祖媽林水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程低彈?；炷练罎B墻內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析與評(píng)價(jià)

董文鼎

（福建省水利管理中心 福建福州 350001）

1 引言

混凝土防滲墻施工技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，作為病險(xiǎn)土石壩加固處理始于1965年。傳統(tǒng)的剛性混凝土防滲墻存在一些缺點(diǎn)，主要是剛性混凝土防滲墻彈性模量高，極限應(yīng)變小，比周圍土層的彈性模量高出數(shù)倍，因而墻體容易出現(xiàn)裂縫，降低了防滲效果。而低彈?；炷辆褪轻槍?duì)剛性混凝土的這些問(wèn)題應(yīng)運(yùn)而生的，它具有較高強(qiáng)度、低彈模、弱透水、易澆筑等特點(diǎn)，能適應(yīng)墻體周圍土體變形模量的特點(diǎn)，能較好地適應(yīng)壩體的變形，提高了墻體的安全性和耐久性。近年來(lái)，在土石壩的除險(xiǎn)加固工程中得到廣泛應(yīng)用，福建省祖媽林水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程是福建省首批在土石壩加固中運(yùn)用低彈?；炷练罎B墻技術(shù)的工程之一，是國(guó)內(nèi)已建低彈?；炷练罎B墻深度最大的工程。

由于防滲墻屬于隱蔽工程，大壩加固好后將被埋在地下或壩內(nèi)，看不到也摸不著，加上防滲墻運(yùn)行狀態(tài)的影響因素眾多，目前低彈?；炷练罎B墻性能在土石壩加固中的研究還處于摸索階段，要精確計(jì)算混凝土防滲墻中應(yīng)力、應(yīng)變值及其分布還較難。因此對(duì)低彈?；炷练罎B墻的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)就顯得非常重要，通過(guò)墻內(nèi)儀器觀測(cè)所得數(shù)據(jù)來(lái)分析防滲墻是否正常。福建省漳浦縣祖媽林水庫(kù)是省第一座在低彈模混凝土防滲墻內(nèi)部安裝監(jiān)測(cè)儀器的水庫(kù)，通過(guò)對(duì)祖媽林水庫(kù)大壩低彈模混凝土防滲墻內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的介紹和分析，來(lái)說(shuō)明防滲墻內(nèi)部監(jiān)測(cè)對(duì)大壩安全運(yùn)行和反饋設(shè)計(jì)所起的作用。

2 工程概況

祖媽林水庫(kù)位于福建省漳浦縣杜潯鎮(zhèn)徐坎村，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電、供水養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容為3661萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積為4.5萬(wàn)畝，有效灌溉面積2.7萬(wàn)畝，影響下游1.8萬(wàn)人口、3萬(wàn)多畝耕地及漳詔高速公路。

水庫(kù)于1971年12月動(dòng)工興建，1976年6月建成，經(jīng)過(guò)30多年運(yùn)行，大部分建筑物老化現(xiàn)象比較嚴(yán)重。根據(jù)2008年《福建省漳浦縣祖媽林水庫(kù)大壩安全鑒定報(bào)告書》的評(píng)價(jià)結(jié)論，祖媽林水庫(kù)大壩被評(píng)為三類壩，需要對(duì)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固。該水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程于2009年2月1日開(kāi)工，2010年1月主體工程完工，其中低彈模混凝土防滲墻于2009年5月22日 實(shí)施，2009年9月26日結(jié)束，總成墻面積為13952.63m2，最深達(dá)54m。

3 監(jiān)測(cè)儀器種類及其布置

監(jiān)測(cè)儀器的布置，應(yīng)結(jié)合工程具體條件，既能較全面反應(yīng)防滲墻在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變的變化情況，又能突出重點(diǎn)和少而精，要在可靠、耐久、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的前提下，力求先進(jìn)和便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的原則。

