大河沿水庫防滲墻施工期觀測資料分析

戴燦偉，朱明遠

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830052)

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和西部水電大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，鑒于我國西部地區(qū)的地域特點，許多待建的和在建的水利樞紐將不可避免地位于深厚覆蓋層上，在西部山區(qū)深厚覆蓋層上建設(shè)高壩，壩基防滲是關(guān)系到工程成敗的關(guān)鍵。從當前的發(fā)展水平看，目前中國絕大部分深覆蓋層地基的防滲處理措施都采用了單排混凝土防滲墻的形式，防滲墻的防滲效果及防滲結(jié)構(gòu)在自重和外荷載作用下變形、應(yīng)力特性的研究，是土石壩大壩基礎(chǔ)穩(wěn)定、安全運行的重要問題。

1 工程概況

大河沿水庫工程位于新疆吐魯番市高昌區(qū)大河沿鎮(zhèn)北部山區(qū)，大河沿河上游，距吐魯番市約60km。該工程主要由擋水大壩、溢洪道、泄洪沖砂放空兼導(dǎo)流洞及灌溉洞組成，是一座具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和重點工業(yè)供水任務(wù)的綜合性水利樞紐工程。水庫正常蓄水位1615.0m，總庫容為3024萬m3，屬于中型水庫。河床覆蓋層最深處達180m，主要為漂石砂卵礫石堆積層，結(jié)構(gòu)較密實，層理間夾泥質(zhì)、砂質(zhì)壤土條帶，采取全封閉防滲墻方案進行壩基防滲處理，其設(shè)計與施工難度國內(nèi)外罕見。工程澆筑完成之后的混凝土防滲墻迎水面直接與覆蓋層的飽和水土層接觸，承受高壓水頭的直接作用，施工期高壓水頭最大為0～180m，運行期其高壓水頭可達80～250m。

2 防滲墻監(jiān)測儀器的布置

防滲墻監(jiān)測項目包括：應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、土壓力監(jiān)測、滲流監(jiān)測以及撓度變形監(jiān)測。

防滲墻撓度變形采用伺服加速度式固定式測斜儀，設(shè)兩個觀測斷面：0+187和0+255、0+270，共設(shè)置測點25個；防滲墻應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測采用雙向應(yīng)變計(垂線和左右岸方向)，選取大壩樁號0+187、0+255、0+270三個斷面作為監(jiān)測橫斷面，應(yīng)變計和無應(yīng)力計測點在同一測點(高程)距防滲墻上下游面約10cm處沿鉛直方向各布置1組應(yīng)變計，無應(yīng)力計布置在防滲墻的中心線處，共布置應(yīng)變計85組，無應(yīng)力計17支；在0+255、0+270、0+340三個斷面的防滲墻墻體頂部和底部分別埋設(shè)2支土壓力計，共計6支土壓力計；在0+255與0+270斷面防滲墻上下游兩側(cè)的七個高程共埋設(shè)滲壓計20支。圖1為防滲墻觀測斷面儀器布置圖。

3 混凝土自生體積變形

3.1 混凝土配合比試驗

試驗采用吐魯番天山P.O.42.5水泥；粗骨料與細骨料分別采用大河沿引水工程砂石料廠篩分后骨料，其中粗骨料粒徑為5～20mm，細骨料為中砂，細度模數(shù)2.6；試驗用粉煤灰系新疆瑪納斯發(fā)電有限責任公司生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰；外加劑采用高性能減水劑(緩凝型)JB-Ⅱ型。通過試驗最終確定混凝土配合比見表1。

圖1 防滲墻觀測斷面儀器布置圖

施工部位設(shè)計指標水膠比1m3混凝土各項材料用量/kg抗壓強度/MPa水水泥粉煤灰砂小石中石減水劑引氣劑7d28d防滲墻C30W100.381472711167794845933.870.01929.640.1

