祖媽林水庫除險加固工程低彈模混凝土防滲墻內部監測系統分析與評價

董文鼎

（福建省水利管理中心 福建福州 350001）

1 引言

混凝土防滲墻施工技術始于20世紀50年代，作為病險土石壩加固處理始于1965年。傳統的剛性混凝土防滲墻存在一些缺點，主要是剛性混凝土防滲墻彈性模量高，極限應變小，比周圍土層的彈性模量高出數倍，因而墻體容易出現裂縫，降低了防滲效果。而低彈模混凝土就是針對剛性混凝土的這些問題應運而生的，它具有較高強度、低彈模、弱透水、易澆筑等特點，能適應墻體周圍土體變形模量的特點，能較好地適應壩體的變形，提高了墻體的安全性和耐久性。近年來，在土石壩的除險加固工程中得到廣泛應用，福建省祖媽林水庫除險加固工程是福建省首批在土石壩加固中運用低彈模混凝土防滲墻技術的工程之一，是國內已建低彈模混凝土防滲墻深度最大的工程。

由于防滲墻屬于隱蔽工程，大壩加固好后將被埋在地下或壩內，看不到也摸不著，加上防滲墻運行狀態的影響因素眾多，目前低彈模混凝土防滲墻性能在土石壩加固中的研究還處于摸索階段，要精確計算混凝土防滲墻中應力、應變值及其分布還較難。因此對低彈模混凝土防滲墻的應力應變監測就顯得非常重要，通過墻內儀器觀測所得數據來分析防滲墻是否正常。福建省漳浦縣祖媽林水庫是省第一座在低彈模混凝土防滲墻內部安裝監測儀器的水庫，通過對祖媽林水庫大壩低彈模混凝土防滲墻內部監測系統的介紹和分析，來說明防滲墻內部監測對大壩安全運行和反饋設計所起的作用。

2 工程概況

祖媽林水庫位于福建省漳浦縣杜潯鎮徐坎村，是一座以灌溉為主，結合防洪、發電、供水養殖等綜合利用的中型水庫。水庫總庫容為3661萬m3，設計灌溉面積為4.5萬畝，有效灌溉面積2.7萬畝，影響下游1.8萬人口、3萬多畝耕地及漳詔高速公路。

水庫于1971年12月動工興建，1976年6月建成，經過30多年運行，大部分建筑物老化現象比較嚴重。根據2008年《福建省漳浦縣祖媽林水庫大壩安全鑒定報告書》的評價結論，祖媽林水庫大壩被評為三類壩，需要對水庫進行除險加固。該水庫除險加固工程于2009年2月1日開工，2010年1月主體工程完工，其中低彈模混凝土防滲墻于2009年5月22日 實施，2009年9月26日結束，總成墻面積為13952.63m2，最深達54m。

3 監測儀器種類及其布置

監測儀器的布置，應結合工程具體條件，既能較全面反應防滲墻在運行過程中應力應變的變化情況，又能突出重點和少而精，要在可靠、耐久、經濟、實用的前提下，力求先進和便于實現自動化的原則。

防滲墻的監測項目主要有應力、應變、滲透壓力以及墻體位移和周圍土壓力等，結合祖媽林水庫低彈模防滲墻的特點，本次加固在混凝土防滲墻施工時預埋無應力計和應變計，滲透壓力通過在防滲墻上、下游側設置測壓管進行監測。沿主壩防滲墻選擇3個監測斷面來進行監測應力和應變，樁號分別為主壩0＋129、主壩0＋226、主壩0＋330，其中主壩0＋129斷面布置應變計14只，無應力計3只；主壩0＋226斷面布置應變計20只，無應力計5只；主壩0＋330斷面布置應變計12只，無應力計3只；共布置46只應變計，11只無應力計。

