高寒區某拱壩首蓄期壩體滲透壓力異?，F象分析

韓世棟，李 新

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，南京 211000;2.新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆北疆地區某拱壩為常態混凝土雙曲拱壩，壩頂高程649.00 m，最大壩高 94 m，壩頂全長319.64 m，壩頂厚10 m，壩底厚27 m，是中國在高緯度、極端溫差、寒潮頻繁、極度干燥地區建設的第1座大型混凝土雙曲拱壩。該拱壩所在地區，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80 ℃。為掌握大壩安全運行狀態，分析安全監測資料是最直觀的方法。本文主要針對首次蓄水期間壩體滲透壓力異常變化情況進行分析，結合大壩實測溫度和應力資料，探討異常情況成因，為同類環境下的其他拱壩建設提供參考。

該拱壩安全監測包括變形監測、滲流滲壓監測、溫度及應力應變監測等項目，其中壩體滲壓計布置情況如下：

大壩選取了6號、9號、13號壩段作為典型監測斷面，在581.00 m、601.00 m、625.00 m高程上游側混凝土中各埋設4支滲壓計(9號壩段在559.00 m高程多布置一層)，每層滲壓計分別距上游側1 m、1.2 m、2 m、5 m，共埋設40支滲壓計。典型高程內觀儀器布置見圖1，壩體上游側混凝土內除埋設有滲壓計外，還布置溫度計、裂縫計、應變計組等監測儀器。

圖1 9號壩段581.00 m高程儀器布置示意圖

2 滲壓變化情況

2.1 異常情況簡述

該工程首次蓄水時間為2014年7月至2015年11月，庫水位最高到達高程645.65m。從壩體滲壓計監測成果來看，壩體內大部分滲壓計處于無壓狀態，但也出現個別滲壓計水頭較大的情況，分別出現在6號壩段625.00 m高程，9號壩段581.00 m、601.00 m、625.00 m高程，13號壩段581.00 m高程。

(1) 6號壩段

6號壩段625.00 m高程僅靠近上游側1m位置的P1-9測點出現滲透壓力，其余3支滲壓計均處于無壓狀態，說明滲漏通道止于P1-9埋設位置附近。P1-9測點過程線見圖2，可以看出當上游水位到達高程625.00 m時，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2015年11月11日上游水位開始下降時，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625.00 m高程之前就已存在。

圖2 6號壩段625.00 m高程滲壓計過程線圖

(2) 9號壩段

1) 9號壩段581.00 m高程的4支滲壓計(P2-5、P2-6、P2-7、P2-8)在2015年8月15日之前基本處于無壓狀態，之后當上游庫水位進一步上漲時，P2-5和P2-6開始出現水頭，最高滲壓水位出現在2015年9月12日，分別為602.10 m和602.90 m，此時庫水位為616.8 m，水位差14 m；此后隨著庫水位進一步增長，兩支滲壓計的水位逐漸降低，說明滲漏通道有閉合的趨勢，在庫水位到達最高水位645.65 m時，兩測點的滲壓水位分別降至594.28 m和595.09 m。

從這兩支滲壓計的變化過程來看，滲漏通道存在的原因可能是581.00 m附近出現了豎向裂縫或斜豎向裂縫，在蓄水初期庫水沿著裂縫滲漏，而隨著庫水位的進一步的抬升，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號壩段581.00 m高程滲壓計過程線圖

P2-7和P2-8在蓄水期間基本處于無壓狀態，說明滲漏通道尚未擴展到此處。

2) 9號壩段601.00 m高程的4支滲壓計(P2-9、P2-10、P2-11、P2-12)，在2015年10月12日庫水位到達641.60 m之前(水頭40.6 m)，滲壓計基本處于無壓狀態，之后P2-9測點滲透水位逐漸上升，2015年11月13日到達最大水位637.50 m，其余3個測點基本處于無壓狀態。

圖4 9號壩段601.00 m高程滲壓計過程線圖

從滲壓計變化規律來看，其滲漏通道發展存在一個過程，蓄水初期水頭壓力較小時，P2-9測點并未出現變化，說明滲漏通道尚未出現或滲漏通道尚未擴展到此處;之后隨著庫水位進一步上升，在水頭達40.6 m時，P2-9測點滲壓水位開始增大，發展至最高滲透水位637.50 m耗時1個月，說明該滲漏通道并不是暢通無阻。