3.2 自生體積變形

無應(yīng)力計監(jiān)測資料分析的目的是了解混凝土溫度變形的實際膨脹系數(shù)以及自生體積變化規(guī)律[1]。根據(jù)實測無應(yīng)力計數(shù)據(jù)可以反演得出混凝土熱膨脹系數(shù)，進而得出混凝土自身體積變形規(guī)律。無應(yīng)力應(yīng)變主要受測點溫度、自生體積及濕度變化的影響[2- 3]。統(tǒng)計模型方程形式為：

ε=α0+αT+α1t+a2ln(1+t)+α3ekt

(1)

式中，T—實測溫度；t—距離基準的時間長度；k—常數(shù)，取-0.01；α—混凝土的熱膨脹系數(shù)；其余部分為時效分量。以N9測點為例，圖2為無應(yīng)力應(yīng)變實測及擬合過程線。復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.967，屬顯著相關(guān)。其中α為13.554，可看作混凝土熱膨脹系數(shù)估計值。各測點熱膨脹系數(shù)見表2。

由表2可知，采用統(tǒng)計回歸反演得出的熱膨脹系數(shù)，其復(fù)相關(guān)系數(shù)均高于0.85，屬顯著相關(guān)。通過計算，9支無應(yīng)力計的膨脹系數(shù)在5.505～13.554με/℃之間，屬于正常范圍之內(nèi)，隨著高程降低，熱膨脹系數(shù)逐漸增大，整體平均線膨脹系數(shù)為9.013με/℃?；炷磷陨w積變形公式可以寫為：

圖2 N9測點無應(yīng)力應(yīng)變實測及擬合過程線

測點埋設(shè)部位高程/m最大值/με最小值/με熱膨脹系數(shù)復(fù)相關(guān)系數(shù)N11539186.7-11.36.9130.997N21510120.6-24.17.6760.988N31485294.808.7520.993N4153969.6-20.45.5050.904N51513263.407.8810.999N61483142.6-10.18.8630.856N7145395.1011.6710.875N81423136.2010.3040.851N9139391.8-32.413.5540.967

ε0=ε-α(T-T0)

(2)

式中，ε0—混凝土自生體積應(yīng)變；ε—混凝體實測總應(yīng)變；α—熱膨脹系數(shù)；T—測點溫度；T0—基準溫度值。圖3為N9測點混凝土自生體積變化過程線。由圖3可知，混凝土初期受水化熱影響，應(yīng)變逐漸增大，之后隨著水化熱的消散，呈單調(diào)遞減趨勢，整體以拉應(yīng)變?yōu)橹鳎瑹o應(yīng)力應(yīng)變量在18.1～37.6με，從變化規(guī)律分析，測值初期變化大，隨后趨于穩(wěn)定，觀測結(jié)果正常。

圖3 N9測點混凝土自生體積變化過程線

4 變形及應(yīng)變分析

4.1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

各測點應(yīng)變過程線如圖4所示。由圖4可以看出：防滲墻在施工期總體以壓應(yīng)變?yōu)橹?，豎向?qū)崪y應(yīng)變最大值為-380.52με，左右岸方向?qū)崪y應(yīng)變最大值為-430.13με，隨著水化熱逐漸消散，混凝土的溫度下降，壓應(yīng)變逐漸增加。各測點壓應(yīng)變在初期隨混凝土的硬化而逐漸增大[4]，防滲墻豎向整體呈兩端受壓，中間受拉的狀態(tài)，與撓度變形吻合，防滲墻左右岸方向以受壓為主，變化過程也基本合理，因此大壩防滲墻總體應(yīng)變狀況正常。

