嚴寒地區(qū)某拱壩安全監(jiān)測設(shè)計及施工期監(jiān)測成果分析

謝曉勇

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某水利樞紐位于新疆北疆嚴寒地區(qū)，樞紐建筑物主要由常態(tài)混凝土雙曲拱壩、溢流表孔、放水深孔、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房幾部分組成。大壩為全斷面常態(tài)混凝土雙曲拱壩，最大壩高94 m，全長319.646 m。水庫正常蓄水位646.0 m，總庫容2.22×108m3，電站裝機容量220MW。樞紐工程等別為Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大(二)型。

大壩安全監(jiān)測的目的：監(jiān)控安全、驗證設(shè)計、檢驗施工、和指導運行[1-5]。本文介紹拱壩安全監(jiān)測的設(shè)計布置和施工情況，并結(jié)合施工期觀測成果，分析拱壩溫度、裂縫、應力應變等方面變化。

2 監(jiān)測設(shè)計

該拱壩分為22個壩段，設(shè)置了三層廊道，分別為560 m、595 m和620 m高程廊道。遵照安全監(jiān)測設(shè)計突出重點、反映全面的原則，選取6#、9#、13#壩段作為重點監(jiān)測壩段。

2.1 監(jiān)測設(shè)計控制標準

2.1.1 溫度

根據(jù)設(shè)計封拱溫度及容許溫差控制要求，制定不同澆筑月份容許最高溫度。控制混凝土最高溫度的方法主要為降低入倉溫度和一期通水冷卻，拱壩混凝土澆筑后最高溫度的控制標準見表1。

表1 混凝土最高溫度控制標準 單位：℃

為了防止水管冷卻時水溫與混凝土澆筑塊溫度相差過大和冷卻速度過快而產(chǎn)生裂縫，混凝土的日降溫速度控制在每天0.5℃～1.0℃范圍內(nèi)。

2.1.2 應力

根據(jù)規(guī)范，結(jié)合本工程特點，同時考慮到拱壩是一個空間受力體系，處于三維受力狀態(tài)，為了保證混凝土拱壩的整體性和工作可靠性，在壩體表面做永久保溫條件下，應力控制標準見表2。

表2 拱壩應力控制標準

2.1.3 其它

技術(shù)警戒值是大壩在一定工作條件下的變形量、滲漏量及揚壓力等設(shè)計值，或有足夠監(jiān)測資料時經(jīng)分析求得的允許值(允許范圍)，根據(jù)技術(shù)警戒值可判定監(jiān)測物理量是否異常。在水庫首次蓄水階段，根據(jù)設(shè)計理論計算和模型試驗成果，并參考類似工程經(jīng)驗提出本拱壩的設(shè)計警戒值見表3。

表3 拱壩設(shè)計警戒值

2.2 監(jiān)測設(shè)計布置情況

拱壩安全監(jiān)測設(shè)計主要包含變形、應力應變及溫度、滲流、強震監(jiān)測4個方面。

2.2.1 變形監(jiān)測

(1)水平變形

在6#、9#、13#壩段各層廊道中分段設(shè)置正垂線(共9條)，分別和基礎(chǔ)廊道的倒垂線銜接，監(jiān)測壩體水平絕對變形和撓度；在2#、6#、9#、13#、20#壩段布置了5條倒垂線來觀測壩基水平變形。

(2)垂直變形

在2#、6#、9#、20#壩段布置了4個雙金屬管標來觀測垂直位移；并在560 m高程縱向廊道8#～11#壩段和597 m高程縱向廊道6#～13#壩段各布置了1條靜力水準來觀測大壩垂直位移，共12個測點。

(3)壩基變形

為監(jiān)測壩踵和壩趾部位基礎(chǔ)變形情況，在6#、9#、13#壩段的壩踵部位和壩趾部位埋設(shè)多點位移計監(jiān)測基礎(chǔ)不同深度處的受壓變形，共布置了6組多點位移計(四點式)。

(4)橫縫監(jiān)測

在壩體典型橫縫上布置測縫計來觀測橫縫開合情況，分別在4#、6#、8#、10#、13#、15#橫縫處按高程在其上下游布設(shè)測縫計，自壩基墊層555 m開始，每10 m一個標準灌區(qū)，在每個灌區(qū)的中間高程布設(shè)相應的測縫計，6條橫縫共布設(shè)單向測縫計88支。

