高壩回填及充水前后壩踵及廊道頂拱響應分析

付雨晨，胡 昱，譚堯升，周孟夏，劉春風，裴 磊

(1.浙江海洋大學,浙江 舟山 316100;2.清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084;3.中國三峽建設管理有限公司,四川 成都 610041)

特高拱壩施工期基坑充水是壩體首次承擔水荷載[1]，是實現初期蓄水階段目標的重要體現。大壩基坑充水過程中，大壩混凝土受力會發生相應改變，往往對壩體重點部位廊道頂拱混凝土應力、溫控齡期控制等產生影響。在施工期大壩澆筑過程中，大壩廊道頂拱會產生相對較大的拉應力，如不及時進行基坑充水會造成開裂[2]等危害大壩安全的嚴重問題，因此本文結合現場實際監測數據以及仿真分析開展基坑充水高度及時機分析對大壩重點部位工作性態研究，無論對高壩設計理論的完善還是對重點部位防裂、確保大壩運行穩定都具有重要意義。

目前，國內外結合現場實際監測數據針對高壩上游基坑充水前后廊道頂拱應力響應的研究鮮有報道。根據國內外最新研究進展：關注上游基坑充水對大壩工作性態的研究，é.K.Aleksandrovskaya[3-4]基于大壩位移位移監測資料，發現在充水過程中大壩表現為整體效應，大壩的垂直變形與大壩充水過程具有較強的關聯性；A.Savich等[5]的研究表明充水過程顯著改變了大壩-基礎的荷載和變形分布；羅丹妮等[6]基于溪洛渡拱壩初期蓄水過程的原型監測成果，系統仿真分析了大壩充水、蓄水過程，對大壩整體工作性態的影響。充填過程產生的靜水負荷載的變化對大壩整體變形應力狀態有顯著影響；大壩整塊之間的橫縫幾乎在澆筑大壩的整個高度上都受到壓縮，并且隨著蓄水水位高度的增加，其縫隙逐漸減小；采用數值計算手段對壩體應力分析，研究分期施工對自重應力[7]的影響，以及分期封拱與分期蓄水[8]對水荷載應力的影響，指出自重施加方式、封拱灌漿及蓄水過程均對壩體應力的分布特征和變化規律有較大影響，認為特高拱壩的應力計算宜按分期澆筑、分期封拱及實際分期蓄水過程模擬；胡波等[9]采用原型監測法對壩體和壩基變形的分析。周秋景等[10]對小灣拱壩、李家峽拱壩的垂線、壩基多點變位計等監測資料進行了分析研究，重點探究庫水位、氣溫與壩體和壩基變形的關系。結果表明，壩體水平變形主要受庫水位和氣溫影響，水荷載使得壩體向下游和兩岸位移變形加大，其中壩體上部變化更為敏感，而壩體豎直變形主要表現為下沉變形；大壩順河向位移隨庫水位升高而增大，壩基在河床部位沉降較大、兩側較小。

1 工程概況

西南某高壩為雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m，壩頂厚度14.0 m,居世界特高拱壩之列。最大拱端厚度83.91 m,含擴大基礎最大厚度95 m，大壩壩頂弧長約709 m，分為30條橫縫，共31個壩段，大壩不設縱縫，采用通倉澆筑。多年平均氣溫21.95℃，最低月平均氣溫13.3℃，較為溫和，全年有8個月月平均氣溫超過20℃，高溫季節時間長。壩址區干濕季分明、日照強，冬季干燥、風速大，需加強混凝土養護，防止混凝土開裂；夏季氣溫高、多雨，需要做好混凝土雨季澆筑的倉面降溫及防水工作。壩身有6個表孔、7個深孔、6個導流底孔，壩身開孔較多，結構較為復雜。隨著壩體澆筑高程增加，拱壩倒懸影響壩體逐漸向上游傾斜，壩踵處壓應力逐漸增加，壩體重點部位廊道頂拱處拉應力增大。這對拱壩溫控防裂帶來不利影響，一旦產生較嚴重的貫穿裂縫，會削弱壩體承受水壓荷載的剛度，影響大壩的整體性，并使其受力狀態受到影響。因此本文基于監測數據與計算分析互為驗證的方法，為防止產生對壩體安全不利的裂縫，重點論述廊道頂拱處工作性態，根據現場監測資料顯示，在回填及充水前廊道頂拱拉應力逐漸增大，因此有必要及時開展壩前回填及充水工作。

