象鼻嶺碾壓混凝土拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計及預(yù)設(shè)縫實測性態(tài)分析

尹光景，李民

（1.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙，410004；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北武漢，430072）

0 引言

象鼻嶺水電站位于貴州省威寧縣與云南省會澤縣交界處金沙江右岸一級支流牛欄江，其擋水建筑物為碾壓混凝土拱壩。壩體采用拋物線體型，壩頂高程1 409.50 m，最大壩高141.50 m，壩頂長434.46 m，壩頂寬8.00 m，壩底厚35～38 m，厚高比0.247。拱冠及其相鄰兩側(cè)各布設(shè)1個溢流表孔，堰頂高程1 397.00 m。在3 個表孔相間部位布置2 個泄洪中孔，中孔進(jìn)口底板高程1 335.00 m。大壩下游設(shè)混凝土水墊塘消能。工程于2017 年4 月下閘蓄水，壩體投入擋水至今已運行3年有余[1-2]。

雖然碾壓混凝土拱壩建設(shè)已有許多經(jīng)驗，但每個工程皆有其特定的壩址地形、地質(zhì)及水文氣象等環(huán)境條件，相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要滿足建筑物功能要求，更要保證結(jié)構(gòu)安全，需采取合理的施工工藝來實現(xiàn)設(shè)計意圖。結(jié)合象鼻嶺碾壓混凝土拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計及實際施工過程，根據(jù)安全監(jiān)測所揭示的壩體預(yù)設(shè)縫實際性態(tài)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計及所采取的施工工藝有效性做出相應(yīng)評價，有助于進(jìn)一步提高對碾壓混凝土拱壩的認(rèn)識[3-8]，為今后類似水電工程的建設(shè)和運行管理積累經(jīng)驗。

1 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工措施分析

1.1 碾壓混凝土拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

象鼻嶺水電工程壩址所在河谷基本成“V”型對稱，河面較狹窄且兩岸高陡，工程有泄洪排沙的要求，但兩岸沒有布置河岸溢洪道的合適地形，因此采用碾壓混凝土拱壩，通過壩身開孔布設(shè)泄水建筑物，很好地解決了泄洪排沙問題，且混凝土填筑采用全斷面碾壓施工技術(shù)，可保持壩體連續(xù)上升，比常態(tài)混凝土拱壩更為經(jīng)濟。

筑壩的碾壓混凝土水泥用量低，采用中膠凝材料及高摻粉煤灰，但由于壩體通倉快速碾壓施工且保持連續(xù)上升，水泥水化產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)，施工期間溫度控制及防裂問題仍然突出。

為滿足壩體施工過程中的溫控防裂要求，象鼻嶺碾壓混凝土拱壩在施工過程中采取預(yù)設(shè)縫措施，預(yù)設(shè)縫采用誘導(dǎo)縫和橫縫兩種形式。與常態(tài)混凝土拱壩施工過程中的橫縫成縫方式不同，此處誘導(dǎo)縫和橫縫采用預(yù)制混凝土模板組裝形成，模板塊尺寸為100 cm×27 cm×25 cm。誘導(dǎo)縫沿高程每隔30 cm 布置一層，上下游向各模板塊間距一般也為30 cm；橫縫模板塊則逐層布置，并沿上下游方向緊挨相接，縫面全貫通。誘導(dǎo)縫和橫縫標(biāo)準(zhǔn)灌區(qū)高度分別為7.5 m和6.0 m，每個灌區(qū)內(nèi)設(shè)置全套灌漿設(shè)施，并形成各自封閉區(qū)。為減少預(yù)設(shè)縫對混凝土碾壓施工的影響，其數(shù)量應(yīng)盡量少，位置則由相應(yīng)工程經(jīng)驗及仿真計算結(jié)果確定，一般設(shè)置在溫度拉應(yīng)力較大處。圖1～3 分別為象鼻嶺碾壓混凝土拱壩預(yù)設(shè)縫位置上游展示圖、下游展示圖和平面示意圖，共預(yù)設(shè)7條誘導(dǎo)縫和2條橫縫。從左岸到右岸，沿壩軸線各縫編號為L3、L2、H1、L1、Z1、R1、H2、R2、R3，位于拱冠左、右側(cè)和拱冠部位的誘導(dǎo)縫編號分別以字母L、R和Z開頭，橫縫則以H開頭。各相鄰縫間壩塊長度分別為60.53 m、57.84 m、52.92 m、72.74 m、56.95 m、51.79 m和71.64 m，除中間壩段受泄洪布置影響，縫距大多為51～61 m，在滿足碾壓混凝土壩防裂要求的情況下，盡量減少設(shè)縫數(shù)，降低對混凝土快速施工的影響。

