫計(jì)等多個(gè)監(jiān)測(cè)儀器，在出現(xiàn)異常時(shí)，可綜合分析，相互驗(yàn)證，有利于準(zhǔn)確了解大壩工作狀態(tài)。

(3) 雖然壩體上游側(cè)個(gè)別部位出現(xiàn)滲壓水頭，但總體來看，擴(kuò)展深度不大，廊道內(nèi)也未發(fā)現(xiàn)明顯滲水點(diǎn)，對(duì)壩體的整體性影響不大。從截至2019年底的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，壩體滲壓未有進(jìn)一步的增大，且個(gè)別部位還有一定程度的減小，說明拱壩自身應(yīng)力調(diào)整有利于裂縫的閉合。