2 大壩重點部位工作性態分析

2.1 計算模型

本次計算模型采用高壩三維仿真模型，高壩三維仿真模型網格的節點數為170 487個，單元數總數149 085，壩段595 m以下為C40混凝土，壩段595～679 m為C35混凝土，壩段679 m以上為C40混凝土，有限元模型見圖1。

圖1 高壩三維仿真模型

2.2 邊界條件及相關參數設置

本文采用高壩三維仿真模型為例，考慮溫度荷載、自重、回填壓力以及水壓力的影響，蓄水前為第三類邊界條件，蓄水后為第一類邊界條件。采用三維有限元方法對其進行仿真分析，研究了不同高度下回填壓力以及水壓力對大壩重點部位廊道頂拱處的橫河向和順河向的應力應變[9]影響，見圖2。

圖2 邊界條件示意

混凝土絕熱溫升[11-12]。采用指數型經驗公式計算混凝土的絕熱溫升：

(1)

式中T——齡期t天時混凝土的絕熱溫升值,℃；θ0——混凝土的最終絕熱溫升值；t——混凝土齡期,d；n——常數。

混凝土及基巖熱力學相關參數的取值見表1。

表1 混凝土及基巖的熱力學參數取值

混凝土彈性模量[11-12]。考慮混凝土彈性模量隨齡期的變化，本文采用指數型表達：

E=E0×(1-e-at)

(2)

式中E0——混凝土的最終彈性模型,GPa；a——彈性增長的速率參數，a=0.1；E——齡期t天時混凝土的彈性模量值。

2.3 計算工況

本文共計算了5種工況，即壩體當前狀態回填高度600 m、回填到612 m充水到628 m、回填到600 m充水到609 m、回填到600 m充水到618 m、回填到600 m充水到628 m。通過選取的現場監測儀器廊道應變計和廊道鋼筋計結合5種仿真模擬計算，論述壩前回填及充水對于廊道頂拱應力的影響。

3 基坑回填及充水高度對大壩重點部位廊道頂拱處工作性態影響分析

3.1 仿真模擬分析

廊道混凝土結構屬于孔口結構，散熱面多且散熱不均勻，且外部約束和內部約束復雜，施工期存在一定開裂風險的位置主要發生在基礎灌漿廊道頂拱處。由于自重的逐漸增大，廊道頂部拉應力逐漸增大，從而產生微裂紋，所以探究基坑回填充水對于廊道頂拱拉應力影響對于大壩防裂具有重要意義。隨著壩高和封拱灌漿高程的增加，河床壩段廊道頂拱處逐漸出現較明顯的拉應力，所以考慮大壩自重應力和溫度應力[13]荷載，壩體倒懸會增加表層開裂風險，要進行基坑回填或充水改善廊道頂拱的應力情況。不同基坑回填及充水高度下對應的河床壩段廊道頂拱應力應變見圖3—7。

a)橫河向應力云

a)橫河向應力云

a)橫河向應力云

a)橫河向應力云

a)橫河向應力云

依據計算結果可見，基坑回填及充水對廊道頂拱的應力有所改善，廊道頂拱存在較大的拉應力(2 MPa左右)，而基坑回填與充水會在廊道頂拱產生一定的順河向壓應力，且數值隨著回填高度以及充水高度的上升而上升。當回填至612 m且充水高度為628 m時，廊道頂拱產生約為1.87 MPa的順河向壓應力，相比于回填到600 m順河向最大壓應力增加了1.24 MPa；當回填高度為600 m且充水高度分別為609、618、628 m時，頂拱部位的最大順河向壓應力分別為1.29、1.51、1.76 MPa，相比于回填到600 m順河向最大壓應力分別增加了0.66、0.88、1.13 MPa。依據順河向應變結果可見，基坑回填與充水會在廊道頂拱產生一定的順河向壓應變，且數值隨著回填高度以及充水高度的上升而上升。當回填至612 m且充水高度為628 m時，廊道頂拱產生約42.76個順河向微應變，相比于回填到600 m順河向最大微應變增加了28.30；當回填高度為600 m且充水高度分別為609、618、628 m時，頂拱部位的最大順河向微應變分別為29.52、34.51以及40.12，相比于回填到600 m順河向最大微應變分別增加了15.06、20.05以及25.66。

