混凝土壩應力應變監(jiān)測的幾個問題

魏德榮

（國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州310014）

0 引 言

應力應變是反映壩工結構力學性能的重要物理量，是評價壩工結構性態(tài)的重要內容，歷來為壩工界和監(jiān)測界的同行所重視。原SDJ336-1989《混凝土大壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》（試行）對此有許多規(guī)定?，F(xiàn)行DL／T5178-2003《混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》在總結原規(guī)范試行以來監(jiān)測新技術和新經驗的基礎上，又增添了較多內容，初步形成了混凝土壩應力應變監(jiān)測的基本框架。

1 新規(guī)范增添的應力應變條款

新規(guī)范增添了較多的應力應變條款，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 監(jiān)測項目

新增了壩基和壩肩應力應變監(jiān)測、預應力監(jiān)測以及壩體地震反應監(jiān)測，并規(guī)定將一級大壩70 m以下的應力應變監(jiān)測變?yōu)榭蛇x項。

1.2 監(jiān)測布置

（1）壩體

新規(guī)范做了以下兩方面的增訂：①根據布置設計的實踐，建議重力壩的應力應變監(jiān)測布置按以下程序進行：首先根據壩高、結構特點及地質條件選定重點壩段，然后在重點監(jiān)測壩段布置1～2個監(jiān)測斷面，可在監(jiān)測斷面不同高程布置幾個水平監(jiān)測截面進行應力應變儀器的布設。這樣有利于同高程和同斷面的監(jiān)測成果相互比較，有利于及時發(fā)現(xiàn)問題。②對應力應變測點的布置增加了以下規(guī)定：重力壩表面應力梯度較大時，應在距壩面不同距離布置測點，一般布設單向或雙向應變計；壩體溫度測點應結合安全監(jiān)控預報模型需要而設置，不做預報模型的壩段，溫度測點可適當減少，也可采用能滿足施工監(jiān)測要求的使用期限較短的溫度計或熱電偶。對于重力壩，建議在監(jiān)測壩段的中心斷面上按網格布置溫度測點，網格間距為8～15 m。對150 m以上的高壩，間距可適當增加到20 m，以能繪制壩體等溫線為原則。由于拱壩應力復雜，對溫度應力較為敏感，因此放寬了溫度測點數(shù)。為了解重力壩縱縫及拱壩橫縫的開度變化規(guī)律，新規(guī)范建議對縫面每個灌區(qū)除布設測縫計以外，尚需布設溫度計。并且，新規(guī)范規(guī)定，整體式重力壩的儀器布置參照拱壩進行。由于受基礎影響較大，原規(guī)范規(guī)定混凝土壩測點距基巖開挖面應大于5 m，經過10多年的大量實踐，新規(guī)范將5 m改為3 m，并規(guī)定，必要時可在混凝土與基巖結合面附近布置測點。

（2）壩基及壩肩

壩基及壩肩的應力應變監(jiān)測是對原基巖溫度監(jiān)測較大的補充。規(guī)范規(guī)定，①對應力應變監(jiān)測斷面的選擇按下列要求進行：監(jiān)測斷面應選擇地質條件、結構形式、受力狀態(tài)等具有代表性或關鍵的部位，宜選擇1個主監(jiān)測斷面，在其附近設1～2個輔助監(jiān)測斷面。重點監(jiān)測斷面宜與其他監(jiān)測項目結合布置。②對應力應變測點的布置按下列要求進行：在重力壩的壩踵和壩趾部位宜布置測點；拱壩的測點應布置在應力變化較大的部位；巖體表面測點宜采用基巖應變計，其標距應為1～3 m,宜單向或2～3向布置；在受力條件明確的部位可布置壓應力計。

（3）預應力監(jiān)測

預應力的監(jiān)測是新增監(jiān)測項目。規(guī)范規(guī)定，預應力錨索監(jiān)測宜對各種噸位的錨索抽樣進行，監(jiān)測數(shù)量應根據實際需要確定，每個典型部位或每種錨索應監(jiān)測2～3根。儀器宜采用錨索測力計。

（4）大壩地震反應監(jiān)測

大壩地震反應監(jiān)測是新增監(jiān)測項目。規(guī)范規(guī)定，①地震區(qū)的大壩應設置強震儀，監(jiān)測壩體在地震時的振幅、頻率、振動速度和加速度。②重力壩和支墩壩的監(jiān)測布置宜采用如下方式：在溢流壩段和非溢流壩段，各選一個最高壩段或地質條件較為復雜的壩段進行監(jiān)測。測點應布置在壩頂和壩基廊道內，高壩可在中間不同高程加設1～3個測點，并應根據結構特點選擇其他3～4個壩段，在壩頂各布設1個測點。在局部應力集中部位及局部薄弱環(huán)節(jié)也宜布置測點；在離壩址2倍壩高附近的基巖上應設置1個測點。③拱壩的監(jiān)測布置宜采用如下方式：拱冠梁從壩頂?shù)綁位贾?～4個測點；在1／4拱圈處、壩肩處沿頂拱各布置1個測點。拱壩的拱座沿不同高度應布置1～3個測點；在離壩址2倍壩高附近的基巖上應設置1個測點。薄拱壩應在2／3壩高附近布置測點。

