基于原型觀測的某拱壩施工期安全性態評價

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。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、滲流滲壓等監測資料進行分析，從而對拱壩施工期工作性態作出綜合評價，為大壩后期蓄水及運行提供參考依據。

2 變形監測

大壩主要選取了5 個典型壩段作為主監測斷面，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、滲流滲壓等多個監測項目。

2.1 基巖變形

（1）豎向位移

在5 個主監測斷面的基巖處埋設了垂直向多點位移計監測基巖的豎向變形，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孔口的距離分別為5 m、10 m、20 m、35 m。

基巖變形規律性較好，受混凝土澆筑高程的逐漸增加，基巖主要呈現壓縮變形，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定。

圖1 典型多點位移計測點過程線圖

（2）水平向位移

為監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 個主監測斷面建基面上沿上下游向各布置了4 支測縫計來監測基巖和混凝土接縫變形情況，從監測成果來看：開合度主要變形量發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，開合度基本處于穩定狀態，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律及檢驗溫控措施，在壩體監測斷面按不同高程梯級網格布置了溫度計，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。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。從溫度計監測數據來看，絕大部分測點初期冷卻通水日降溫速率低于1℃/d，但也存在少數測點個別天數超標現象，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 支溫度計監測表面溫度，上游側表面溫度計在蓄水后用來監測庫水溫度。

表面溫度計埋設在壩體靠近表面模板的變態混凝土內，在埋設初期主要受到混凝土水化熱和外界環境溫度共同影響，特別是夏季安裝的溫度計，受到日照環境影響，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 應力應變監測

壩體應力應變監測布置在5 個主監測斷面，水平監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，水平截面中部根據高程不同布置1 到2 套。監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月底各應變變化區間內的測點個數進行了統計，見表4。

表4 壩體應變計測點分布區間統計

從統計表中可以看出，目前大部分應變計測點處于受壓狀態，占應變計總數的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律正常，大部分測點處于受壓狀態，雖然存在少部分拉應變，但拉應變值大部分在100 με以內。

5 滲流滲壓監測

大壩設置了5個橫向監測斷面（同主監測斷面）和2個縱向監測斷面來觀測壩基揚壓力情況。橫向監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個縱向監測斷面滲壓計布置在排水孔前后。

從監測成果來看，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律正常，大部分測點處于受壓狀態，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。