某水電站拱壩施工期橫縫二次張開原因探析

崔 偉 杰

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

在拱壩建設(shè)中，為了減小沿壩軸向的溫度應(yīng)力，適應(yīng)地基的不均勻變形，配合施工的澆筑能力，必須要設(shè)置若干垂直于壩軸線的橫縫[1]，施工期間當(dāng)壩體依靠人工冷卻措施達到規(guī)定溫度并且橫縫開度足夠時，將進行接縫灌漿，使大壩形成整體?？梢姡瑱M縫的工作性態(tài)對壩體施工組織的關(guān)鍵時間安排有著決定性的作用[2]。在一些實際工程中，水電工程拱壩已灌橫縫在施工期出現(xiàn)二次張開現(xiàn)象，相關(guān)原因[3，4]和處理措施[5，6]較為復(fù)雜。因此，分析此類問題產(chǎn)生原因以期對類似工程提供寶貴經(jīng)驗。

某水電站擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高155 m，拱冠梁頂寬9 m，底寬32 m，厚高比0.206，壩身布置4個表孔，3個中孔，拱壩共分17個壩段，16條橫縫，橫縫為豎直縫面，并在壩基附近調(diào)整為折縫，與建基面大角度相交，灌漿區(qū)高度9～12 m。

2 測縫計數(shù)據(jù)分析

截至2020年5月31日，大壩第八灌區(qū)接縫灌漿至EL.2 019 m，監(jiān)測成果顯示，7～10號橫縫測值灌后有不同程度的增加，接縫開合度分布見圖1、2，各圖以接縫灌漿后測值為基準(zhǔn)值繪圖。

為監(jiān)測壩段間橫縫開合度情況，已在第一灌區(qū)至第六灌區(qū)的5～12號橫縫共計埋設(shè)了105支測縫計，7～10號橫縫測縫計測值灌后均有不同程度的增加，其中9號縫灌后開度增加明顯，主要是第四層灌區(qū)及以下，最大為第一層灌區(qū)上游面為2.11 mm。9號縫灌后開度各層上、中、下三支測縫計上游大、中間次之，下游最小，其中，各層上游測縫計變化量分別為2.11 mm、1.64 mm、1.53 mm、0.57 mm、-0.09 mm、0.18 mm。9號縫開度測值在2019年12月6日～12月14日之間有一次明顯增加，幅度約0.8～1.5 mm，12月6日前測值平穩(wěn)，12月14日后總體平穩(wěn)略有緩慢增長。9號橫縫EL.1951.5 m測縫計測值過程線見圖3。

圖1 拱壩6～12號接縫開合度分布圖

圖2 高程1 951.50 m壩體接縫開合度分布圖

圖3 9號橫縫EL.1 951.5 m測縫計測值過程線

3 鉆孔檢查成果

根據(jù)橫縫開度測值異常情況并結(jié)合現(xiàn)場實際，在相關(guān)橫縫布置了檢查孔，開展了鉆孔取芯、鉆孔電視及壓水試驗。

9號橫縫檢查孔布置見圖4，壓水試驗證明，9號橫縫第一、第二層灌區(qū)檢查孔之間未串通，第三層灌區(qū)靠近下游壩面的檢查孔串通。因此，橫縫整體張開的可能性不大，其余橫縫出現(xiàn)情況類似，即已灌橫縫整體張開的可能性不大。

圖4 9號橫縫檢查孔布置圖

另外，在9號縫EL.1955基礎(chǔ)廊道布置騎縫檢查孔，檢查孔芯樣大部分較為完整，在底部止?jié){片處斷開，大部分縫面位置可見漿液填充，底部止?jié){片至壩基段芯樣僅在靠近止?jié){片處有少量漿液痕跡，無漿液二次填充現(xiàn)象(若有，則表明在接縫灌漿后存在二次張開并被其他灌漿施工串入填充的可能性較大)?？變?nèi)電視成果顯示大部分縫內(nèi)水泥結(jié)石充填飽滿，未充填水泥結(jié)石部分張開寬度小于1 mm。

4 壩基變形和應(yīng)力監(jiān)測分析

為監(jiān)測河床壩段壩基巖體的內(nèi)部變形情況，在大壩8號、9號壩段壩基分別布置1套、2套四點式基巖位移計，鉆孔均豎直向下，錨頭深度(入基巖)均為6 m、16 m、27 m、40 m，監(jiān)測布置見圖5。

