某水電站拱壩施工期橫縫二次張開(kāi)原因探析

崔 偉 杰

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

在拱壩建設(shè)中，為了減小沿壩軸向的溫度應(yīng)力，適應(yīng)地基的不均勻變形，配合施工的澆筑能力，必須要設(shè)置若干垂直于壩軸線(xiàn)的橫縫[1]，施工期間當(dāng)壩體依靠人工冷卻措施達(dá)到規(guī)定溫度并且橫縫開(kāi)度足夠時(shí)，將進(jìn)行接縫灌漿，使大壩形成整體。可見(jiàn)，橫縫的工作性態(tài)對(duì)壩體施工組織的關(guān)鍵時(shí)間安排有著決定性的作用[2]。在一些實(shí)際工程中，水電工程拱壩已灌橫縫在施工期出現(xiàn)二次張開(kāi)現(xiàn)象，相關(guān)原因[3，4]和處理措施[5，6]較為復(fù)雜。因此，分析此類(lèi)問(wèn)題產(chǎn)生原因以期對(duì)類(lèi)似工程提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

某水電站擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高155 m，拱冠梁頂寬9 m，底寬32 m，厚高比0.206，壩身布置4個(gè)表孔，3個(gè)中孔，拱壩共分17個(gè)壩段，16條橫縫，橫縫為豎直縫面，并在壩基附近調(diào)整為折縫，與建基面大角度相交，灌漿區(qū)高度9～12 m。

2 測(cè)縫計(jì)數(shù)據(jù)分析

截至2020年5月31日，大壩第八灌區(qū)接縫灌漿至EL.2 019 m，監(jiān)測(cè)成果顯示，7～10號(hào)橫縫測(cè)值灌后有不同程度的增加，接縫開(kāi)合度分布見(jiàn)圖1、2，各圖以接縫灌漿后測(cè)值為基準(zhǔn)值繪圖。

為監(jiān)測(cè)壩段間橫縫開(kāi)合度情況，已在第一灌區(qū)至第六灌區(qū)的5～12號(hào)橫縫共計(jì)埋設(shè)了105支測(cè)縫計(jì)，7～10號(hào)橫縫測(cè)縫計(jì)測(cè)值灌后均有不同程度的增加，其中9號(hào)縫灌后開(kāi)度增加明顯，主要是第四層灌區(qū)及以下，最大為第一層灌區(qū)上游面為2.11 mm。9號(hào)縫灌后開(kāi)度各層上、中、下三支測(cè)縫計(jì)上游大、中間次之，下游最小，其中，各層上游測(cè)縫計(jì)變化量分別為2.11 mm、1.64 mm、1.53 mm、0.57 mm、-0.09 mm、0.18 mm。9號(hào)縫開(kāi)度測(cè)值在2019年12月6日～12月14日之間有一次明顯增加，幅度約0.8～1.5 mm，12月6日前測(cè)值平穩(wěn)，12月14日后總體平穩(wěn)略有緩慢增長(zhǎng)。9號(hào)橫縫EL.1951.5 m測(cè)縫計(jì)測(cè)值過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖1 拱壩6～12號(hào)接縫開(kāi)合度分布圖

圖2 高程1 951.50 m壩體接縫開(kāi)合度分布圖

圖3 9號(hào)橫縫EL.1 951.5 m測(cè)縫計(jì)測(cè)值過(guò)程線(xiàn)

3 鉆孔檢查成果

根據(jù)橫縫開(kāi)度測(cè)值異常情況并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在相關(guān)橫縫布置了檢查孔，開(kāi)展了鉆孔取芯、鉆孔電視及壓水試驗(yàn)。

9號(hào)橫縫檢查孔布置見(jiàn)圖4，壓水試驗(yàn)證明，9號(hào)橫縫第一、第二層灌區(qū)檢查孔之間未串通，第三層灌區(qū)靠近下游壩面的檢查孔串通。因此，橫縫整體張開(kāi)的可能性不大，其余橫縫出現(xiàn)情況類(lèi)似，即已灌橫縫整體張開(kāi)的可能性不大。