具體選用的監測儀器如下：

（1）應變計

應變計是用于監測防滲墻上、下游面的垂直應變，同時可以量測混凝土的溫度，根據觀測的應變資料可推算出防滲墻的應力狀況。祖媽林水庫選擇的是差動電阻式應變計，型號為NZS－10（南京南瑞生產），由敏感元件、密封殼體及引出電纜三部分組成。儀器內有兩根以特殊方式固定的鋼絲，當儀器受到外力而變形時，測量兩根鋼絲電阻的比值就可以求得儀器的變形量。

（2）無應力計

無應力計用于觀測混凝土的非應力應變，它包括溫度、濕度及化學變化等因素作用而產生的總變形。祖媽林水庫選擇的是差阻式無應力計，是由應變計和無應力筒組成，其中應變計型號也是NZS－10。差阻式無應力計有電阻比和電阻兩個測值，利用這兩個測值及儀器特性參數可算出測點的混凝土自由應變，再利用應變計測值和徐變資料可算出測點的混凝土應力，利用電阻測值和儀器特性參數可算出測點混凝土的溫度。

4 低彈模混凝土防滲墻監測儀器埋設

由于各觀測儀器均需通過電纜引出防滲墻，最后進入水庫調度管理中心的測量模塊上，因此購買監測儀器除了要求儀器有較高的精確度、靈敏度及率定外，還要求購買一定數量的電纜和配件，只有當準備工作全部完成后才可進行儀器的埋設。

儀器安裝埋設的要點在于既要保證儀器的完好率，又要使儀器與混凝土防滲墻緊密結合，同時應盡可能的減少儀器埋設對主體施工的干擾。由于祖媽林水庫防滲墻為低彈模混凝土，混凝土中含有大量的粘土和膨潤土，降低了混凝土的和易性、流動性，加大了儀器埋設的難度；且未設鋼筋籠、孔深較深，無法采用傳統的鋼絲繩沉重塊法一次性安裝埋設；因此，經過多次反復試驗，觀測儀器埋設采用施工平臺控制、鍍鋅鋼管分段埋設法。具體做法如下：

①根據實際孔深，確定所需鍍鋅鋼管長度，采用直徑25mm 的鍍鋅鋼管，分段加工好絲口，配足夠的接頭備用。

②根據實際孔深及設計圖紙的儀器安裝高程，計算好應變計、無應力計的位置，在鍍鋅鋼管上標出儀器的安裝部位，鍍鋅鋼管的先后順序做好編號，目的是防安裝的時候順序錯亂而使儀器安裝高程改變。

③鍍鋅鋼管采用起重機吊裝就位，施工平臺支架定位、垂直度控制，按設計位置一邊放鍍鋅鋼管，一邊固定應變計和無應力筒。

④按標定的記號把應變計用細鐵絲及膠布扎在鍍鋅鋼管上，應變計與鍍鋅鋼管之間用3～4cm厚的木塊隔開，防止應變計后期受鍍鋅鋼管的應力作用，無應力筒安裝和應變計相同，電纜固定在鍍鋅鋼管上向上引出。

⑤當一根鍍鋅鋼管的儀器安裝完成以后，慢慢往下放，直到鋼管的頂端，再接上第二根鋼管，擰緊接頭，再重復④步驟，直至全部儀器安裝完成，整個放置過程小心謹慎，為了控制好垂直度，特別深斷面中間部位可加設固定支架。

⑥當全部儀器安裝好后，固定好鍍鋅鋼管位置，防止其滑動。

⑦為確保儀器埋設質量，鍍鋅鋼管放導管中間，澆筑過程中導管不能平移。

采用鍍鋅鋼管埋設方法的施工結果為：共埋設儀器57只，其中46只應變計，11只無應力計，電纜1407m，其中有2只應變計失效，完好率為96%。

5 監測成果分析

全部監測儀器施工結束后進行觀測，2009年9月中旬至2010年3月下旬，共進行13次觀測。觀測頻率為：初期每周監測一次，后期每月監測一次。在此主要通過最大監測斷面（主壩0＋226）的觀測數據來對成果進行分析。