防滲墻的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有應(yīng)力、應(yīng)變、滲透壓力以及墻體位移和周圍土壓力等，結(jié)合祖媽林水庫(kù)低彈模防滲墻的特點(diǎn)，本次加固在混凝土防滲墻施工時(shí)預(yù)埋無(wú)應(yīng)力計(jì)和應(yīng)變計(jì)，滲透壓力通過(guò)在防滲墻上、下游側(cè)設(shè)置測(cè)壓管進(jìn)行監(jiān)測(cè)。沿主壩防滲墻選擇3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)應(yīng)力和應(yīng)變，樁號(hào)分別為主壩0＋129、主壩0＋226、主壩0＋330，其中主壩0＋129斷面布置應(yīng)變計(jì)14只，無(wú)應(yīng)力計(jì)3只；主壩0＋226斷面布置應(yīng)變計(jì)20只，無(wú)應(yīng)力計(jì)5只；主壩0＋330斷面布置應(yīng)變計(jì)12只，無(wú)應(yīng)力計(jì)3只；共布置46只應(yīng)變計(jì)，11只無(wú)應(yīng)力計(jì)。

具體選用的監(jiān)測(cè)儀器如下：

（1）應(yīng)變計(jì)

應(yīng)變計(jì)是用于監(jiān)測(cè)防滲墻上、下游面的垂直應(yīng)變，同時(shí)可以量測(cè)混凝土的溫度，根據(jù)觀測(cè)的應(yīng)變資料可推算出防滲墻的應(yīng)力狀況。祖媽林水庫(kù)選擇的是差動(dòng)電阻式應(yīng)變計(jì)，型號(hào)為NZS－10（南京南瑞生產(chǎn)），由敏感元件、密封殼體及引出電纜三部分組成。儀器內(nèi)有兩根以特殊方式固定的鋼絲，當(dāng)儀器受到外力而變形時(shí)，測(cè)量?jī)筛摻z電阻的比值就可以求得儀器的變形量。

（2）無(wú)應(yīng)力計(jì)

無(wú)應(yīng)力計(jì)用于觀測(cè)混凝土的非應(yīng)力應(yīng)變，它包括溫度、濕度及化學(xué)變化等因素作用而產(chǎn)生的總變形。祖媽林水庫(kù)選擇的是差阻式無(wú)應(yīng)力計(jì)，是由應(yīng)變計(jì)和無(wú)應(yīng)力筒組成，其中應(yīng)變計(jì)型號(hào)也是NZS－10。差阻式無(wú)應(yīng)力計(jì)有電阻比和電阻兩個(gè)測(cè)值，利用這兩個(gè)測(cè)值及儀器特性參數(shù)可算出測(cè)點(diǎn)的混凝土自由應(yīng)變，再利用應(yīng)變計(jì)測(cè)值和徐變資料可算出測(cè)點(diǎn)的混凝土應(yīng)力，利用電阻測(cè)值和儀器特性參數(shù)可算出測(cè)點(diǎn)混凝土的溫度。

4 低彈模混凝土防滲墻監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)

由于各觀測(cè)儀器均需通過(guò)電纜引出防滲墻，最后進(jìn)入水庫(kù)調(diào)度管理中心的測(cè)量模塊上，因此購(gòu)買監(jiān)測(cè)儀器除了要求儀器有較高的精確度、靈敏度及率定外，還要求購(gòu)買一定數(shù)量的電纜和配件，只有當(dāng)準(zhǔn)備工作全部完成后才可進(jìn)行儀器的埋設(shè)。

儀器安裝埋設(shè)的要點(diǎn)在于既要保證儀器的完好率，又要使儀器與混凝土防滲墻緊密結(jié)合，同時(shí)應(yīng)盡可能的減少儀器埋設(shè)對(duì)主體施工的干擾。由于祖媽林水庫(kù)防滲墻為低彈?；炷?，混凝土中含有大量的粘土和膨潤(rùn)土，降低了混凝土的和易性、流動(dòng)性，加大了儀器埋設(shè)的難度；且未設(shè)鋼筋籠、孔深較深，無(wú)法采用傳統(tǒng)的鋼絲繩沉重塊法一次性安裝埋設(shè)；因此，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，觀測(cè)儀器埋設(shè)采用施工平臺(tái)控制、鍍鋅鋼管分段埋設(shè)法。具體做法如下：