圖4 9號(hào)橫縫檢查孔布置圖

另外，在9號(hào)縫EL.1955基礎(chǔ)廊道布置騎縫檢查孔，檢查孔芯樣大部分較為完整，在底部止?jié){片處斷開(kāi)，大部分縫面位置可見(jiàn)漿液填充，底部止?jié){片至壩基段芯樣僅在靠近止?jié){片處有少量漿液痕跡，無(wú)漿液二次填充現(xiàn)象(若有，則表明在接縫灌漿后存在二次張開(kāi)并被其他灌漿施工串入填充的可能性較大)。孔內(nèi)電視成果顯示大部分縫內(nèi)水泥結(jié)石充填飽滿(mǎn)，未充填水泥結(jié)石部分張開(kāi)寬度小于1 mm。

4 壩基變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析

為監(jiān)測(cè)河床壩段壩基巖體的內(nèi)部變形情況，在大壩8號(hào)、9號(hào)壩段壩基分別布置1套、2套四點(diǎn)式基巖位移計(jì)，鉆孔均豎直向下，錨頭深度(入基巖)均為6 m、16 m、27 m、40 m，監(jiān)測(cè)布置見(jiàn)圖5。

隨著大壩壩體澆筑高程升高，受壩體自重影響，8號(hào)、9號(hào)壩段壩基巖體壓縮變形逐漸增大，均呈現(xiàn)孔口壓縮變形較大以及基巖深度越大其壓縮變形量越小的分布規(guī)律。 9號(hào)壩段壩基上游側(cè)測(cè)點(diǎn)最大壓縮變形量為7.00 mm(孔口)，測(cè)值過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖6，壩基下游側(cè)測(cè)點(diǎn)最大壓縮變形量為1.31 mm(孔口)。壩基各多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)值增加速率較平穩(wěn)，無(wú)明顯異常。

為監(jiān)測(cè)河床壩段壩體混凝土與建基面之間的結(jié)合情況，在大壩8號(hào)、9號(hào)壩段壩基分別布置3支測(cè)縫計(jì)，9號(hào)壩段測(cè)縫計(jì)測(cè)值過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖5 河床壩段壩基多點(diǎn)位移計(jì)布置圖

拱壩8號(hào)、9號(hào)壩段壩體與建基面之間的上游側(cè)、中部和下游側(cè)接縫測(cè)點(diǎn)自始測(cè)后測(cè)值均為負(fù)值，即顯示接縫均處于閉合狀態(tài)。截至2020年4月2日，8號(hào)、9號(hào)壩基接縫測(cè)點(diǎn)最大值分別為0.01 mm、0.01 mm，最小值為-0.91 mm、-1.32 mm。各測(cè)點(diǎn)測(cè)值平均速率在0.008 mm/d以?xún)?nèi)，量值較小。另外，9號(hào)壩段壩基中部測(cè)點(diǎn)測(cè)值從2019年12月20日后出現(xiàn)一定增加，但目前仍為負(fù)值。總體上，各接縫測(cè)點(diǎn)測(cè)值變化無(wú)明顯異常，接縫狀態(tài)正常。9號(hào)壩段上游、中部及下游側(cè)的接縫測(cè)點(diǎn)測(cè)值較接近。

為監(jiān)測(cè)河床壩段壩體混凝土與建基面之間有壓應(yīng)力情況，在大壩8號(hào)、9號(hào)和11號(hào)壩段壩基分別布置3支、3支、2支壓應(yīng)力計(jì)，壓應(yīng)力計(jì)與測(cè)縫計(jì)結(jié)合布置，兩者監(jiān)測(cè)成果可相互驗(yàn)證并進(jìn)行對(duì)比分析。拱壩9號(hào)壩段壩基壓應(yīng)力計(jì)測(cè)值過(guò)程線(xiàn)測(cè)值過(guò)程見(jiàn)圖8。8號(hào)、9號(hào)、11號(hào)壩段壩基壓應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)，測(cè)值變化無(wú)明顯異常。8號(hào)壩段壩基上游側(cè)壓應(yīng)力要大于下游側(cè)，9號(hào)壩段壩基上游側(cè)與中部壓應(yīng)力較接近、且稍大于下游側(cè)，11號(hào)壩段壩基下游側(cè)壓應(yīng)力大于上游側(cè)。各測(cè)點(diǎn)近一月間的測(cè)值變化量在-0.13～0.08 MPa之間，平均變化速率在-0.005～0.003 MPa/d之間，量值較小，無(wú)異常。