1.3 監(jiān)測儀器埋設

根據工程經驗，做好事前準備是儀器埋設成功的重要一環(huán)，因此，規(guī)范增加了以下要求：埋設儀器前，應編制施工的進度計劃和操作細則（包括儀器檢驗、電纜連接和走向、埋設方法、現(xiàn)場觀測及資料整理等方面的規(guī)定），并須對儀器進行檢驗。儀器埋設中另一個容易忽視的問題是電纜連接。電纜連接在監(jiān)測系統(tǒng)中有著十分重要的作用，其好壞直接影響系統(tǒng)的質量、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐久性，因此，規(guī)范規(guī)定：監(jiān)測儀器電纜線路應在設計時予以規(guī)劃，盡量使電纜牽引的距離最短和干擾施工最小，并且，電纜牽引路線與上、下游壩面的距離不得小于0.5 m。埋設時，靠近上游面的電纜應分散牽引，必要時應采取止水措施。電纜水平牽引時可挖槽埋入混凝土內，垂直牽引時可用鋼管保護，保護鋼管的直徑應大于電纜束的1.5～2倍?？缈p時，應采取措施使電纜有伸縮的余地。

1.4 觀測

現(xiàn)場觀測是獲取大壩安全信息關鍵的一步，根據水電站的成功經驗，規(guī)范增加了如下要求：①按照規(guī)定的測次和時間進行觀測。各種互相有關的項目同時進行監(jiān)測。②儀器埋設后，必須確定基準值?；鶞手祽鶕炷恋奶匦?、儀器的性能及周圍的溫度等，從初期各次合格的觀測值中選定。③儀器設備應妥加保護。電纜的編號牌應防止銹蝕、混淆或丟失。電纜長度不得隨意改變，必須改變時，應在改變前后讀取監(jiān)測值，并做好記錄。集線箱及測控裝置應保持干燥。

2 應力應變監(jiān)測的意義和作用

混凝土壩的破壞是從應力應變超標開始的，拉應力超標將引起壩體開裂，剪應力超標將導致壩體滑移。大壩出現(xiàn)局部破損，總是能夠在應力應變監(jiān)測資料中找到證據；如果需要對大壩的安全做出評價，應力應變監(jiān)測資料分析是一項不可缺少的內容。因此，在大壩安全管理中，應力應變監(jiān)測處于十分重要的地位，受到廣大專家、學者、監(jiān)測工作者的重視。工程實踐中，大家進一步創(chuàng)新和豐富了應力應變監(jiān)測的內容，這一點在DL／T5178-2003規(guī)范中得到了很好的體現(xiàn)，規(guī)范中增補最多的部分就是應力應變監(jiān)測部分。

應力應變監(jiān)測對大壩十分重要，但不能因此認為用應力應變對大壩安全進行監(jiān)控比用位移更好、更直觀有效。其實，這個問題在上世紀90年代已經解決了。大壩的應力應變雖然重要，但在當前，大壩安全的主要監(jiān)控量仍然首推位移。這是因為：①應力應變是局部量，位移是全局量。一點應力超標將引起大壩局部開裂，但是，大壩局部開裂并不代表大壩整體失事，實際工程中無壩不裂這一現(xiàn)象也說明了這一點。因此，應力應變不宜作為大壩安全的監(jiān)控量。而位移是全局量，特別是壩頂位移，它是壩體變形和壩基變形的綜合量，是各局部量變化的綜合反映，可以有效地監(jiān)控大壩安全。②應力應變測值是一個中間量，位移測值是一個終極量。終極量是一個明白量，一看明了；而中間量需要經過繁雜的計算才能換算成終極量，使用不便。③應力應變監(jiān)測儀器難以修復，位移監(jiān)測儀器易于更新。④應力應變監(jiān)控指標難于認定，位移監(jiān)控指標易于確定。因為壩體中許多點的應力狀態(tài)各不相同，有三向的、二向的，也有單向的，不同狀態(tài)下混凝土的強度值是不同的，因此，很難認定壩體內某一點的應力監(jiān)控指標。特別是應力很敏感，較大的應力值往往是裂縫或局部破壞的先兆，沒有多少預警幅度，因而更難認定應力的監(jiān)控指標。位移則不同，它是一個綜合量，是各處應力應變綜合的結果，因此，可以用一個統(tǒng)一的強度值進行計算，建立工程施工階段和首次蓄水階段的監(jiān)控指標。大壩投入運行后，可定期根據實測資料建立數(shù)學模型，提出或調整運行監(jiān)控指標。

對于混凝土的應力和應變監(jiān)測布置，規(guī)范規(guī)定“應根據壩型、結構特點、應力狀況及分層分塊的施工計劃，合理地布置測點，使監(jiān)測成果能反映結構應力分布及最大應力的大小和方向，以便和計算成果及模型試驗成果進行對比，以及與其他監(jiān)測資料綜合分析?！痹谶@里，規(guī)范指出了應力應變的監(jiān)測布置原則，它們是：①要根據壩型進行布置；②要根據結構特點進行布置；③要根據應力狀況進行布置；④要根據分層分塊的施工計劃進行布置；⑤要根據計算成果和模型試驗成果進行布置；⑥要合理地布置；⑦使監(jiān)測成果能反映結構應力分布及最大應力的大小和方向。不能因為這里提到了“和計算成果進行對比”而錯誤地認為規(guī)范把驗證設計作為安全監(jiān)測的主要目標。最近，設計部門有人提出，“以已建高拱壩原型觀測為基礎進行反饋分析，開展高拱壩結構穩(wěn)定性及抗震安全性、抗滑穩(wěn)定性分析方法及安全系數(shù)取值問題研究。提出合理的高拱壩應力控制標準，在保證壩體應力變形安全的條件下，進一步優(yōu)化體形結構?！比绻虼擞腥苏J為應力應變監(jiān)測把驗證計算成果放在第一位那就錯了！規(guī)范總則部分已明確規(guī)定，混凝土壩必須設置必要的監(jiān)測項目，用以監(jiān)控大壩安全、掌握運行規(guī)律、指導施工和運行、反饋設計。因此，反饋設計是在安全監(jiān)測大義之中。面對高壩超高壩這一新課題，不僅水工設計要反饋，安全監(jiān)測也要進行反饋，進行驗證、總結。