圖4 0+270斷面各測點應(yīng)變分布圖

4.2 滲流監(jiān)測

水庫深厚覆蓋層建基面以下3.5～102.6m范圍內(nèi)滲透系數(shù)在8.7×10-2～1.2×10-3cm/s，基礎(chǔ)102.6m以下滲透系數(shù)在1.9×10-2～1.7×10-3cm/s，可知覆蓋層為中等至強透水層。從0+270m斷面防滲墻上、下游兩側(cè)與深厚覆蓋層接觸面處埋設(shè)的滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出：截止至2017年10月5日，0+270斷面3組不同高程滲壓水位分別為：1374m高程上游側(cè)滲壓水位為1515.496m、下游側(cè)為1511.059m；1464m高程上游側(cè)滲壓水位為1525.713m、下游側(cè)為1523.887m；1524m高程上游側(cè)滲壓水位為1528.584m、下游側(cè)為1531.742m。從防滲墻上、下游兩側(cè)滲壓水位分布圖(如圖5所示)可以看出截流前上下游滲壓計水位基本相同。目前防滲墻尚未截流，同一地層防滲墻前后的滲壓計水位相差不大，同一地層防滲墻前后滲壓水位1.8～4.4m。

圖5 防滲墻上、下游兩側(cè)滲壓水位分布圖

4.3 土壓力監(jiān)測

由圖6土壓力過程線可以看出，土壓力變化過程規(guī)律性較強，隨著防滲墻澆筑完成，在水化熱影響下，土壓力逐漸增大，之后隨著水化熱的消散，溫度降低，混凝土收縮[5]。符合土壓力計的壓力變化規(guī)律。

通過埋設(shè)于0+255m、0+270m斷面防滲墻底部的土壓力計監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出：土壓力變化過程規(guī)律性較強，底部測點隨著防滲墻澆筑完成，在水化熱影響下，混凝土強度逐步增強，其土壓力測值逐漸增大，數(shù)據(jù)還反映處墻體較深的0+270斷面比墻體相對較淺的0+255斷面的土體壓力的大，在儀器埋設(shè)后6月多中，0+270斷面土體壓力最大值為0.53MPa，0+255m斷面最大值為0.42MPa。之后防滲墻混凝土隨著混凝土水化熱的完成，防滲墻兩側(cè)土壓力對墻體的約束作用逐漸顯現(xiàn)。目前墻體底部與基巖結(jié)合面的壓力穩(wěn)定，防滲墻兩側(cè)土壓力對墻體的約束作用較大，因此土體壓力量值較小，基本符合土壓力計的壓力變化規(guī)律。

圖7 0+270斷面各測點儀器布置圖及傾斜位移分布圖

圖6 0+255m及0+270m斷面各測點施工期土壓力過程線

4.4 撓度變形監(jiān)測

目前工程尚未截流，墻體上下游兩側(cè)的滲壓水頭基本相等，因此現(xiàn)階段墻體撓度變形主要與上部壩體的自重荷載關(guān)系較為密切，在壩體自重荷載持續(xù)增加的影響下，深厚覆蓋層及墻體間的變形及應(yīng)力變化處于相互約束，相互協(xié)調(diào)、自適應(yīng)的一個過程。通過埋設(shè)于防滲墻中的固定式測斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：2017年4月12日埋設(shè)0+270斷面的固定測斜儀，墻體變形過程線見圖7，防滲墻受自重及上游庫水壓力荷載的影響，中下部1440～1460m高程處緩慢向下游變形，為墻體高度的35.3%～48.2%，最大量值31.7mm；1480m高程以上，墻體向上游變形，其中1520m高程的變形量最大，量值為65.1mm，基本符合墻體的受力及變形規(guī)律。

5 結(jié)語

通過對大河沿水庫防滲墻施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，防滲墻撓度、應(yīng)變、滲流和土壓力變化符合一般規(guī)律且在正常范圍內(nèi)，防滲墻整體呈兩端受壓，中間受拉的趨勢，整體累積位移較小；通過對實測無應(yīng)力應(yīng)變進行回歸分析，反演得出防滲墻施工期熱膨脹系數(shù)，經(jīng)過計算，平均線膨脹系數(shù)為9.013με/℃，防滲墻整體應(yīng)變狀況正常；滲流與土壓力變化趨勢正常，防滲墻整體運行狀況良好。