隨著大壩壩體澆筑高程升高，受壩體自重影響，8號、9號壩段壩基巖體壓縮變形逐漸增大，均呈現(xiàn)孔口壓縮變形較大以及基巖深度越大其壓縮變形量越小的分布規(guī)律。 9號壩段壩基上游側(cè)測點最大壓縮變形量為7.00 mm(孔口)，測值過程線見圖6，壩基下游側(cè)測點最大壓縮變形量為1.31 mm(孔口)。壩基各多點位移計測值增加速率較平穩(wěn)，無明顯異常。

為監(jiān)測河床壩段壩體混凝土與建基面之間的結(jié)合情況，在大壩8號、9號壩段壩基分別布置3支測縫計，9號壩段測縫計測值過程線見圖7。

圖5 河床壩段壩基多點位移計布置圖

拱壩8號、9號壩段壩體與建基面之間的上游側(cè)、中部和下游側(cè)接縫測點自始測后測值均為負(fù)值，即顯示接縫均處于閉合狀態(tài)。截至2020年4月2日，8號、9號壩基接縫測點最大值分別為0.01 mm、0.01 mm，最小值為-0.91 mm、-1.32 mm。各測點測值平均速率在0.008 mm/d以內(nèi)，量值較小。另外，9號壩段壩基中部測點測值從2019年12月20日后出現(xiàn)一定增加，但目前仍為負(fù)值?？傮w上，各接縫測點測值變化無明顯異常，接縫狀態(tài)正常。9號壩段上游、中部及下游側(cè)的接縫測點測值較接近。

為監(jiān)測河床壩段壩體混凝土與建基面之間有壓應(yīng)力情況，在大壩8號、9號和11號壩段壩基分別布置3支、3支、2支壓應(yīng)力計，壓應(yīng)力計與測縫計結(jié)合布置，兩者監(jiān)測成果可相互驗證并進行對比分析。拱壩9號壩段壩基壓應(yīng)力計測值過程線測值過程見圖8。8號、9號、11號壩段壩基壓應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)，測值變化無明顯異常。8號壩段壩基上游側(cè)壓應(yīng)力要大于下游側(cè)，9號壩段壩基上游側(cè)與中部壓應(yīng)力較接近、且稍大于下游側(cè)，11號壩段壩基下游側(cè)壓應(yīng)力大于上游側(cè)。各測點近一月間的測值變化量在-0.13～0.08 MPa之間，平均變化速率在-0.005～0.003 MPa/d之間，量值較小，無異常。

從壩基變形、應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，均顯示正常，與橫縫測縫計測值異常無關(guān)聯(lián)。

圖6 拱壩9號壩段基礎(chǔ)EL.1947 m多點位移計測值過程線

圖7 9號壩段壩基測縫計測值過程線

圖8 拱壩9號壩段壩基壓應(yīng)力計測值過程線

5 氣溫、地溫和混凝土溫度分析

自2019年6月后壩址氣溫逐漸降低，2019年12月初氣溫有一定降低，2020年1月后氣溫逐漸開始回升。2019年11月平均氣溫為13.5℃，12月平均氣溫為8.7℃，比11月降低了4.8℃，氣溫降低導(dǎo)致混凝土溫度降低，可能對橫縫上下游表面灌后張開有一定影響。

2019年12月拱壩9號壩段壩基淺層巖體溫度、混凝土溫度受外界氣溫影響，略有降低，低高程混凝土溫度變化幅度很小。灌漿后，縫左右壩塊的內(nèi)部溫度變化比較平緩，基本呈緩慢下降趨勢，符合溫度變化一般規(guī)律，且灌漿后到2019年12月期間，總體溫度降幅最大2℃～3℃，此降幅不足以造成超過1 mm的縫張開。

6 施工干擾定性分析

9號縫開度測值在2019年12月6日～12月14日之間有一次明顯增加，幅度約0.8～1.5 mm，12月6日前測值平穩(wěn)，12月14日后總體平穩(wěn)略有緩慢增長，由此推測，受外力擾動的可能性較大。

接縫灌漿：9號橫縫于2019年11月23日實施第三層接縫灌漿，2019年12月25日實施第四層接縫灌漿。已灌區(qū)上部接縫灌漿可能導(dǎo)致相鄰下層灌區(qū)橫縫開度增加，但出現(xiàn)最底部灌區(qū)橫縫開度大于上部灌區(qū)的可能性很小，且接縫灌漿壓力較小(排氣壓力為0.35 MPa)，接縫灌漿施工干擾導(dǎo)致橫縫開度異?；究膳懦?。