3) 9號壩段625.00 m高程的4支滲壓計(P2-13、 P2-14 、P2-15、P2-16)，在2015年9月19日庫水位到達630.18 m之前(水頭5.18 m)，滲壓計基本處于無壓狀態，之后P2-13和P2-14測點滲壓水位開始增大，至2015年9月28日(庫水位636.51 m)，滲壓水位與庫水位持平，之后這2個測點的滲壓水位基本和庫水位同步變化，說明該處的滲漏通道已較為通暢。P2-15和P2-16測點處于無壓狀態，說明滲漏通道尚未擴展到此處。

圖5 9號壩段625.00 m高程滲壓計過程線圖

(3) 13號壩段581.00 m高程的4支滲壓計(P3-1、P3-2、P3-3、P3-4)，在2015年11月7日庫水位到達644.67 m之前(水頭63.67 m)，滲壓計基本處于無壓狀態，之后P3-1、P3-2、P3-3測點的滲壓水位開始增大，至2015年11月26日滲壓水位達到最大，分別為624.95 m、621.31 m、620.56 m。

圖6 13號壩段581.00m高程滲壓計過程線圖

13號壩段581.00 m高程滲漏通道的發展存在一個過程，蓄水至644.67 m時(水頭63.67 m)，滲壓計測點才開始出現水頭，可能原因如下：① 前期未出現滲漏通道，在高水頭的作用下壩體出現裂縫形成滲漏通道；② 前期滲漏通道可能已存在，但尚未擴展至滲壓計埋設位置(或由于壩體重力作用，滲漏通道處于緊閉狀態)，而在庫水位較高時，在高水頭作用下滲漏通道擴展。

P3-1、P3-2、P3-3測點出現滲壓水頭后，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；滲漏通道已擴展到P3-3(距上游面2 m)測點附近。

2.2 綜合分析

為綜合分析壩體滲壓情況，將上述5個部位的滲壓情況統計見表1，并計算了滲透水位和庫水位的相關系數，其中計算時段為庫水位達到該滲壓計所在高程時間至2015年12月15日，壩體滲透壓力異常測點分布見圖7。由表1及之前分析可得出：

圖7 壩體滲透壓力異常測點分布圖 單位：m

表1 首次蓄水期間壩體出現滲壓的部位統計表

(1) 從出現滲透壓力的5個部位來看，9號最高壩段有3個高程出現異常，6號壩段和13號壩段各有1個高程出現異常，說明9號壩段的滲漏現象更為普遍。

(2) 將滲漏通道的暢通程度分為3個級別：① 完全或基本暢通：6號壩段625.00 m高程和9號壩段625 m高程，特別是6號壩段625.00 m高程，P1-9滲透水位和庫水位相關系數達0.98；② 未完全暢通：625.00 m高程壩段601.00 m高程和13號壩段581.00 m高程；③ 滲透通道出現閉合：9號壩段581.00 m高程。

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

(4) 在滲壓計安裝部位附近埋設有裂縫計、應變計、溫度計等儀器，結合這些儀器的監測成果分析如下：

1) 蓄水期間大部分裂縫計測值變化小于0.1 mm，僅6號壩段625.00 m高程和9號壩段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，蓄水階段特征值統計見表2。

表2 蓄水期間裂縫計特征值統計表

2) 從滲漏部位附近安裝的應變計組計算成果來看，施工期或多或少存在一些拉應力，最大拉應力為2.3 MPa(9號壩段581.00 m高程上游側)，歷史最大拉應力統計見表3。

表3 滲水部位歷史最大拉應力統計表

3) 從出現滲漏部位相應高程安裝的溫度計測值來看，未見明顯變化，但從滲壓計自身的溫度測值和庫水溫度對比來看，部分滲壓計和庫水溫變化存在一定的相關性，說明滲漏確實已經發生。