對于監(jiān)測成果與計算成果及模型試驗成果的對比分析，有觀點認為應力計算成果不可能和實測成果直接對比，理由是二者有很大的不同，因此不能對比！這是對監(jiān)測資料分析中頻繁使用的比較法的認識問題。規(guī)范在附錄H中指出：比較法有監(jiān)測值與監(jiān)控指標相比較、監(jiān)測物理量的相互對比、監(jiān)測成果與理論的或試驗的成果（或曲線）相對照等三種。規(guī)范接著指出，監(jiān)測成果與理論的或試驗的成果相對照是比較其規(guī)律是否具有一致性和合理性。可見比較的不是一個具體的數(shù)字，因此，實測成果和應力計算成果完全可以進行對比，而且應該進行對比，在監(jiān)測資料分析中都是這么做的。兩者應該比，而且可以比。

3 關于高壩的應力應變監(jiān)測

要做好高壩的應力應變監(jiān)測，必須深入了解我國高壩建設的現(xiàn)狀，了解高混凝土壩的結構設計和施工方法（包括施工期混凝土的溫度控制），以便針對大壩在施工和運行時的薄弱環(huán)節(jié)，選擇關鍵部位合理布置儀器。

3.1 我國高壩建設的現(xiàn)狀

20世紀80年代之前，我國高壩建設與國際水平還有相當差距。隨著龍羊峽、李家峽、烏江渡、東風、隔河巖、白山、寶珠寺、二灘等高壩的建設，引進了國外的先進技術，積累了建設高壩的經驗。進入21世紀，高壩開發(fā)建設速度前所未有，一些200 m級甚至300 m級高壩也已開工或即將開工建設。

（1）高拱壩

隨著龍羊峽、烏江渡、東風、二灘等一批200 m級高拱壩的完建，特別是以二灘拱壩建成為標志，我國200 m級高拱壩技術已基本成熟，具備了建設300 m級超高拱壩的技術基礎。因此，由我國自行設計的小灣、溪洛渡、錦屏一級等300 m級高拱壩近年來已相繼開工建設，這些拱壩的高度將明顯超過目前世界最高拱壩——原蘇聯(lián)的英古里拱壩（272 m高）。國內高拱壩情況詳見表1。

（2）高重力壩

據有關方面統(tǒng)計，我國已建和在建的壩高100 m以上的大中型水電站，混凝土重力壩約占50%。我國混凝土重力壩筑壩高度從20世紀80年代的100 m級，到20世紀90年代的150 m級，目前突破了200 m級。國內重力壩情況詳見表2。由表2可見，超過200 m高度的混凝土重力壩均為碾壓混凝土重力壩。與常態(tài)混凝土比較，從混凝土單價和施工強度來看，碾壓混凝土壩的競爭力相對較強；同時，由于混凝土重力壩水泥用量大，摻合料用量多，運輸成本高，給地處偏遠的經濟落后地區(qū)的建壩競爭造成一定影響，因此，200 m以上高度的混凝土重力壩不多。目前，我國水電規(guī)劃的超高壩、特高壩大多是當?shù)夭牧蠅魏突炷凉皦?，重力壩高度一般均?00～150 m，最高為瀾滄江黃登水電站的混凝土重力壩，為 187.00 m。

3.2 高壩的安全問題

一般而言，壩越高，水庫越大，高壩風險遠高于中低壩，一旦大壩失事，高壩引起的直接損失和引發(fā)的次生災害也遠高于中低壩，因此，大壩的安全是高壩的關鍵問題。

根據一些文獻資料，超高壩、特高壩存在以下一些薄弱環(huán)節(jié)。

表1 國內高拱壩建設統(tǒng)計表Table 1 :Statistics of the high arch dams in China

表2 國內高重力壩建設統(tǒng)計表Table 2 :Statistics of the high gravity dams in China

3.2.1 承受荷載大，壩體應力高

在自重、水荷載和氣溫水溫的聯(lián)合作用下，混凝土壩的應力與壩高成正比關系，壩越高，應力越大。重力壩在自重和水荷載作用下，雖然沒有拉應力，其拉應力主要來自溫度變化，但是壓應力較大；拱壩因體型復雜，應力也較復雜，在自重和水荷載作用下，壩體的上、下游面都有較大的拉應力和壓應力。因此，超高壩和特高壩容易在運行期出現(xiàn)大裂縫。工程實踐表明，這些裂縫主要有超高重力壩的劈頭縫和超高（特高）拱壩上游面的水平裂縫。