帷幕灌漿壓力最大為5 MPa，引管固灌最大為2.5 MPa，2019年12月6日～14日在8號、9號、10號壩段進行帷幕灌漿施工(圖9)。位于10號壩段，緊鄰9號橫縫的主帷幕孔JC-ZWM-117+1，第3、4、6、7、9段灌漿量較大，分別為653 L、1 434 L、2 280 L、7 014 L、2 402 L，灌漿壓力為3～5 MPa。2019年11月16日～27日展開8號壩段接觸灌漿施工。2019年12月29日～2020年1月1日展開11號壩段接觸灌漿施工。橫縫開度異常存在受上述灌漿施工干擾的可能。

7 仿真分析

國內(nèi)對施工期混凝土拱壩橫縫問題通過圍繞模擬手段展開大量研究[7-9]，筆者采用全壩全過程仿真分析，在考慮溫度及混凝土自重的工況下，重點分析溫度影響、地質(zhì)條件影響、單純自重倒懸影響、是否灌漿成拱影響以及灌漿強度不足影響等，5個計算工況見表1，最后綜合評價其可能成因。

工況1結(jié)果顯示：灌漿前后，已灌的三個灌區(qū)，9號橫縫面未見張開，縫面基本上全部為壓應(yīng)力。上下游面附近以及灌區(qū)交界面有部分拉應(yīng)力，但均小于縫面強度(2.89 MPa)，最大拉應(yīng)力1.2 MPa，發(fā)生在壩體表面。不考慮溫度應(yīng)力的工況2的結(jié)果顯示：2019年12月初，下部三個灌區(qū)的9號橫縫面全部受壓，第三灌區(qū)頂部靠近上游側(cè)，受倒懸影響，有0.1 MPa左右的拉應(yīng)力。因此，對比工況1可知：造成表面較大拉應(yīng)力的原因主要是溫度作用，引起的拉應(yīng)力大約為1.1 MPa。隨著大壩澆筑，倒懸作用影響較明顯的區(qū)域主要集中在1 970 m高程至2 000 m高程區(qū)間，倒懸引起的最大拉應(yīng)力為0.35 MPa，而對最下部兩三個灌區(qū)的表面受拉影響較小。且變形圖也表明倒懸使9號橫縫張開最大，其他橫縫張開有限。工況3研究了橫縫若不灌漿的大壩性態(tài)，重點關(guān)注縫面應(yīng)力同工況1灌漿情況的差異，灌漿后成拱，拱梁聯(lián)合受力，不灌漿情況下拱梁發(fā)揮主要作用。由計算結(jié)果可知，成拱后在自重和溫度作用下縫面壓應(yīng)力呈增大趨勢，而不灌漿工況應(yīng)力基本不變?？p面強度為1 MPa時，只考慮自重作用，全壩仿真計算顯示縫面未拉開，開度和應(yīng)力規(guī)律同工況2一致。從工況2和工況3的整體縫張開情況來看，在溫度和自重綜合作用下，各個橫縫開度基本一致，僅在自重作用下，灌漿壓力影響粗略估計0.3～0.4 MPa的面力對縫開度影響為0.5 mm以內(nèi)。工況5只考慮自重荷載，基礎(chǔ)為均一彈模，對比工況2可知，基礎(chǔ)地質(zhì)條件(9號和10號基礎(chǔ)附近小范圍Ⅲ1類巖體)對縫面應(yīng)力影響大概為拉應(yīng)力增加0.05 MPa，說明基礎(chǔ)的劣化巖體對橫縫開度有一定的作用，但量值不大。因此，溫度荷載、自重和倒懸不是橫縫開度異常的主要原因。

圖9 2019年12月帷幕灌漿和引管固灌灌漿施工作業(yè)部位圖

表1 計算工況表

8 結(jié) 語

根據(jù)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)、芯樣檢查和仿真分析判斷，大壩橫縫未整體張開，壩基壓應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)，測值變化無異常，與橫縫開度異常無關(guān)聯(lián)。灌漿后混凝土總體溫度降幅較小，不足以造成超過1 mm的橫縫張開，接縫灌漿對橫縫張開的影響較小，帷幕灌漿施工作業(yè)時間與橫縫開度異常有一定吻合，但根據(jù)巖芯判斷不能確定是受帷幕灌漿影響。

氣溫逐漸升高且隨著大壩高度增加，重心將逐步向下游偏移。因此，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，預(yù)計橫縫開度將逐步減小，故建議近期對灌后增開度大于0.5 mm及檢查孔存在串通情況的橫縫縫面采用濕磨細(xì)水泥進行補充灌漿，對灌后增開度小于0.5 mm且監(jiān)測表明無進一步增開趨勢的橫縫不進行補灌。