從壩基變形、應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，均顯示正常，與橫縫測(cè)縫計(jì)測(cè)值異常無(wú)關(guān)聯(lián)。

圖6 拱壩9號(hào)壩段基礎(chǔ)EL.1947 m多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)值過(guò)程線(xiàn)

圖7 9號(hào)壩段壩基測(cè)縫計(jì)測(cè)值過(guò)程線(xiàn)

圖8 拱壩9號(hào)壩段壩基壓應(yīng)力計(jì)測(cè)值過(guò)程線(xiàn)

5 氣溫、地溫和混凝土溫度分析

自2019年6月后壩址氣溫逐漸降低，2019年12月初氣溫有一定降低，2020年1月后氣溫逐漸開(kāi)始回升。2019年11月平均氣溫為13.5℃，12月平均氣溫為8.7℃，比11月降低了4.8℃，氣溫降低導(dǎo)致混凝土溫度降低，可能對(duì)橫縫上下游表面灌后張開(kāi)有一定影響。

2019年12月拱壩9號(hào)壩段壩基淺層巖體溫度、混凝土溫度受外界氣溫影響，略有降低，低高程混凝土溫度變化幅度很小。灌漿后，縫左右壩塊的內(nèi)部溫度變化比較平緩，基本呈緩慢下降趨勢(shì)，符合溫度變化一般規(guī)律，且灌漿后到2019年12月期間，總體溫度降幅最大2℃～3℃，此降幅不足以造成超過(guò)1 mm的縫張開(kāi)。

6 施工干擾定性分析

9號(hào)縫開(kāi)度測(cè)值在2019年12月6日～12月14日之間有一次明顯增加，幅度約0.8～1.5 mm，12月6日前測(cè)值平穩(wěn)，12月14日后總體平穩(wěn)略有緩慢增長(zhǎng)，由此推測(cè)，受外力擾動(dòng)的可能性較大。

接縫灌漿：9號(hào)橫縫于2019年11月23日實(shí)施第三層接縫灌漿，2019年12月25日實(shí)施第四層接縫灌漿。已灌區(qū)上部接縫灌漿可能導(dǎo)致相鄰下層灌區(qū)橫縫開(kāi)度增加，但出現(xiàn)最底部灌區(qū)橫縫開(kāi)度大于上部灌區(qū)的可能性很小，且接縫灌漿壓力較小(排氣壓力為0.35 MPa)，接縫灌漿施工干擾導(dǎo)致橫縫開(kāi)度異常基本可排除。

帷幕灌漿壓力最大為5 MPa，引管固灌最大為2.5 MPa，2019年12月6日～14日在8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)壩段進(jìn)行帷幕灌漿施工(圖9)。位于10號(hào)壩段，緊鄰9號(hào)橫縫的主帷幕孔JC-ZWM-117+1，第3、4、6、7、9段灌漿量較大，分別為653 L、1 434 L、2 280 L、7 014 L、2 402 L，灌漿壓力為3～5 MPa。2019年11月16日～27日展開(kāi)8號(hào)壩段接觸灌漿施工。2019年12月29日～2020年1月1日展開(kāi)11號(hào)壩段接觸灌漿施工。橫縫開(kāi)度異常存在受上述灌漿施工干擾的可能。

7 仿真分析

國(guó)內(nèi)對(duì)施工期混凝土拱壩橫縫問(wèn)題通過(guò)圍繞模擬手段展開(kāi)大量研究[7-9]，筆者采用全壩全過(guò)程仿真分析，在考慮溫度及混凝土自重的工況下，重點(diǎn)分析溫度影響、地質(zhì)條件影響、單純自重倒懸影響、是否灌漿成拱影響以及灌漿強(qiáng)度不足影響等，5個(gè)計(jì)算工況見(jiàn)表1，最后綜合評(píng)價(jià)其可能成因。