（1）超高重力壩的劈頭縫

目前，按照超高壩的施工方式，通倉澆筑的常態(tài)混凝土重力壩和碾壓混凝土重力壩都不設縱縫，因此，沒有接縫灌漿前的二期人工水管冷卻，壩體內部溫度依靠自然冷卻，這需要幾十年甚至更長時間才能到達穩(wěn)定溫度，若冬季遇上寒潮，很容易因內外溫差的作用產生較深的表面裂縫。水庫蓄水后，壩體內部溫度仍然很高，并且，壩越高，壩的橫斷面越大，壩體內部溫度越高，而庫水溫度較低，從而形成壩體內外溫差，使施工過程中出現(xiàn)的表面裂縫縫端產生較大的應力強度因子。再加上縫內高壓裂隙水的劈裂作用，容易使原有的表面裂縫擴展成為深劈頭裂縫，深度有時可達30～50 m，裂縫面積大，危害性極大。剛蓄水時，混凝土斷裂韌度較高，表面裂縫通常不擴展，但在荷載持續(xù)作用下，混凝土斷裂韌度逐漸降低，到一定時候，表面裂縫即擴展為劈頭裂縫。例如，美國德沃歇克重力壩，最大壩高219 m，通倉澆筑，采用了預冷骨料，整個施工期，混凝土入倉溫度控制在 4.4℃～6.6℃,壩體下部還埋設冷卻水管，進行一期冷卻，春、秋、冬三季進行表面保溫等溫控措施。施工期間未發(fā)現(xiàn)嚴重的裂縫，但運行數(shù)年后，在9個壩段上游面出現(xiàn)了劈頭裂縫，其中35壩段最為嚴重，縫寬2.5 mm，廊道內滲水量達29 m3／min。又如加拿大雷威爾斯托克重力壩，高175 m，通倉澆筑，摻40%飛灰，采取了預冷骨料、壩體下部埋設水管進行一期冷卻、冬季停澆、表面保溫層的放熱系數(shù)不大于 5.0 kJ／（m2·h·℃）等溫控措施。1983年竣工，絕大部分壩段上游面都出現(xiàn)了表面裂縫，蓄水前做了防滲處理，1983年10月開始蓄水，1984年3月12日，水位到達正常蓄水位下14 m時，P3壩段上游面裂縫突然擴展為深劈頭裂縫，切斷了上游面4個廊道中的下面3個，縫寬6 mm，縫深約30 m，廊道內滲水量達174 L／s。

（2）超高拱壩上游面的水平裂縫

由于通倉澆筑的常態(tài)混凝土拱壩和碾壓混凝土拱壩常按全斷面通倉薄層鋪筑上升，不設縱縫，橫縫很少，因此，在拱作用形成后，仍有水化熱儲存在壩體內，形成較大的施工應力，這部分應力并不會隨著施工期的結束而消失，而要延續(xù)到運行期，并與運行期蓄水后壩體內外溫差及其他作用產生的拉應力相疊加，在上游壩面形成較大的拉應力，特別是空庫或低水位運行時，又遇上寒潮，拉應力將更大。拱壩在混凝土自重和水荷載作用下，上游壩面左右拱端附近及下部“梁”向往往有較大的拉應力，一旦上述兩部分應力疊加，拱壩上游面下部極易形成水平向裂縫和垂直壩基面的裂縫；拱壩上部左右拱端附近則常常發(fā)生垂直向裂縫，且多貫通上下游直通基礎。例如我國普定碾壓混凝土拱壩，壩高75 m，蓄水5年后的1999年1月中旬，大雪后溫度驟降，大壩左右壩肩部位出現(xiàn)幾條貫穿性垂直裂縫；大壩下部，左右各有一條幾乎垂直建基面的裂縫。奧地利柯英布蘭薄拱壩，壩高200 m，1978年蓄水至距壩頂11 m時，壩踵產生水平向大裂縫，縫長約100 m，排水孔漏水量達200 L／s。經水泥灌漿和加強帷幕后，1979年又蓄水至設計水頭200 m時，整個壩基揚壓力都接近水庫全水頭，因此又對裂縫進行加固。1982年再次蓄水，當水頭達183 m時，漏水量超過400 L／s。1983年放空水庫檢查發(fā)現(xiàn)，壩體又出現(xiàn)一條長17 m的水平向裂縫。1984年，再次發(fā)現(xiàn)壩體出現(xiàn)一條大致平行但高出老裂縫的新裂縫，裂縫通至壩基。

通倉澆筑的常態(tài)混凝土拱壩和碾壓混凝土拱壩的另一薄弱環(huán)節(jié)是層間接觸面，該接觸面容易被拉開。例如，我國陳村、普定、石門子等普通混凝土高拱壩都出現(xiàn)了水平層間裂縫和壩體滲水情況。俄羅斯薩揚舒申斯克拱壩，壩高242 m。因大壩采用分期施工、分期蓄水的方式建造，大壩上游面形成了許多細小的表面裂縫。水庫蓄水后，隨著水位不斷上升，受滲水壓力作用，裂縫漸漸張開。與此同時，大壩懸臂梁內的上游垂直壓應力又因水位升高而減小，使裂縫不斷向內部延伸。1990年，當水位首次升高到正常蓄水位時，大壩河床部位的21～46壩段各條橫縫的豎井內出現(xiàn)較大的滲漏水。1991年檢查發(fā)現(xiàn)，漏水裂縫位于壩踵附近，其中半數(shù)裂縫由細小的表面水平裂縫發(fā)展而來，另一半數(shù)則由水平施工縫發(fā)展而來。