表4 滲壓水頭和氣溫、壩體變形的相關情況表

4) 表4統計了滲壓水頭和氣溫、壩體變形(采用垂線監測成果)的相關系數，可以看出：滲透壓力和氣溫、壩體變形相關系數普遍不大，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口滲壓計，在安裝前均進行了檢驗測試，電纜也進行了耐水壓測試，各項指標均滿足設計要求，在施工過程中也嚴格按照規范和設計要求進行了安裝。在發現滲壓計出現滲壓水頭后，根據DL/T 1271-2013《鋼弦式監測儀器鑒定技術規程》[2]，對滲壓計進行了現場檢驗，其頻率極差、溫度極差、絕緣電阻等檢測結果均滿足規范要求，可判斷儀器工作狀態為正常，基本可排除由于儀器本身以及電纜問題引起的測值異常。

3 成因分析

通過查閱施工資料和分析監測數據，對出現滲漏通道的原因分析如下：

(1) 該拱壩位于我國西北邊疆，環境條件惡劣，年溫差最大達80 ℃，對拱壩施工和運行十分不利。為了改善該拱壩的工作狀態，設計單位制定了嚴格的溫控措施，并在拱壩內部布置了大量溫度計及時監測壩體溫度情況。

(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致溫度較高，致使上下層溫差過大而易產生水平裂縫。因此，該工程采取了塑料膜、保溫被、噴涂發泡聚氨酯等保溫措施[3]，并在來年澆筑混凝土時采取嚴格的溫控措施，控制混凝土的最高溫度，以減小新老混凝土上下層溫差，降低結合面溫度應力，并在越冬面布置了溫度計和測縫計來觀測溫度，掌握新老混凝土結合情況。

(3) 從監測數據看，根據澆筑期最高溫度控制標準，主監測壩段存在部分測點超標現象，但整體超標幅度不大，最高溫度31.1 ℃?；炷翝仓筮M行了通水冷卻，根據“混凝土的日降溫速度控制在每天0.5～1.0 ℃范圍內”的溫控要求[4]，通水冷卻降溫幅度整體控制較好，主監測壩段實測共有9處通水冷卻時降溫速率超標(1.0 ℃/d)，日降溫速度控制達標率為91.7%。該工程從最初建設到蓄水，歷時5 a，經歷了多個冬季低溫的考驗，從冬季溫度監測成果來看，主監測壩段和越冬面存在個別測點溫度低至零度的情況，這對拱壩的應力控制不利。

以9號壩段601.00 m高程的T2-17測點為例，其測點過程線見圖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準26 ℃。

圖8 壩體典型溫度計T2-17測點過程線圖

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

T2-17測點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) 根據設計指標，施工期壩體主拉應力應小于0.5 MPa，滲水部位附近應變計組歷史最大拉應力大部分超過該指標，雖然未超過混凝土抗拉強度，但不能排除上游面出現裂縫的可能性。

(5) 總體來看，大壩溫控措施基本到位，但也存在個別部位上游側混凝土溫度較低現象。異常滲壓計對應高程靠上游側溫度計最低溫度統計見表5，可以看出有滲透壓力的5個部位上游側混凝土溫度有接近或低于0 ℃的現象。結合上游側混凝土溫度和應力監測數據，推斷冬季壩體上游側表面溫度較低引起較大的拉應力，從而造成上游面混凝土出現裂縫。在蓄水階段，由于水壓作用，個別位置裂縫還有一定程度的擴展，從而造成壩體上游側混凝土內滲壓水頭出現增長的現象。

4 結 語

(1) 溫度控制[5-9]是拱壩建設至關重要的一個環節，特別是位于高寒地區的拱壩，除混凝土澆筑過程外，在冬季低溫時段，對上下游面和越冬面混凝土的保護措施要執行到位，需布置足夠數量的溫度計，掌握大壩溫度情況，及時反饋并指導施工。

表5 壩體滲壓計對應高程上游側溫度計最低溫度統計表

(2) 拱壩監測設計時應充分考慮多個監測項目相結合，拱壩上游側混凝土內布置了溫度計、應變計、滲壓計、裂縫計等多個監測儀器，在出現異常時，可綜合分析，相互驗證，有利于準確了解大壩工作狀態。

(3) 雖然壩體上游側個別部位出現滲壓水頭，但總體來看，擴展深度不大，廊道內也未發現明顯滲水點，對壩體的整體性影響不大。從截至2019年底的監測數據來看，壩體滲壓未有進一步的增大，且個別部位還有一定程度的減小，說明拱壩自身應力調整有利于裂縫的閉合。