圖1 象鼻嶺碾壓混凝土拱壩預(yù)設(shè)縫（上游）Fig.1 Preset joints in Xiangbiling RCC arch dam(view from upstream)

上述預(yù)設(shè)的誘導(dǎo)縫和橫縫實際施工時，皆在相應(yīng)倉面上由預(yù)制的混凝土重力式模板定位拼裝成縫，其上、下游端皆距相應(yīng)上、下游壩面一定距離，上游側(cè)布置兩道銅片止水，分別距上游壩面30 cm和55 cm；下游側(cè)布置一道銅片止水，距下游面30 cm。在縫兩側(cè)及上方覆蓋混凝土跨縫碾壓（上、下游側(cè)振搗）密實后，相應(yīng)碾壓高程以下的壩體就形成一個整體，具有拱的作用。預(yù)設(shè)縫處是抗拉薄弱部位，當(dāng)溫度差形成的拉應(yīng)力較大時，預(yù)設(shè)縫會拉裂以釋放拉應(yīng)力，從而使各縫間壩塊保持完整。

預(yù)設(shè)縫方案參考類似工程經(jīng)驗、結(jié)合中國水利水電科學(xué)研究院和武漢大學(xué)對象鼻嶺碾壓混凝土拱壩有限元仿真計算的結(jié)果選定[9-10]。計算時模擬壩體施工及運行過程，考慮混凝土分層澆筑過程、施工間歇，混凝土入倉溫度，外界氣溫、水溫的變化，混凝土基礎(chǔ)彈性模量的變化，混凝土自生體積變形及徐變影響等復(fù)雜因素，模擬預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)縫的開、合迭代，仿真模擬啟裂、擴展、止裂全過程。當(dāng)時所設(shè)定的施工過程仿真計算結(jié)果表明：碾壓混凝土澆筑至壩頂時，H1、H2 橫縫及靠近左、右壩肩的L3、R3誘導(dǎo)縫均全部張開，其余誘導(dǎo)縫處于部分張開狀態(tài)，張開深度在2～5 m 左右。因此，上述壩體預(yù)設(shè)縫設(shè)置形式能夠較好地釋放水化熱溫升引起的超標(biāo)拉應(yīng)力，使壩體不出現(xiàn)危害性裂縫。

圖2 象鼻嶺碾壓混凝土拱壩預(yù)設(shè)縫（下游）Fig.2 Preset joints in Xiangbiling RCC arch dam(view from downstream)

圖3 象鼻嶺拱壩預(yù)設(shè)縫位置平面示意圖Fig.3 Plane of preset joints in Xiangbiling RCC arch dam

1.2 施工控制措施分析

碾壓混凝土拱壩施工期間，要避免壩體產(chǎn)生溫度裂縫，除在結(jié)構(gòu)上設(shè)置橫縫和誘導(dǎo)縫外，還要對壩體溫度進(jìn)行有效控制。為此，象鼻嶺工程一方面通過優(yōu)化壩體混凝土配合比，采用高效減水劑，提高混凝土自身的抗裂能力，另一方面采取埋設(shè)冷卻水管的方式控制混凝土最高溫度，并進(jìn)行混凝土表面保護控制內(nèi)外溫差。采取一期冷卻控制混凝土最高溫度；再由中期冷卻鞏固一期冷卻的效果，達(dá)到混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求，減小內(nèi)外溫差；最后在接縫灌漿前通過二期冷卻將壩體混凝土溫度降低至封拱灌漿溫度，為確保接縫灌漿質(zhì)量提供條件。

象鼻嶺碾壓混凝土拱壩高度和混凝土體積均較大。為保證壩體混凝土快速施工，事先根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)及混凝土材料分區(qū)情況，考慮攪拌、運輸和澆筑過程中的設(shè)備能力、碾壓參數(shù)和氣溫等因素，對壩體進(jìn)行了合理碾壓施工分層，以在實際施工過程中，隨壩體澆筑高程升高可采用不同混凝土入倉方式，順利實現(xiàn)混凝土填筑碾壓，保持壩體連續(xù)快速上升。同時需保證溫度控制的持續(xù)性和有效性，否則會因混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的水泥水化熱不易散發(fā)，導(dǎo)致壩體溫度再升高或長時間保持在較高溫度，最終溫差過大，對混凝土防裂不利。