3.2.2 承受荷載大，壩基和壩肩變形大

超高壩自重大，水壓高，對壩基和壩肩巖體的強度和抗變形的要求也高。然而，正似中國工程院朱伯芳院士著文指出：“混凝土壩失事的危險主要不是對荷載估計不足，而是材料實際強度低于預計值?！薄皩Φ鼗鶑姸裙烙嫷恼`差可能最大，危害最大的是隱蔽在地下的軟弱構造。如斷層、軟弱夾層、節(jié)理等，對其產狀、強度、抗剪參數(shù)的估計，都可能有較大誤差，其中有些參數(shù)在蓄水后還可能隨著水文地質條件的改變而變化?！币虼耍邏尉薮蟮膲毫屠ψ饔脤е聣位鶐r體發(fā)生較大的變形，危及大壩安全。這些變形主要有以下幾種類型：壩踵巖體開裂、壩基巖體沿深層或淺層構造面滑移、壩基巖體持力層松動、壩基壩肩巖體受到撬動、張拉或擠壓。

（1）壩踵巖體開裂

在高水壓和溫度荷載作用下，壩踵部位將受拉，由于基巖裂隙較多，雖經固結灌漿處理，當壩踵部位受到的拉力足夠大時，壩踵巖體將沿裂隙斜向壩基下開裂，造成防滲帷幕破壞。例如，奧地利施萊蓋斯拱壩，壩高131 m，1971年建成。壩基由均質雙云母片麻巖構成，片理面走向平行于右壩座（與壩軸線成45°），傾向下游，傾角很陡，在巖層節(jié)理內夾有少量軟質黑云母片巖，右壩座變形模量比左壩座小。水庫蓄水首次到90%壩高時，受巨大的水壓力作用，壩體向下游傾斜，壩基的沉陷量左岸比右岸小很多，尤其在下游壩址部位。左岸和河床基巖變形小的地區(qū)上游壩踵產生很高的拉應力，導致壩踵巖體開裂和防滲帷幕破壞，滲漏量達251 L／s。我國湖南鎮(zhèn)梯形支墩壩，壩高129 m。1983年4月21日，當庫水位超過220 m時，12號壩段灌漿廊道滲漏量突然大幅度增加，隨著庫水位升高到正常蓄水位230 m時，滲漏量超過50 m3／d，其中有一個孔達32.83 m3／d，帷幕后有的揚壓力超過設計采用值。通過帷幕前后測孔間的現(xiàn)場連通放水試驗，證實12號壩段壩基接觸面帷幕已被拉開。

（2）壩基巖體沿深層或淺層構造面滑移

壩基巖體沿深層或淺層構造面滑移是一個嚴重的問題，是事關大壩穩(wěn)定的大問題。一旦壩基巖體沿深層或淺層構造面滑移，大壩隨即失穩(wěn)而潰決。例如，法國馬爾帕塞拱壩，壩高66 m，1954年建成，初期蓄水緩慢，歷時4年尚未蓄滿，1959年12月初連降大雨，庫水位迅速上升接近壩頂時（12月2日21時），大壩突然潰決失事。專家一致認為失事原因是：該壩壩址地質，尤其是左岸壩座巖體質量很差，斷裂發(fā)育，包括片理、裂隙、節(jié)理和斷層都有，產狀不規(guī)則且有夾泥。在水壓力作用下，壩體發(fā)生沿壩下裂隙構造面滑動潰決失事。

（3）壩基巖體持力層松動

水庫蓄水后，壩址周圍巖體的地下水位將發(fā)生變化，壩基揚壓力將顯著增加，滲漏水也顯著增加，這將引起壩基軟弱構造帶性態(tài)的變化。例如，西班牙埃爾阿塔扎拱壩，壩高134 m。1971年至1972年4月首次蓄水期，壩的工作狀態(tài)正常。但當水位從824 m上升到860 m時，左岸壩段的位移較右岸有明顯增大，同時，壩上游面近壩踵產生裂縫，裂縫漏水量達150 L／s。經多次修補無果，運行14年后，再次從壩基內鉆孔取巖芯進行試驗檢查，結果發(fā)現(xiàn)：左岸壩段壩基下30 m深度范圍的基巖，由于長期受到反復荷載作用和變形影響，已嚴重破碎，致使變形模量降低，從而引起該壩的位移和漏水量增加以及壩體開裂。

又如我國二灘拱壩，壩高240 m，1991年9月正式開工，1998年5月1日大壩首次蓄水。二灘壩址河谷地形基本對稱，左岸以正長巖為主，右岸以玄武巖及蝕變玄武巖為主，在 1 030.00～1 090.00 m高程區(qū)間，地質條件比較復雜，拱端抗力體玄武巖內存在斷層和多條裂隙密集帶，它們的變形模量很低，走向也與拱推力方向大致正交。蓄水后，在滲水壓力和拱端推力作用下，右岸軟弱構造帶將產生壓縮變形，加之水庫水溫與設計假定差異較大，壩體各拱圈實際溫度又比設計值低2℃～3℃，引起壩體應力重新調整。2000年12月，發(fā)現(xiàn)大壩右岸33號和34號壩段下游面壩基附近部位有3條短小的斜向裂縫。到2007年1月，大壩右岸下游面共發(fā)現(xiàn)不同長度和寬度的裂縫約120條。

