基于原型觀測的某拱壩施工期安全性態(tài)評價

雷升云，丁群峰，黨建濤，雷 菲

（1.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710010；2.西安國開水環(huán)境有限公司，陜西 西安 710077）

1 工程概況

碾壓混凝土壩具有水泥用量少、水化熱低、通倉碾壓、施工速度快、整體成本低等特點[1]，在中國得到了廣泛應用，建設了如龍灘、黃登、光照等[2]一批高碾壓混凝土壩。為保證這些高壩的安全運行，原型觀測是必不可少的一個重要手段，是研判大壩安全的重要依據(jù)。本文基于原型觀測資料，對位于秦嶺腹地的三河口高碾壓混凝土拱壩施工期安全性態(tài)進行分析評價，為同類型拱壩設計和建設提供重要的指導及借鑒意義。

三河口水利樞紐工程，位于佛坪縣與寧陜縣交界的子午河峽谷段，是引漢濟渭工程整個調水工程的調蓄中樞。大壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，拱壩壩頂高程為646 m，壩底高程504.5 m[3]，最大壩高141.5 m，壩頂寬9 m，拱冠壩底厚37 m，壩頂上游弧長472.153 m，為國內同類型第二高壩[4]。壩址區(qū)多年平均氣溫為12.3℃，極端最高氣溫為37.4℃，最低氣溫為-16.4℃[5]。

下文分別從大壩變形、溫度、應力應變、滲流滲壓等監(jiān)測資料進行分析，從而對拱壩施工期工作性態(tài)作出綜合評價，為大壩后期蓄水及運行提供參考依據(jù)。

2 變形監(jiān)測

大壩主要選取了5 個典型壩段作為主監(jiān)測斷面，分別為：Ⅱ斷面-2 號壩段、Ⅲ斷面-4號壩段、Ⅳ斷面-5 號最高壩段、Ⅴ斷面-7 號壩段、Ⅵ斷面-9 號壩段，在典型斷面上布置了變形、溫度、應力應變、滲流滲壓等多個監(jiān)測項目。

2.1 基巖變形

（1）豎向位移

在5 個主監(jiān)測斷面的基巖處埋設了垂直向多點位移計監(jiān)測基巖的豎向變形，每個斷面沿上下游向各布置了4組多點位移計（四點式），四點式多點位移計各測點據(jù)孔口的距離分別為5 m、10 m、20 m、35 m。

基巖變形規(guī)律性較好，受混凝土澆筑高程的逐漸增加，基巖主要呈現(xiàn)壓縮變形，從空間分布來看，最高壩段Ⅳ斷面處位移變化最大，其次為Ⅲ斷面和Ⅴ斷面，Ⅱ斷面和Ⅵ斷面總體變化較小。截至2020 年2 月，基巖豎向位移在-7.61 mm～2.39 mm之間變化，大部分測點位移已趨于穩(wěn)定。

圖1 典型多點位移計測點過程線圖

（2）水平向位移

為監(jiān)測大壩基巖水平向變形，選取了典型壩段布置了6組水平向多點位移計（四點式）。從監(jiān)測成果來看，基巖水平向位移整體變化較小，除MJ2-3 和MJ5-1 這兩個測點的位移量超過1 mm外，其余各測點位移絕對值均小于1 mm，說明大壩拱向作用還不明顯。

2.2 建基面接縫變形

在5 個主監(jiān)測斷面建基面上沿上下游向各布置了4 支測縫計來監(jiān)測基巖和混凝土接縫變形情況，從監(jiān)測成果來看：開合度主要變形量發(fā)生在上部混凝土開始澆筑后的幾個月內，并受到溫度變化的影響；之后隨著壩基固結灌漿結束之后，開合度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，變化幅度較小，其中最大開合度為2.36 mm（JJ5-2 測點）。

圖2 典型建基面測縫計測點過程線圖

2.3 橫縫及誘導縫接縫變形

為監(jiān)測拱壩接縫開合度情況以及評價接縫灌漿效果，在拱壩橫縫及誘導縫不同高程埋設了測縫計，截止2019 年12 月，大壩578.4 m高程以下已完成接縫灌漿，監(jiān)測成果分析如下：

（1）在接縫灌漿之前，接縫開合度和壩體溫度呈明顯的負相關關系，即：溫度上升，開合度減小，溫度下降，開合度增大。在接縫灌漿前夕，經(jīng)過后期冷卻通水，此時接縫開合度基本達到最大，其中接縫開合度最大為9.73 mm，出現(xiàn)在5#橫縫的J（5 h）07測點。

（2）接縫灌漿結束以后，除J（5 h）03、J（5 h）06 和J（1 y）07這3個測點外（最大變幅0.97 mm），其余接縫測縫計灌漿后變幅均小于0.3 mm，變幅基本不再受溫度變化影響，說明接縫灌漿整體效果良好。

圖3 典型接縫測縫計測點過程線圖

3 溫度監(jiān)測

溫度控制是混凝土拱壩建設的重點內容，為掌握施工期碾壓混凝土溫升規(guī)律及檢驗溫控措施，在壩體監(jiān)測斷面按不同高程梯級網(wǎng)格布置了溫度計，本文主要從最高溫度、通水冷卻情況、封拱溫度等方面對拱壩溫控效果進行評價。

3.1 最高溫度

混凝土容許最高溫度為控制性指標，通過控制出機口溫度、澆筑溫度，調整澆筑層厚、間歇時間，通水冷卻或者澆筑過程中采取隔熱保護、噴霧等措施來實現(xiàn)。壩體混凝土澆筑塊設計容許最高溫度見表1。