2 壩體預(yù)設(shè)縫實測性態(tài)反饋及分析

2.1 壩體預(yù)設(shè)縫性態(tài)監(jiān)測

工程需要考慮的問題包括：象鼻嶺碾壓混凝土拱壩為防止施工過程中發(fā)生溫度裂縫所采取的相關(guān)措施的實際效果；壩體溫度在混凝土澆筑期間是否得到了有效控制；施工過程中，受溫度應(yīng)力影響，壩體預(yù)設(shè)縫能否如設(shè)計預(yù)想如期開裂釋放拉應(yīng)力，從而保證相應(yīng)壩塊的完整性；當(dāng)預(yù)設(shè)縫發(fā)揮了應(yīng)有的作用后，經(jīng)接縫灌漿處理的縫面結(jié)合程度，以及能否保證壩體的整體性。為此以象鼻嶺碾壓混凝土拱壩壩體預(yù)設(shè)縫為研究對象，通過變形、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測來反映其性態(tài)變化狀況，并由溫度監(jiān)測來揭示壩體溫度的相應(yīng)變化。

為監(jiān)測預(yù)設(shè)縫的變形情況，在壩體7條誘導(dǎo)縫和2條橫縫位于1 355 m、1 370 m、1 390 m、1 405 m高程，距上、下游壩面2 m 處各設(shè)1 個變形測點；在1 350 m、1 330 m高程拱圈所經(jīng)各預(yù)設(shè)縫距上、下游壩面2 m處各設(shè)1個變形測點；在1 280 m、1 290 m、1 310 m高程拱圈所經(jīng)預(yù)設(shè)縫距上、下游壩面2 m處及約縫中部位置各設(shè)1 個變形測點；在1 318 m 高程H2橫縫、1 322 m高程H1橫縫距上、下游壩面2 m處各設(shè)1個變形測點。

另外在H1 橫縫左側(cè)、H2 橫縫右側(cè)約5 m 的1 405 m、1 370 m、1 330 m 高程距上、下游壩面2 m處布置應(yīng)變計組監(jiān)測附近應(yīng)力應(yīng)變狀況，在壩體拱冠梁位置設(shè)置溫度監(jiān)測斷面。上述預(yù)設(shè)縫變形及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測儀器兼有測溫功能。

2.2 預(yù)設(shè)縫實測性態(tài)分析

2.2.1 壩體混凝土澆筑施工及實測溫度變化過程

施工期間，碾壓混凝土拱壩壩體溫度應(yīng)力主要受混凝土澆筑速度、溫控措施、接縫灌漿等影響。象鼻嶺拱壩從2015 年4月21日開始碾壓混凝土施工，2017年6月10日澆筑至1 407.5 m高程，并在2016年5月23日—2017年12 月2 日相繼完成了建基面至1 407.5 m高程各灌區(qū)大壩全部接縫灌漿施工。

當(dāng)壩體澆筑到測點高程時，即埋設(shè)安裝相應(yīng)監(jiān)測儀器并開始觀測，記錄下相應(yīng)測點在壩體施工過程中的溫度、預(yù)設(shè)縫變形及應(yīng)力應(yīng)變的變化過程。

圖4 為拱冠斷面1 266～1 310 m 高程壩體中心各測點實測溫度變化過程，其中Tcb-2和Tbc-10測點分別在1 266 m和1 310 m高程，其間各測點間隔2～10 m 不等。實測溫度變化過程顯示，壩體混凝土填筑后即有一個升溫過程，隨著一期通水冷卻，混凝土最高溫升得以削減且溫度開始呈下降變化。但壩體中心不同高程的溫度變化過程并不完全一致：（1）僅有一個峰值，且上升到最高溫度后持續(xù)下降直至趨于穩(wěn)定，說明該部位一期冷卻溫控效果好，中期冷卻有效地保持了一期冷卻的降溫效果，最后二期冷卻使之平緩降至接縫灌漿設(shè)計溫度；（2）有多個峰值，甚至后續(xù)的溫度峰值高于第一峰值，說明此部位中期冷卻未有效保持一期冷卻的降溫效果，在上層有新混凝土填筑的情況下，下層混凝土散熱條件變差并受到上層新填混凝土溫度影響，使混凝土溫度二次甚至多次出現(xiàn)峰值；（3）到達(dá)最高溫升后降溫很緩慢，表明一期冷卻力度不夠且散熱情況較差。上述后兩種情況會增大二期冷卻的降溫幅度。

圖4 拱冠梁剖面1 266～1 310 m高程壩體中心實測溫度變化過程Fig. 4 Temperature change process of dam body center at EL.1 266～1 310 m of crown cantilever section