①根據(jù)實(shí)際孔深，確定所需鍍鋅鋼管長(zhǎng)度，采用直徑25mm 的鍍鋅鋼管，分段加工好絲口，配足夠的接頭備用。

②根據(jù)實(shí)際孔深及設(shè)計(jì)圖紙的儀器安裝高程，計(jì)算好應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)的位置，在鍍鋅鋼管上標(biāo)出儀器的安裝部位，鍍鋅鋼管的先后順序做好編號(hào)，目的是防安裝的時(shí)候順序錯(cuò)亂而使儀器安裝高程改變。

③鍍鋅鋼管采用起重機(jī)吊裝就位，施工平臺(tái)支架定位、垂直度控制，按設(shè)計(jì)位置一邊放鍍鋅鋼管，一邊固定應(yīng)變計(jì)和無(wú)應(yīng)力筒。

④按標(biāo)定的記號(hào)把應(yīng)變計(jì)用細(xì)鐵絲及膠布扎在鍍鋅鋼管上，應(yīng)變計(jì)與鍍鋅鋼管之間用3～4cm厚的木塊隔開(kāi)，防止應(yīng)變計(jì)后期受鍍鋅鋼管的應(yīng)力作用，無(wú)應(yīng)力筒安裝和應(yīng)變計(jì)相同，電纜固定在鍍鋅鋼管上向上引出。

⑤當(dāng)一根鍍鋅鋼管的儀器安裝完成以后，慢慢往下放，直到鋼管的頂端，再接上第二根鋼管，擰緊接頭，再重復(fù)④步驟，直至全部?jī)x器安裝完成，整個(gè)放置過(guò)程小心謹(jǐn)慎，為了控制好垂直度，特別深斷面中間部位可加設(shè)固定支架。

⑥當(dāng)全部?jī)x器安裝好后，固定好鍍鋅鋼管位置，防止其滑動(dòng)。

⑦為確保儀器埋設(shè)質(zhì)量，鍍鋅鋼管放導(dǎo)管中間，澆筑過(guò)程中導(dǎo)管不能平移。

采用鍍鋅鋼管埋設(shè)方法的施工結(jié)果為：共埋設(shè)儀器57只，其中46只應(yīng)變計(jì)，11只無(wú)應(yīng)力計(jì)，電纜1407m，其中有2只應(yīng)變計(jì)失效，完好率為96%。

5 監(jiān)測(cè)成果分析

全部監(jiān)測(cè)儀器施工結(jié)束后進(jìn)行觀測(cè)，2009年9月中旬至2010年3月下旬，共進(jìn)行13次觀測(cè)。觀測(cè)頻率為：初期每周監(jiān)測(cè)一次，后期每月監(jiān)測(cè)一次。在此主要通過(guò)最大監(jiān)測(cè)斷面（主壩0＋226）的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)成果進(jìn)行分析。

（1）應(yīng)力變化過(guò)程分析

經(jīng)對(duì)斷面主壩0＋226應(yīng)變計(jì)的應(yīng)力過(guò)程線圖（在此略）分析可知：多數(shù)應(yīng)變計(jì)在埋設(shè)初期都有拉應(yīng)力增大，之后壓應(yīng)力增大的現(xiàn)象，各測(cè)點(diǎn)的最大拉應(yīng)力都發(fā)生在這個(gè)時(shí)期。分析其原因主要是應(yīng)變計(jì)自安裝后由于受水化熱影響，向正值方向變化；隨著外界氣溫下降及周圍土壓力影響，開(kāi)始向壓應(yīng)變方向變化，后期應(yīng)變漸趨于穩(wěn)定，壓應(yīng)變?cè)黾泳徛?。綜上，不同高程的混凝土應(yīng)變變化規(guī)律正常，符合防滲墻混凝土應(yīng)變變化的一般規(guī)律。4個(gè)無(wú)應(yīng)力計(jì)變化規(guī)律是，在埋設(shè)初期無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值隨著溫度的降低，自由變形增大，與溫度呈負(fù)相關(guān)；后期隨著溫度降低，自由變形減小，無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值變化速度緩慢。這主要是由于澆筑時(shí)間、周圍環(huán)境等因素的影響，該斷面澆筑期溫度較高（2009年7月），這也符合混凝土變形的一般規(guī)律。