工況1結(jié)果顯示：灌漿前后，已灌的三個(gè)灌區(qū)，9號(hào)橫縫面未見(jiàn)張開(kāi)，縫面基本上全部為壓應(yīng)力。上下游面附近以及灌區(qū)交界面有部分拉應(yīng)力，但均小于縫面強(qiáng)度(2.89 MPa)，最大拉應(yīng)力1.2 MPa，發(fā)生在壩體表面。不考慮溫度應(yīng)力的工況2的結(jié)果顯示：2019年12月初，下部三個(gè)灌區(qū)的9號(hào)橫縫面全部受壓，第三灌區(qū)頂部靠近上游側(cè)，受倒懸影響，有0.1 MPa左右的拉應(yīng)力。因此，對(duì)比工況1可知：造成表面較大拉應(yīng)力的原因主要是溫度作用，引起的拉應(yīng)力大約為1.1 MPa。隨著大壩澆筑，倒懸作用影響較明顯的區(qū)域主要集中在1 970 m高程至2 000 m高程區(qū)間，倒懸引起的最大拉應(yīng)力為0.35 MPa，而對(duì)最下部?jī)扇齻€(gè)灌區(qū)的表面受拉影響較小。且變形圖也表明倒懸使9號(hào)橫縫張開(kāi)最大，其他橫縫張開(kāi)有限。工況3研究了橫縫若不灌漿的大壩性態(tài)，重點(diǎn)關(guān)注縫面應(yīng)力同工況1灌漿情況的差異，灌漿后成拱，拱梁聯(lián)合受力，不灌漿情況下拱梁發(fā)揮主要作用。由計(jì)算結(jié)果可知，成拱后在自重和溫度作用下縫面壓應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，而不灌漿工況應(yīng)力基本不變。縫面強(qiáng)度為1 MPa時(shí)，只考慮自重作用，全壩仿真計(jì)算顯示縫面未拉開(kāi)，開(kāi)度和應(yīng)力規(guī)律同工況2一致。從工況2和工況3的整體縫張開(kāi)情況來(lái)看，在溫度和自重綜合作用下，各個(gè)橫縫開(kāi)度基本一致，僅在自重作用下，灌漿壓力影響粗略估計(jì)0.3～0.4 MPa的面力對(duì)縫開(kāi)度影響為0.5 mm以?xún)?nèi)。工況5只考慮自重荷載，基礎(chǔ)為均一彈模，對(duì)比工況2可知，基礎(chǔ)地質(zhì)條件(9號(hào)和10號(hào)基礎(chǔ)附近小范圍Ⅲ1類(lèi)巖體)對(duì)縫面應(yīng)力影響大概為拉應(yīng)力增加0.05 MPa，說(shuō)明基礎(chǔ)的劣化巖體對(duì)橫縫開(kāi)度有一定的作用，但量值不大。因此，溫度荷載、自重和倒懸不是橫縫開(kāi)度異常的主要原因。

圖9 2019年12月帷幕灌漿和引管固灌灌漿施工作業(yè)部位圖

表1 計(jì)算工況表

8 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、芯樣檢查和仿真分析判斷，大壩橫縫未整體張開(kāi)，壩基壓應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)，測(cè)值變化無(wú)異常，與橫縫開(kāi)度異常無(wú)關(guān)聯(lián)。灌漿后混凝土總體溫度降幅較小，不足以造成超過(guò)1 mm的橫縫張開(kāi)，接縫灌漿對(duì)橫縫張開(kāi)的影響較小，帷幕灌漿施工作業(yè)時(shí)間與橫縫開(kāi)度異常有一定吻合，但根據(jù)巖芯判斷不能確定是受帷幕灌漿影響。

氣溫逐漸升高且隨著大壩高度增加，重心將逐步向下游偏移。因此，根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)橫縫開(kāi)度將逐步減小，故建議近期對(duì)灌后增開(kāi)度大于0.5 mm及檢查孔存在串通情況的橫縫縫面采用濕磨細(xì)水泥進(jìn)行補(bǔ)充灌漿，對(duì)灌后增開(kāi)度小于0.5 mm且監(jiān)測(cè)表明無(wú)進(jìn)一步增開(kāi)趨勢(shì)的橫縫不進(jìn)行補(bǔ)灌。