拱冠梁剖面中心1 266～1 300 m高程實測混凝土最高溫度達(dá)29.6 ℃～43.1 ℃，1 310～1 334 m高程最高溫度達(dá)40.4 ℃～50.5 ℃，溫度峰值偏高，超出了相應(yīng)高程區(qū)域大壩混凝土設(shè)計允許最高溫度29 ℃和32 ℃[2]。拱冠梁中心不同高程相應(yīng)實測溫度變化過程與根據(jù)中國水利水電科學(xué)研究院和武漢大學(xué)溫度場仿真及彈性有限元計算結(jié)果所繪制的溫度變化過程有一定差別[9-10]，這是因為實際情況與計算條件不可能完全一致，實際施工過程中的混凝土制作、運輸、一期冷卻溫控不當(dāng)都會使混凝土澆筑溫度偏高，冷卻水通水流量不足、管路堵塞等情況會直接影響一期冷卻的效果。

由于象鼻嶺碾壓混凝土拱壩壩體上升快，新混凝土一期冷卻和老混凝土中期冷卻控制不好就會使混凝土溫度出現(xiàn)二次甚至多次峰值，使混凝土溫度偏高。而二期冷卻要將壩體溫度降至設(shè)計封拱溫度，就可能導(dǎo)致二期冷卻降幅過大，由圖4 所示溫度變化過程可見，由于二期冷卻作用，相應(yīng)溫度皆呈趨勢性降低變化，控制不好很可能會引起預(yù)設(shè)縫之外的壩體開裂。

2.2.2 壩體預(yù)設(shè)縫實測變形變化規(guī)律及作用效果分析

象鼻嶺碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫模板采用隔層，且上、下游向一般按0.3 m間距設(shè)置，所形成的縫面是間斷不連續(xù)的；橫縫模板則逐層沿上、下游向緊貼排列設(shè)置，但上、下游端距離壩面有防滲層，模板搭接并不嚴(yán)密。因此，在模板兩側(cè)和上方覆蓋混凝土并通倉碾壓，在上、下游側(cè)防滲部位澆筑變態(tài)混凝土并振搗密實，該碾壓層在設(shè)縫部位仍填筑有混凝土，所以整個碾壓層是一體的，即各填筑層經(jīng)通倉碾壓密實形成水平拱，溫度變化會使內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

由壩體實測溫度變化過程分析可知，象鼻嶺碾壓混凝土拱壩在施工過程中采取一期、中期和二期冷卻措施以削減混凝土最高溫升并降至接縫灌漿溫度，溫度變化勢必導(dǎo)致壩體產(chǎn)生拉應(yīng)力，此時壩體預(yù)設(shè)縫是否如期發(fā)揮作用以釋放拉應(yīng)力、保護壩塊的整體性，可通過預(yù)設(shè)縫實測變形及應(yīng)力應(yīng)變分析做出判斷。

統(tǒng)計壩體預(yù)設(shè)縫76個測點自始測至接縫灌漿前實測變形情況，見表1。表1中有9個測點實測最大開合度在0.3 mm 以下，占11.8%，其余67 個測點實測最大開合度皆大于0.3 mm，占88.2%。CF-12型差動電阻式測縫計的監(jiān)測精度在0.3 mm 左右[11]，因此判斷最大開合度及變幅在0.3 mm以上的部位張開，小于0.3 mm則未張開。根據(jù)H1和H2橫縫距上、下游壩面2 m 處代表性變形監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計及成縫施工實際情況分析，判斷H1 和H2 橫縫是張開的；同樣分析L1、L2、R1、R2 誘導(dǎo)縫大多張開。中國水利水電科學(xué)研究院曾通過仿真計算得出“碾壓混凝土澆筑至壩頂時，兩條橫縫和靠近左、右壩肩的兩條誘導(dǎo)縫均全部張開，其余誘導(dǎo)縫處于部分張開狀態(tài)，張開深度基本在2～5 m左右”的結(jié)論，因靠近左、右壩肩的兩條誘導(dǎo)縫L3 和R3上未布置監(jiān)測儀器，無法進(jìn)行有效驗證，但其余布置監(jiān)測儀器的預(yù)設(shè)縫變形監(jiān)測結(jié)果與計算結(jié)論基本一致。

表1 象鼻嶺碾壓混凝土拱壩接縫灌漿前預(yù)設(shè)縫變形情況Table 1 Deformation of preset joints of Xiangbiling RCC arch dam before the joint grouting