再如瑞士澤烏齊爾拱壩，壩基為灰?guī)r，壩高105m，1957年蓄水，之后21年工作一直正常。1978年，因近壩1.4 km處開鑿了公路隧洞，隧洞比壩基低400m，打隧洞時打穿了灰?guī)r含水層，改變了地下水條件，引起河谷沉陷、縮窄，導致壩頂沉降125 mm，向上游徑向位移115mm，壩頂弦長縮短71mm，壩體上游面從壩頂至壩基順橫縫拉開12道垂直裂縫，下游面近壩基處出現(xiàn)很多平行周邊的斜向裂縫。

（4）壩基壩肩巖體受到撬動、張拉或擠壓

水庫蓄水對上游庫岸及庫底產生的壓力將引起庫岸及庫底變形，這些庫岸及庫底的變形將使壩基壩肩巖體受到撬動、張拉或擠壓，從而導致壩體應力增加，造成壩體開裂。例如，奧地利柯英布蘭薄拱壩，初期蓄水至水頭189 m時，壩踵產生水平向大裂縫。瑞士的Herzog M認為，設計中低估了基巖的約束、忽略了蓄水使河谷擴張變形的影響及壩體橫縫可能張開等是使壩體開裂的重要原因。我國夏頌佑教授經計算分析認為，綜合地基變形模量增大一倍以及庫岸受水壓而變形，有可能使壩踵主拉應力增大40%～50%，對壩的工作極為不利。又如我國西南某特高拱壩，蓄水初期曾經出現(xiàn)壩頂向上游水平位移的情況。水庫初期蓄水對庫岸產生的壓力引起庫岸變形，從而影響壩體應力，這需要引起關注。

3.2.3 下泄水流落差大，流速高，對壩體和壩基影響大

超高壩、特高壩下泄水流落差大，流速高，易給工程造成危害，主要有：水流空蝕破壞和消能沖刷破壞。

（1）水流空蝕破壞

當水流流速超過35～40 m／s時，壓力梯度發(fā)生急劇變化或施工不平整的部位極易發(fā)生空蝕破壞。國內外有許多空蝕破壞的工程實例。例如我國豐滿重力壩，壩高91.7 m，1986年8月7日溢流孔泄洪，流速約20 m／s，12、13和14壩段溢流面上混凝土突然被沖走約1 920 m3，破壞面積約1 090 m2，平均沖深2 m左右，最大沖深3.3 m。我國劉家峽重力壩，壩高147 m，1972年5月6日啟用泄洪洞，5月25日發(fā)現(xiàn)隧洞出口流水回縮，原鼻坎挑流已成緩流，進水塔閘門通氣量猛增，洞內有轟鳴聲，電廠中控室（臨近泄洪洞的2號施工支洞附近）聽見爆炸聲，當即關閘停水。事后抽水檢查，泄洪洞反弧段以下底板遭到嚴重破壞。

（2）消能沖刷破壞

超高壩、特高壩下泄水流落差大，能量巨大，消能工易遭破壞，危及大壩安全。例如我國龔嘴重力壩，壩高85 m，雖不是超高壩和特高壩，但泄洪后消力塘沖刷嚴重，掏刷壩基，后經國內外專家咨詢和大規(guī)模整治，才遏止住沖刷破壞的進一步發(fā)展。

3.2.4 地震反應強

地震波在地面?zhèn)鞑r，隨著地面高度增加，地震效應有放大的現(xiàn)象。例如，已記錄到的壩頂最大加速度，在奈川渡壩上為 0.25 g,胡佛壩為 0.2 g，德基壩為 0.17 g，湯田壩為 0.15 g，而這些壩的基礎最大加速度不超過0.08 g?？梢姡卣鸺铀俣入S著壩高增長而不斷放大，高壩的地震反應顯得異常強烈。

地震對大壩的影響主要表現(xiàn)在兩個部位：壩基和壩體。

（1）壩基

壩基，包括兩岸壩座。由于地形和地質條件不同，或巖體內有軟弱結構面，在地震作用下會引起表層巖石坍塌、內部節(jié)理裂隙張開、地下滲流水增加甚至局部巖塊滑動。這種影響，在河谷上部由于地震反應的放大作用而更加明顯，因此，高拱壩上部兩岸拱座處是其抗震薄弱部位。例如美國帕柯依瑪拱壩，壩高113 m，由于壩體離河道拐彎處過近，左岸山頭兩面臨空，較為單薄，又加上地質條件差，有一剪切帶，因此，在左岸設置了重力式推力墩以承受拱的推力，并增加重量以改善壩座穩(wěn)定。1971年2月9日，大壩遭遇震級為6.6級的強烈地震。當時庫水位已下降到壩頂以下45 m。震后整個山體鉛直方向上升了1.28 m，并向西南方向水平移動2 m，壩軸線沿順時針方向旋轉了30″，使河谷略微變窄，兩岸壩座距離縮短23.9 mm。右岸壩頂相對左岸下沉17.3 mm，左壩座震害較大：巖石表面噴漿層大面積開裂，壩座的下游坡面出現(xiàn)面積約8 090 m2的坍塌，推力墩下的巖塊順坡向斷裂為A、B兩塊，下部的“A”巖塊發(fā)生了較大的位移。由于左壩座震害較大，導致左壩肩與推力墩之間的收縮縫張開了6.35～9.7 mm，同時，壩頂向上游位移 15 mm。在壩體和基巖接觸上游7.6 m和下游8.5 m范圍內，巖體有新裂縫，原有裂縫有重新張開的情況，壩體未見開裂。加固后，1994年1月中旬又發(fā)生了一次6.8級地震，左壩肩與推力墩之間的接縫又張開47 mm，推力墩也裂開了并沿鉛直方向向下移動了13 mm，沿水平方向向下游也移動了13 mm，大壩向上游位移增加12 mm，總滲漏量顯著增加，地震后第一個月最大達70 L／min，左岸更為顯著。地震后測壓管水位突然上升，左岸最大值為 3.9 m，右岸最大值為 3.0 m，震后滲漏量和測壓管水位都漸漸衰減。

