嚴(yán)寒地區(qū)某拱壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)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(yán)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(jī)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(yàn)證設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)施工、和指導(dǎo)運(yùn)行[1-5]。本文介紹拱壩安全監(jiān)測的設(shè)計(jì)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(yīng)力應(yīng)變等方面變化。

2 監(jiān)測設(shè)計(jì)

該拱壩分為22個(gè)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(jì)突出重點(diǎn)、反映全面的原則，選取6#、9#、13#壩段作為重點(diǎn)監(jiān)測壩段。

2.1 監(jiān)測設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 溫度

根據(jù)設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 混凝土最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn) 單位：℃

為了防止水管冷卻時(shí)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(yīng)力

根據(jù)規(guī)范，結(jié)合本工程特點(diǎn)，同時(shí)考慮到拱壩是一個(gè)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(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 拱壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

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(yáng)壓力等設(shè)計(jì)值，或有足夠監(jiān)測資料時(shí)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(jì)理論計(jì)算和模型試驗(yàn)成果，并參考類似工程經(jīng)驗(yàn)提出本拱壩的設(shè)計(jì)警戒值見表3。

表3 拱壩設(shè)計(jì)警戒值

2.2 監(jiān)測設(shè)計(jì)布置情況

拱壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)主要包含變形、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、滲流、強(qiáng)震監(jiān)測4個(gè)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(duì)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(gè)雙金屬管標(biāo)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(zhǔn)來觀測大壩垂直位移，共12個(gè)測點(diǎn)。

(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(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測基礎(chǔ)不同深度處的受壓變形，共布置了6組多點(diǎn)位移計(jì)(四點(diǎn)式)。

(4)橫縫監(jiān)測

在壩體典型橫縫上布置測縫計(jì)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(jì)，自壩基墊層555 m開始，每10 m一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)灌區(qū)，在每個(gè)灌區(qū)的中間高程布設(shè)相應(yīng)的測縫計(jì)，6條橫縫共布設(shè)單向測縫計(jì)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(jì)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(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測

選擇6#、9#、13#共3個(gè)壩段作為重點(diǎn)監(jiān)測壩段，具體監(jiān)測項(xiàng)目如下。

(1)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

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

為了解拱端應(yīng)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(yīng)變計(jì)和無應(yīng)力計(jì)，共20組應(yīng)變計(jì)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(jì)，9#壩段布置39支溫度計(jì)，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(jì)來觀測基巖不同深度的溫度。

2.2.3 滲流監(jiān)測

(1)壩基揚(yáng)壓力

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

(2)滲透壓力

選擇6#、9#、13#壩段，在混凝土中埋設(shè)滲壓計(jì)，監(jiān)測混凝土滲透壓力，從而評(píng)價(jià)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(gè)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(gè)測壓孔來監(jiān)測繞壩滲流情況。

2.2.4 強(qiáng)震監(jiān)測

在大壩設(shè)置3臺(tái)強(qiáng)震儀來監(jiān)測大壩震動(dòng)荷載反應(yīng)情況。

3 監(jiān)測成果分析及評(píng)價(jià)

拱壩在施工期建立了臨時(shí)自動(dòng)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(shí)而準(zhǔn)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(xiàng)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(gè)別測點(diǎn)位移有突增現(xiàn)象，其余時(shí)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(fù)雜。蓄水后變形統(tǒng)計(jì)表見表4。拱壩左右壩肩蓄水后整體位移不大，個(gè)別點(diǎn)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(diǎn)位移量統(tǒng)計(jì)表

3.2 裂縫及橫縫監(jiān)測

從壩體裂縫計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，除K2-3測點(diǎn)外，其余裂縫計(jì)測值變幅在1 mm以內(nèi)。9#壩段559 m高程K2-3測點(diǎn)，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(duì)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(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

五向應(yīng)變計(jì)組實(shí)測混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)說明，施工期三個(gè)主監(jiān)測壩段均出現(xiàn)拉應(yīng)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(diǎn)向壓應(yīng)力方向變化，對(duì)壩體拉應(yīng)力減小起到了顯著作用，最大拱向拉應(yīng)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(yīng)力略大，蓄水后最大拉應(yīng)力小于1.1 MPa。

部分壩體出現(xiàn)拉應(yīng)力的原因，通過無應(yīng)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(shí)它起的作用比溫降更大。

3.5 壩基揚(yáng)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(gè)壩基楊壓力都小于設(shè)計(jì)指標(biāo)，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(jì)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)，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(jì)要求的允許溫差，新老混凝土結(jié)合情況較好。

(4)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測：三個(gè)主監(jiān)測壩段及拱端均存在有拉應(yīng)力，出現(xiàn)拉應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力顯著減小。

(5)揚(yáng)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(jì)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(yīng)力等基本均在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)，根據(jù)大壩安全監(jiān)測成果評(píng)價(jià)，大壩在施工期和首蓄水期工程性態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行狀態(tài)是安全的。