圖5、圖6 分別為H1 橫縫上、下游側(cè)變形及相應(yīng)溫度變化過程線，可代表預(yù)設(shè)縫變形隨時間變化的規(guī)律。由圖可知，在混凝土碾壓密實后，初始壩體預(yù)設(shè)縫呈閉合狀態(tài)，隨著通水冷卻，壩內(nèi)溫度呈降低趨勢，預(yù)設(shè)縫多張開且開合度逐漸增大。以測點溫度T和當(dāng)次觀測日相對基準(zhǔn)觀測日的日序值t分別為溫度和時效影響待選因子進(jìn)行統(tǒng)計回歸分析，可知：當(dāng)溫度升高，壩塊混凝土膨脹，縫開合度呈閉合變化；當(dāng)溫度降低，壩塊混凝土收縮，縫開合度呈張開變化；預(yù)設(shè)縫變形皆存在張開的時效變化。統(tǒng)計分析結(jié)果揭示了預(yù)設(shè)縫具有典型的裂縫變形特性，說明在施工過程中，由于溫度應(yīng)力的作用，壩體預(yù)設(shè)縫大多如設(shè)計預(yù)期張開。

圖5 H1縫上游側(cè)變形及溫度變化過程線Fig.5 Deformation and temperature upstream of joint H1

圖6 H1縫下游側(cè)變形及溫度變化過程線Fig.6 Deformation and temperature downstream of joint H1

圖7和圖8分別為1 330 m高程H1橫縫左側(cè)和H2 橫縫右側(cè)距下游面2 m 處S5b-6、S5b-8應(yīng)變計組實測單軸應(yīng)力應(yīng)變及相應(yīng)溫度變化過程線，εx、εy、εz分別為測點徑向、切向和鉛直向?qū)崪y混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變。由圖可知，在混凝土填筑初期溫升階段，一般有一個壓應(yīng)變增加過程，在混凝土達(dá)到最高溫度轉(zhuǎn)而降溫時，各向應(yīng)力應(yīng)變一般轉(zhuǎn)向拉應(yīng)變增大，隨著橫縫的張開，水平向應(yīng)力應(yīng)變εx和εy趨于平穩(wěn)，豎直向應(yīng)力應(yīng)變εz則受施工期間上覆混凝土壓重的影響，呈壓應(yīng)變增大趨勢。表明壩體分縫布置方案能有效地釋放水化熱溫升回降引起的溫度應(yīng)力，壩體沒有出現(xiàn)危害性裂縫。

圖7 S5b-6單軸應(yīng)變及溫度變化過程線Fig.7 Uniaxial strain and temperature monitored by S5b-6

圖8 S5b-8單軸應(yīng)變及溫度變化過程線Fig.8 Uniaxial strain and temperature monitored by S5b-8

2.2.3 接縫灌漿效果分析

接縫灌漿后的象鼻嶺碾壓混凝土拱壩預(yù)設(shè)縫結(jié)合狀態(tài)同樣可由相應(yīng)的監(jiān)測結(jié)果來判定，見表2。接縫灌漿后預(yù)設(shè)縫大多結(jié)合較好且呈閉合壓緊趨勢，個別縫呈張開趨勢，說明該縫相應(yīng)部位結(jié)合不好。象鼻嶺碾壓混凝土拱壩壩體預(yù)設(shè)縫中灌漿系統(tǒng)采取重復(fù)灌漿措施，運行過程中根據(jù)情況可通過重復(fù)灌漿改善接縫結(jié)合狀態(tài)，保證壩體的整體性。

表2 象鼻嶺碾壓混凝土拱壩接縫灌漿后預(yù)設(shè)縫變形情況Table 2 Deformation of preset joints of Xiangbiling RCC arch dam after the joint grouting

3 結(jié)語

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是混凝土拱壩防裂的重要前提保證，有效溫控則是現(xiàn)場施工主要的防裂措施。實際施工過程中，由于種種原因，現(xiàn)場混凝土溫度控制往往達(dá)不到設(shè)計要求，這時壩體結(jié)構(gòu)對防裂的作用就顯得尤為重要。

根據(jù)類似工程經(jīng)驗及數(shù)值仿真計算結(jié)果，象鼻嶺碾壓混凝土拱壩布置了壩體預(yù)設(shè)縫。施工過程中，采用常規(guī)的混凝土溫度控制措施，雖然實際控制效果與設(shè)計要求存在一定偏差，但實測接縫變形分析表明，壩體內(nèi)預(yù)設(shè)的誘導(dǎo)縫和橫縫皆如預(yù)期張開，達(dá)到了釋放應(yīng)力以防止壩體混凝土開裂的目的。接縫灌漿后，預(yù)設(shè)縫大多結(jié)合良好，且縫內(nèi)布置的重復(fù)灌漿系統(tǒng)能有效保證壩體的整體性。 ■