（2）壩體

地震使壩體受到附加的地震荷載作用而引起動力反應（位移和應力）。重力壩在近壩頂斷面突變處易發(fā)生水平向的上下游貫穿裂縫。拱壩頂部拱冠1／3弧長范圍內位移最顯著，其次是壩高中部以上的拱冠梁和相應高程處距拱冠1／2～1／3弧長的兩側邊梁處，因此，橫縫、接縫容易被拉開。印度柯依那重力壩，壩高103 m，1967年建成。蓄水后頻發(fā)地震，1967年12月10日發(fā)生6.3級地震。震后大壩多個壩段的下游面壩坡突變處都出現(xiàn)了水平裂縫，上游面相應高程附近也出現(xiàn)了較多的水平裂縫，滲漏量由震前的500 L／min增加到1 599 L／min，最高達7 000 L／min,以后逐漸降低，地震后揚壓力變化不大。伊朗西菲羅大頭壩，壩高106 m。1990年6月發(fā)生 7.3～7.7級地震，地震后中部壩段壩體斷面突變處附近的施工縫出現(xiàn)了上下游貫穿裂縫，縫寬約10 mm，向下游錯動約2 cm。 我國新豐江單支墩大頭壩，壩高105 m。1962年3月19日發(fā)生水庫地震，震級為6.1級，震后右岸壩段在靠近頂部斷面變化處出現(xiàn)了一條長達82 m的水平裂縫，左岸同高程壩段也有較小的不連續(xù)裂縫。這些裂縫大多是上下游貫穿的。美國帕柯依瑪拱壩在震后檢查中發(fā)現(xiàn)，拱壩各壩段間的橫縫都呈現(xiàn)在地震過程中曾開合過的明顯跡象。在兩次地震中，因橫縫不能經受拉應力而張開，隨后，壩震動到相反相位時，又會使橫縫閉合。在橫縫開合情況下，壩體仍具有一定的完整性，“梁”和“拱”都沒有裂縫產生。

正因為高壩有上述這些特點，加上我國壩工設計方面的規(guī)范尚不能完全滿足超高壩設計的需要，因此，我國規(guī)定200 m以上高壩應進行專門研究。

3.3 高壩的安全監(jiān)測

從我國高壩建設現(xiàn)狀可知，我國混凝土重力壩高度從20世紀80年代的100 m級，到20世紀90年代的150 m級，目前突破了200 m級，拱壩目前正在向300 m級發(fā)展。在缺少實踐經驗的情況下，如何進行監(jiān)測布置亟待研究。要求本世紀初頒發(fā)的現(xiàn)行規(guī)范對高達300 m的混凝土壩監(jiān)測做出規(guī)定，顯然是不合理的。應該看到，現(xiàn)行規(guī)范具有普遍性，對高壩也是適用的，只是高壩在普遍性之外，還有其特殊性，只要正確把握特殊性就可以。

筆者認為，高壩應力應變監(jiān)測布置的基本方法應該是，在按照規(guī)范布置常規(guī)的監(jiān)測設施外，還應針對高壩的薄弱環(huán)節(jié)、實際實施的工程措施以及結構分析試驗認為重要的因素和部位，增設部分必要的監(jiān)測設施。

針對高壩的薄弱環(huán)節(jié)，對200 m以上高壩的監(jiān)測，筆者建議注意以下幾點。

（1）由于施工方法的變化，超高壩和特高壩的溫度荷載趨高，因此壩體溫度監(jiān)測應適當增加，以滿足可進行必要的實測溫度場分析。這里不單指拱壩，重力壩也一樣，溫度應力不僅施工期間有，運行期間也有。二灘過去布置了較多的熱電偶，滿足了施工需要，由于熱電偶使用時間不長，運行階段溫度測點顯得偏少，今后要適當增加常規(guī)溫度計的數(shù)量，兼顧施工階段和運行階段的需要。

（2）超高壩和特高壩的動應力及靜應力都較大，在壩踵部位、拱壩兩壩肩部位、重力壩壩坡突變部位以及溢流面，應適當增加應力測點和鋼筋計。由于不設縱縫，監(jiān)測布置相對簡單。至于建基面，朱伯芳院士認為：一般情況下，建基面質量都比較好，沿建基面失事的可能性是極小的。因此，建基面的應力應變按現(xiàn)行規(guī)范布置即可。