(5)裂縫監(jiān)測

在壩基和壩體出現(xiàn)裂縫幾率較大的部位布置了裂縫計來監(jiān)測裂縫，其中壩體布置了23支，壩基布置了16支。

2.2.2 應力應變及溫度監(jiān)測

選擇6#、9#、13#共3個壩段作為重點監(jiān)測壩段，具體監(jiān)測項目如下。

(1)應力應變監(jiān)測

為監(jiān)測壩體應力應變情況，在6#、9#、13#壩段布置了五向應變計和無應力計來觀測混凝土應力應變情況，共布置了20組應變計組。

為了解拱端應力情況，分別在559 m、581 m、601 m、607 m和625 m拱圈拱端處布置了五向應變計和無應力計，共20組應變計組。

(2)溫度監(jiān)測

為了解施工期的溫控處理效果，在6#壩段布置37支溫度計，9#壩段布置39支溫度計，13#壩段布置31支。

為監(jiān)測基巖溫度情況，在6#、9#、13#壩段基巖各埋設(shè)了5支溫度計來觀測基巖不同深度的溫度。

2.2.3 滲流監(jiān)測

(1)壩基揚壓力

在縱向廊道3#～18#壩段布置測壓管，內(nèi)置滲壓計，共布置16個測點。在6#、9#、13#壩段橫向廊道順河向布置揚壓力測點，共12個測點。

(2)滲透壓力

選擇6#、9#、13#壩段，在混凝土中埋設(shè)滲壓計，監(jiān)測混凝土滲透壓力，從而評價混凝土的施工質(zhì)量和防滲效果。

(3)滲流量

在壩基灌漿廊道和左右岸灌漿平洞內(nèi)布置8個量水堰來監(jiān)測大壩滲流量大小。

(4)繞壩滲流

分別在575 m、605 m、649 m高程左右岸灌漿平洞內(nèi)布置23個測壓孔來監(jiān)測繞壩滲流情況。

2.2.4 強震監(jiān)測

在大壩設(shè)置3臺強震儀來監(jiān)測大壩震動荷載反應情況。

3 監(jiān)測成果分析及評價

拱壩在施工期建立了臨時自動化監(jiān)測系統(tǒng)，取得了連續(xù)、可靠的觀測數(shù)據(jù)，做到了全面、同步、及時而準確地反映出各部位在施工期過程中的變化。拱壩在施工期及首次蓄水期主要監(jiān)測項目的監(jiān)測成果如下。

3.1 變形監(jiān)測

基巖變形目前已較為穩(wěn)定，受固結(jié)灌漿影響，2011年冬季個別測點位移有突增現(xiàn)象，其余時段無異常變化；基巖深處溫度較為穩(wěn)定，目前基巖溫度在8℃左右。

拱壩左右岸壩肩陡峭、高差大、地質(zhì)條件復雜。蓄水后變形統(tǒng)計表見表4。拱壩左右壩肩蓄水后整體位移不大，個別點有約20 mm左右的順坡向位移，符合蓄水后正常變形情況。

表4 拱壩壩肩測點位移量統(tǒng)計表

3.2 裂縫及橫縫監(jiān)測

從壩體裂縫計監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，除K2-3測點外，其余裂縫計測值變幅在1 mm以內(nèi)。9#壩段559 m高程K2-3測點，在2014年5月11日的-0.08 mm增大到5月13日的0.66 m，與固結(jié)灌漿施工有關(guān)，其后測值穩(wěn)定，裂縫無變化。

3.3 壩體溫度監(jiān)測

溫度監(jiān)測資料可以看出，澆筑溫度隨季節(jié)變化比較明顯，高溫季節(jié)高、低溫季節(jié)低，基本反映了季節(jié)溫度對混凝土澆筑溫度的影響，規(guī)律性較好。

蓄水前各層年均溫度較為均勻，在7.5℃～10℃之間，均高于多年平均氣溫(5℃)，9#壩段各層年均溫均超過9℃。2014年7月水庫蓄水后，壩體溫度繼續(xù)下降，至2016年8月基本降至多年均溫，壩體混凝土水化熱基本完成。

3.4 混凝土應力、應變監(jiān)測

五向應變計組實測混凝土應變數(shù)據(jù)說明，施工期三個主監(jiān)測壩段均出現(xiàn)拉應力，但6#、13#受拉較輕、分布零星，9#壩段受拉較明顯，且集中分布在581 m～601 m間。水庫蓄水后，隨庫水位上升，大部分測點向壓應力方向變化，對壩體拉應力減小起到了顯著作用，最大拱向拉應力減小至1.09 MPa。

拱端大部分處于受壓狀態(tài)，僅17#壩段601 m高程上游側(cè)以及607 m高程上游側(cè)拉應力略大，蓄水后最大拉應力小于1.1 MPa。

部分壩體出現(xiàn)拉應力的原因，通過無應力監(jiān)測成果分析，溫降引起的收縮未必是最主要的，混凝土自生體積變形收縮不可忽視，甚至有時它起的作用比溫降更大。

3.5 壩基揚壓力監(jiān)測

施工期壩基大部分處于無壓狀態(tài)，只有9#壩段約有1.5 m水頭。水庫蓄水后，壩基楊壓力隨庫水位升高增大，但普遍較小，整個壩基楊壓力都小于設(shè)計指標，說明壩基防滲灌漿效果好。

4 結(jié)語

(1)變形監(jiān)測：壩基基巖變形已較為穩(wěn)定；拱壩左右岸壩肩累計位移量及蓄水后位移變化量均不大，壩肩基本穩(wěn)定。

(2)裂縫及橫縫監(jiān)測：壩體受灌漿施工影響，個別部位存在裂縫，接觸灌漿后，測值穩(wěn)定。

(3)溫度監(jiān)測：壩體除局部溫度偏高外，大壩整體混凝土澆筑溫度及封拱灌漿溫度均滿足控制標準，蓄水后壩體溫度持續(xù)下降，已基本降至最終溫度；越冬面新老混凝土上下層溫差均滿足設(shè)計要求的允許溫差，新老混凝土結(jié)合情況較好。

(4)應力應變監(jiān)測：三個主監(jiān)測壩段及拱端均存在有拉應力，出現(xiàn)拉應力的部位混凝土自身體積變形收縮率也較大。水庫蓄水后可改善壩體應力狀態(tài)，拉應力顯著減小。

(5)揚壓力監(jiān)測：施工期壩基大部分處于無壓狀態(tài)，水庫蓄水后壩基楊壓力升高，但均小于設(shè)計值，壩基防滲效果好。

總體來看，該拱壩除局部壩體溫度偏高外，其它如大壩基礎(chǔ)變形、壩體應力等基本均在設(shè)計指標范圍內(nèi)，根據(jù)大壩安全監(jiān)測成果評價，大壩在施工期和首蓄水期工程性態(tài)滿足設(shè)計要求，運行狀態(tài)是安全的。