3.2 安全監測數據分析

由于壩體監測數據量龐大，因此本文重點挑選有代表性的監測數據圖表進行分析。廊道應變計時程線、部分典型的廊道鋼筋計見圖8、9，由于2019年上半年進行了壩前600 m高程以下回填高度，因此重點對回填完成附近的時間段進行監測數據的篩選與分析，可以更好地掌握基坑回填充水前后的廊道頂拱應力應變響應。本文選取2019年3月至6月間的數據變化，對選取的11壩段廊道應變計曲線進行分析可知,壩前回填會在廊道頂拱產生一定的壓應變，有助于改善廊道區域的應力水平。對選取的24壩段以及11壩段廊道鋼筋計曲線進行分析可知，廊道拉應力分別由18.11 MPa減小到4.39 MPa，8.7 MPa發展為18.19 MPa的壓應力。綜上可知，壩前回填減小廊道處的應力狀態，改善廊道應力，這對抑制廊道出現裂縫、保證大壩正常運行起到重要作用。且壩前回填還可在上游充水前對壩體施加一定推力，減小壩址和拱端拉應力，從而降低其開裂風險。而未經處理的壩前基坑開挖面巖體分布裂隙，當蓄水后，高水頭庫水進行裂隙，易產生水力劈裂破壞帷幕[14]，不利于壩基長期防滲與穩定。進行壩前回填及充水，不僅可以使其拉應力減小，降低大壩關鍵部位廊道開裂風險，還可改善基巖卸荷松弛變形，所以進行壩前回填及充水相關工作已經成為高壩初期蓄水前的關鍵工序。

a)壩段EL.600 m廊道應變計S1600-11-1

b)壩段EL.600 m廊道應變計S1600-11-2

a)壩段EL.596 m廊道鋼筋計RJC-24-1

4 不同充水高度對壩踵工作性態影響分析

在拱壩未充水前，由于壩體澆筑高度逐漸增加，各個壩段自重也在增加，再加上壩體倒懸的影響使得壩踵處垂直方向壓應力隨時間增加而增大。其中河床壩段由于承受的水壓力最大，澆筑高度最高，相應的壓應力也最大。本節主要研究充水到不同高度下對壩踵處的工作性態影響。

從垂向應力結果(圖10、11)可以看出，當充水高度分別為609、628 m時，垂向最大拉應力分別為1.99、2.89 MPa，相對于當前狀態垂向最大拉應力分別增加0.32、1.22 MPa；垂向最大壓應力分別為0.75、1.49 MPa，相對于當前狀態垂向最大壓應力分別增加0.20、0.94 MPa。隨著充水高度的增加，壩踵處拉應力逐漸增大，且基坑充水可以在壩基面靠近上游處產生壓應力，壩基面下游處產生拉應力，通過應力疊加可看出基坑水可以有效改善壩體整體受力情況，使受力狀態分布更加均勻，有利于壩體整體安全，并減小開裂風險，拱壩開裂會對整個壩體的安全性、耐久性和穩定性等造成非常不利的影響。

圖10 充水到609 m壩體垂直方向應力云

圖11 充水到628 m壩體垂直方向應力云

5 結論

基于實測和數值仿真模擬計算結果，選取廊道應變計以及廊道鋼筋計對西南某高壩的重點部位廊道頂拱工作性態進行研究和分析，主要得到以下幾點認識。

a)自動化監測自壩體回填及充水前開始進行監測，可以較為完整、細致地捕捉壩踵、壩址以及壩體重點部位廊道等應力發展趨勢，為大壩安全狀態評估提供了基礎數據支撐，通過廊道應變計和廊道鋼筋計監測結果可以更好地了解廊道處的應力情況，在出現較大拉應力前及時回填并充水。這不僅可以預防廊道處產生裂縫影響壩體安全，可以在后期更好的與上下游水電站聯合調度，在經濟和生態效益中都有著突出貢獻。

b)研究大壩重點部位廊道頂拱真實工作性態驗證了基坑回填及充水對重點部位廊道頂拱應力有所改善，模擬效果與廊道鋼筋計和廊道應變計等監測數據趨勢較吻合。基坑回填以及充水會在廊道頂拱產生一定的壓應力，且數值隨著回填高度以及充水高度的上升而上升。所以應盡早開始充水工作，并密切關注相關安全監測數據，為工程提供參考建議。

c)基坑充水能夠在壩基面靠近上游處產生拉應力，而在靠近下游出產生壓應力，通過應力的疊加可以看出基坑充水能夠有效改善壩體應力狀態，使得應力分布更加均勻。

致謝：本研究得到中國三峽建設管理有限公司譚堯升博士等相關人員的大力支持，在此表示衷心感謝！