（3）在壩體中部和上部的接縫、橫縫處，應適當增設測縫計及鋼筋計。對薄弱的施工縫，在上游面附近適當增設滲壓計，并從外往里布置2～3個測點，點距可3～4 m。也可采用分布式光纖測溫系統(tǒng)，結合壩體溫度的監(jiān)測統(tǒng)一布置。

（4）消力塘和水墊塘等消能設施，應按工程實際進行布置。例如，二灘水墊塘為混凝土襯砌的水墊塘，底板厚度為3 m，護面為硅粉混凝土，厚度為40 cm。為確保護面的穩(wěn)定性，還采取了封閉式抽排、護面縫內設止水、縫下設排水、錨筋等措施，在水墊塘尾部又設置了二道壩。該水墊塘是一個大型水下結構，它的監(jiān)測布置規(guī)模較大，可設專題研究。

（5）壩基和壩肩是超高壩和特高壩的監(jiān)測重點，只有壩基和壩肩穩(wěn)定，大壩才能安然無恙。為提高壩基和壩肩巖體的均勻性、整體性，滿足壩基應力、變形和穩(wěn)定的要求，各工程對地下的軟弱構造都進行了加固處理，主要處理措施有淺挖、掏槽、回填混凝土塞、錨桿、預應力錨索以及加強固結灌漿（分區(qū)）等等。因此，超高壩和特高壩的壩基壩肩監(jiān)測主要有以下三方面：加固處理措施的安全性監(jiān)測、壩踵和壩趾及軟弱構造面變形監(jiān)測和地下水位監(jiān)測。

對于壩踵和壩趾巖體的變形，可適當選擇斷面布置多點位移計監(jiān)測，方向均斜向上游。對于軟弱構造面，可布置多點變位計和倒垂線組監(jiān)測其變形。對于加固處理措施的安全性監(jiān)測布置，各工程各不相同。如錦屏一級水電站，大壩兩岸地形地質都不對稱，加之左岸上部Ⅵ2、Ⅴ1級巖體經固結灌漿處理后仍不能直接作為大壩建基面巖體，為使拱壩獲得較好的體型，改善壩體應力情況，設計采用混凝土墊座對1 730～1 885 m高程范圍內Ⅳ2、Ⅴ1級巖體進行置換處理。為實現(xiàn)大壩、墊座在巖基上的穩(wěn)定，保證巖基堅固，進行了左岸抗力體固結灌漿，對左岸f5、f8煌斑巖脈和右岸f13、f14斷層做了混凝土網格置換，設置了左岸傳力硐。由上可知，應結合工程實際進行應力應變監(jiān)測。由于超高壩和特高壩的監(jiān)測面廣、量大、項目多，工程情況又各不相同，常為非標設計，因此，宜設專題進行專項研究。

4 結 語

（1）現(xiàn)行 DL／T5178-2003《混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》在總結原規(guī)范試行以來監(jiān)測新技術和新經驗的基礎上，又增添了較多內容，初步形成了混凝土壩應力應變監(jiān)測的基本框架。現(xiàn)行規(guī)范具有普遍性，對高壩也適用，只是高壩在普遍性之外還有其特殊性，今后，規(guī)范應當增補這一部分內容。

（2）大壩的應力應變雖然重要，但在當前，作為大壩安全的主要監(jiān)控量，仍首推位移。這是因為：①應力應變是局部量，位移是全局量。②應力應變測值是中間量，位移測值是終極量。③應力應變監(jiān)測儀器難以修復，位移監(jiān)測儀器易于更新。④應力應變監(jiān)控指標難于認定，位移監(jiān)控指標易于確定。

（3）監(jiān)測反饋過程是向工程實踐學習的過程，不僅水工設計要反饋，安全監(jiān)測也要反饋，進行驗證、總結，這是規(guī)范明確規(guī)定了的，反饋設計是在安全監(jiān)測大義之中。這與把“驗證計算成果”作為安全監(jiān)測主要目標是兩碼事。

（4）比較法是資料分析中常用的一種方法，它有監(jiān)測值與監(jiān)控指標相比較、監(jiān)測物理量的相互對比、監(jiān)測成果與理論的或試驗的成果（或曲線）相對照等三種。其中，監(jiān)測成果與理論的或試驗的成果相對照比較是比較其規(guī)律是否具有一致性和合理性，而不是比較某一個具體的數(shù)值。因此，實測成果和應力計算成果完全可以進行對比，而且應該進行這樣的對比。

（5）高壩應力應變監(jiān)測布置的基本方法應該是，除按照規(guī)范布置常規(guī)的監(jiān)測設施外，還應針對高壩的薄弱環(huán)節(jié)、實際實施的工程措施以及結構分析試驗認為重要的因素和部位，增設部分必要的監(jiān)測設施。

（6）根據一些文獻資料，在安全方面，超高壩、特高壩存在以下一些薄弱環(huán)節(jié)：承受荷載大，壩體應力高；壩基和壩肩變形大；下泄水流落差大、流速高，對壩體和壩基影響大；地震反應強。

工程實踐永遠是安全監(jiān)測知識的主要源泉。希望有幸從事超高壩、特高壩建設的同志能及時總結工作經驗，促進我國大壩安全監(jiān)測技術持續(xù)發(fā)展。

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