表1 壩體碾壓混凝土容許最高溫度

混凝土最高溫度整體控制情況較好，絕大部分測點在容許溫度范圍內，但也存在個別部位（527 m和586 m高程左壩塊）夏季澆筑的混凝土最高溫度超標的情況，超標原因主要為冷卻機組故障和混凝土入倉強度不足；從超標測點的最高溫度來看，大部分測點超標幅度在3℃以內。

圖4 典型溫度計測點過程線圖

3.2 日降溫速率

通水冷卻日降溫速率控制指標：初期冷卻控制每天降溫速率不大于1.0℃/d，中后期冷控制每天降溫速率不大于0.5℃/d。從溫度計監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，絕大部分測點初期冷卻通水日降溫速率低于1℃/d，但也存在少數(shù)測點個別天數(shù)超標現(xiàn)象，但超標幅度不大；后期冷卻通水日降溫速率都低于0.5℃/d，總體來看通水冷卻日降溫速率基本滿足設計要求。

3.3 封拱溫度

封拱溫度是否滿足設計要求，關系著后期拱壩運行中的溫度荷載情況，因此保證合適的封拱溫度十分重要。三河口拱壩封拱溫度控制要求見表2，實測封拱溫度（封拱前該高程溫度計的平均溫度）見表3，從監(jiān)測成果可以看出，封拱溫度均滿足設計要求。

表2 后期冷卻混凝土封拱溫度控制表

表3 實測封拱溫度統(tǒng)計表

3.4 冬季保溫情況

在Ⅳ斷面（5號壩段）典型高程上下游側各布置1 支溫度計監(jiān)測表面溫度，上游側表面溫度計在蓄水后用來監(jiān)測庫水溫度。

表面溫度計埋設在壩體靠近表面模板的變態(tài)混凝土內，在埋設初期主要受到混凝土水化熱和外界環(huán)境溫度共同影響，特別是夏季安裝的溫度計，受到日照環(huán)境影響，其溫度一般較高。隨著一期冷卻通水結束以后，表面溫度主要受到外界氣溫的影響。

以埋設在EL.512 高程的2 支溫度計為例加以分析，與多年月平均氣溫對比過程線見圖5，可以看出：表面溫度計初期主要受到混凝土水化熱影響，溫度上升，之后隨著一期冷卻通水的進行，溫度逐漸降低，一冷結束后，在2017 年4月～8月份表面溫度和壩址區(qū)月平均氣溫基本吻合，冬季由于表面及時覆蓋保溫材料，混凝土表面溫度高于外界氣溫，2017年和2018年冬季，壩體表面溫度均在10℃以上，說明冬季保溫措施有效。

圖5 典型壩段基礎滲壓水頭橫向分布圖

圖5 大壩典型表面溫度計和月平均氣溫對比過程線

4 應力應變監(jiān)測

壩體應力應變監(jiān)測布置在5 個主監(jiān)測斷面，水平監(jiān)測截面沿高程方向按10 m～30 m的間距選取，各水平截面儀器分別距上、下游2.0 m，水平截面中部根據(jù)高程不同布置1 到2 套。監(jiān)測儀器主要采用五向應變計組，在每組應變計旁邊埋設1 支無應力計，五向應變計安裝示意圖見圖6。

圖6 五向應變計組埋設方向示意圖

圖7 典型應變計測點過程線圖

（1）壩體應力應變和溫度呈一定的負相關關系，即：溫度上升，應力應變向壓應變方向變化，溫度降低，應力應變向拉應變方向變化，符合一般變化規(guī)律。

（2）為更好地了解壩體應力應變的分布情況，對2020 年2月底各應變變化區(qū)間內的測點個數(shù)進行了統(tǒng)計，見表4。

表4 壩體應變計測點分布區(qū)間統(tǒng)計

從統(tǒng)計表中可以看出，目前大部分應變計測點處于受壓狀態(tài)，占應變計總數(shù)的63.9%；在受拉的171個測點中，大部分測點應力應變在100 με以內（138 支），在100 με～200 με之間的有23支，大于200 με的有10 支。拉應變大于200 με的10 個測點出現(xiàn)在Ⅲ斷面（533 m高程和595 m高程）和Ⅳ斷面（512 m高程和595 m高程），后期運行中應加以關注。

（3）總體來看，壩體應力應變變化規(guī)律正常，大部分測點處于受壓狀態(tài)，雖然存在少部分拉應變，但拉應變值大部分在100 με以內。

5 滲流滲壓監(jiān)測

大壩設置了5個橫向監(jiān)測斷面（同主監(jiān)測斷面）和2個縱向監(jiān)測斷面來觀測壩基揚壓力情況。橫向監(jiān)測斷面在帷幕前壩踵處、排水孔前后、壩趾處各布置1支滲壓計；2個縱向監(jiān)測斷面滲壓計布置在排水孔前后。

從監(jiān)測成果來看，由于尚未蓄水，施工期基礎滲透壓力主要受到壩前積水和岸坡地下水位的影響，施工期壩基最高水頭為26.98 m，出現(xiàn)在最高壩段帷幕前P4-1 測點，大壩滲流滲壓未見明顯異常變化。

6 結論

通過對三河口碾壓混凝土拱壩施工期原型觀測資料進行分析，可以得到以下結論：

（1）基巖豎向變形受壩體澆筑蓋重量影響，主要呈壓縮變形，施工期變形量不大；接縫變形在灌漿后較為穩(wěn)定，灌漿效果良好。

（2）施工期溫控措施到位，從最高溫度、日降溫速率、封拱溫度來看，基本滿足設計要求。

（3）壩體應力應變變化規(guī)律正常，大部分測點處于受壓狀態(tài)，雖然存在少部分拉應變，但拉應變值大部分在100 με以內。

（4）施工期滲流滲壓主要受壩前積水和岸坡地下水位的影響，測值普遍不大。