（1）應力變化過程分析

經對斷面主壩0＋226應變計的應力過程線圖（在此略）分析可知：多數應變計在埋設初期都有拉應力增大，之后壓應力增大的現象，各測點的最大拉應力都發生在這個時期。分析其原因主要是應變計自安裝后由于受水化熱影響，向正值方向變化；隨著外界氣溫下降及周圍土壓力影響，開始向壓應變方向變化，后期應變漸趨于穩定，壓應變增加緩慢。綜上，不同高程的混凝土應變變化規律正常，符合防滲墻混凝土應變變化的一般規律。4個無應力計變化規律是，在埋設初期無應力計測值隨著溫度的降低，自由變形增大，與溫度呈負相關；后期隨著溫度降低，自由變形減小，無應力計測值變化速度緩慢。這主要是由于澆筑時間、周圍環境等因素的影響，該斷面澆筑期溫度較高（2009年7月），這也符合混凝土變形的一般規律。

圖1 防滲墻應變沿深度方向測值過程線

由觀測數據及過程線還可看出，主壩0＋226斷面防滲墻混凝土目前均處于受壓狀態，最大壓應變值為－634με（負號為壓縮），且壓應力有繼續增大的趨勢，但變化平緩，未見突變情況，混凝土受力狀態正常，墻體內仍然保持受壓狀態，沒有產生拉應力，防滲墻運行正常，能適應壩體變形，能滿足工程要求。

（2）應力應變沿深度方向分析

由圖1可以看出，低彈模混凝土防滲墻出現應變變化劇烈的地方主要集中在兩個部位，一個在防滲墻中上部，一個在防滲墻下部。通過分析可以看出上部變化劇烈的地方，該高程在庫水位附近，在這里由于庫水位以下存在庫水位的壓力作用，而庫水位以上卻沒有，因此使得該部位附近的應力變化較大；防滲墻下部應變變化劇烈，這主要是因為祖媽林水庫的防滲墻深入基巖，庫水位的合力作用和基巖的限制作用使得這里的應變變化較為劇烈，運行中要加強這些部位監測。

6 結語

由于低彈模混凝土防滲墻性能在土石壩加固中的研究還處于摸索階段，上述通過祖媽林水庫低彈模混凝土防滲墻內部監測系統，介紹了監測儀器、埋設方法，對防滲墻觀測資料進行分析得知，多數應變計及無應力計工作正常，從監測儀器安裝及觀測資料分析中可以得到如下結論：

（1）由于低彈模混凝土防滲墻獨特特性，監測儀器的安裝與傳統的混凝土防滲墻有所不同，應采用適宜的安裝工藝，以保證儀器的性能滿足觀測要求，保證儀器的位置穩固并符合設計要求。

（2）多數應變計在埋設初期有一個拉應力增大的過程，各測點的最大拉應力就發生在這個時期；其后，各應變計測值都以拉應力減小、壓應力增大的趨勢發展。各觀測資料均可正確反應低彈模防滲墻的工作性態，運行正常。

（3）低彈模防滲墻應變在前期變化較快，后來這種趨勢慢慢減緩，這主要是由于前期墻體凝固、水化熱、庫水位、與周圍土體的協調等作用引起的。

（4）觀測資料顯示，低彈模混凝土防滲墻下部應變發生劇烈變化，主要是由于防滲墻嵌入基巖較深后，增加基巖對墻體的約束程度，對墻體應力不利，低彈模混凝土的柔性作用無法充分發揮。因此，設計中對防滲墻嵌入基巖深度應進行分析論證，謹慎選取。

1 王清友，孫萬功，熊歡.塑性混凝土防滲墻［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

2 福建省宏禹水利水電咨詢設計院.漳浦縣祖媽林水庫除險加固工程初步設計報告［R］.2008.