圖1 防滲墻應(yīng)變沿深度方向測(cè)值過(guò)程線

由觀測(cè)數(shù)據(jù)及過(guò)程線還可看出，主壩0＋226斷面防滲墻混凝土目前均處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)變值為－634με（負(fù)號(hào)為壓縮），且壓應(yīng)力有繼續(xù)增大的趨勢(shì)，但變化平緩，未見(jiàn)突變情況，混凝土受力狀態(tài)正常，墻體內(nèi)仍然保持受壓狀態(tài)，沒(méi)有產(chǎn)生拉應(yīng)力，防滲墻運(yùn)行正常，能適應(yīng)壩體變形，能滿足工程要求。

（2）應(yīng)力應(yīng)變沿深度方向分析

由圖1可以看出，低彈?；炷练罎B墻出現(xiàn)應(yīng)變變化劇烈的地方主要集中在兩個(gè)部位，一個(gè)在防滲墻中上部，一個(gè)在防滲墻下部。通過(guò)分析可以看出上部變化劇烈的地方，該高程在庫(kù)水位附近，在這里由于庫(kù)水位以下存在庫(kù)水位的壓力作用，而庫(kù)水位以上卻沒(méi)有，因此使得該部位附近的應(yīng)力變化較大；防滲墻下部應(yīng)變變化劇烈，這主要是因?yàn)樽鎷屃炙畮?kù)的防滲墻深入基巖，庫(kù)水位的合力作用和基巖的限制作用使得這里的應(yīng)變變化較為劇烈，運(yùn)行中要加強(qiáng)這些部位監(jiān)測(cè)。

6 結(jié)語(yǔ)

由于低彈?；炷练罎B墻性能在土石壩加固中的研究還處于摸索階段，上述通過(guò)祖媽林水庫(kù)低彈?；炷练罎B墻內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹了監(jiān)測(cè)儀器、埋設(shè)方法，對(duì)防滲墻觀測(cè)資料進(jìn)行分析得知，多數(shù)應(yīng)變計(jì)及無(wú)應(yīng)力計(jì)工作正常，從監(jiān)測(cè)儀器安裝及觀測(cè)資料分析中可以得到如下結(jié)論：

（1）由于低彈?；炷练罎B墻獨(dú)特特性，監(jiān)測(cè)儀器的安裝與傳統(tǒng)的混凝土防滲墻有所不同，應(yīng)采用適宜的安裝工藝，以保證儀器的性能滿足觀測(cè)要求，保證儀器的位置穩(wěn)固并符合設(shè)計(jì)要求。

（2）多數(shù)應(yīng)變計(jì)在埋設(shè)初期有一個(gè)拉應(yīng)力增大的過(guò)程，各測(cè)點(diǎn)的最大拉應(yīng)力就發(fā)生在這個(gè)時(shí)期；其后，各應(yīng)變計(jì)測(cè)值都以拉應(yīng)力減小、壓應(yīng)力增大的趨勢(shì)發(fā)展。各觀測(cè)資料均可正確反應(yīng)低彈模防滲墻的工作性態(tài)，運(yùn)行正常。

（3）低彈模防滲墻應(yīng)變?cè)谇捌谧兓^快，后來(lái)這種趨勢(shì)慢慢減緩，這主要是由于前期墻體凝固、水化熱、庫(kù)水位、與周圍土體的協(xié)調(diào)等作用引起的。

（4）觀測(cè)資料顯示，低彈?；炷练罎B墻下部應(yīng)變發(fā)生劇烈變化，主要是由于防滲墻嵌入基巖較深后，增加基巖對(duì)墻體的約束程度，對(duì)墻體應(yīng)力不利，低彈?；炷恋娜嵝宰饔脽o(wú)法充分發(fā)揮。因此，設(shè)計(jì)中對(duì)防滲墻嵌入基巖深度應(yīng)進(jìn)行分析論證，謹(jǐn)慎選取。

1 王清友，孫萬(wàn)功，熊歡.塑性混凝土防滲墻［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

2 福建省宏禹水利水電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院.漳浦縣祖媽林水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2008.