小灣高拱壩蓄水初期誘導(dǎo)縫安全監(jiān)測(cè)資料分析

潘琳，韓世棟，陳宏偉，李玉龍

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003）

1 工程概況

小灣水電站位于云南省西部南澗縣與鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段，在干流河段與支流黑惠江交匯處下游1.5 km處，系瀾滄江中下游河段規(guī)劃8個(gè)梯級(jí)中的第二級(jí)。

電站工程屬大（1）型一等工程，攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1245 m，最大壩高294.5 m，屬目前國(guó)內(nèi)最高拱壩之一。大壩共分44個(gè)壩段，從右向左編號(hào)，22號(hào)、23號(hào)壩段位于拱冠處。

為改善壩踵混凝土應(yīng)力狀態(tài)，在17～28號(hào)壩段內(nèi)基礎(chǔ)靠上游處設(shè)有誘導(dǎo)縫，縫面平行于壩體徑向。各壩段誘導(dǎo)縫面中心線(xiàn)高程值從957～993 m不等，見(jiàn)圖1。

2008年12月16日，導(dǎo)流底孔下閘蓄水，4 d之內(nèi)水位上升30余m，20日壩前水位達(dá)到1028 m，之后則保持小幅度變化直至2009年6月。6月下旬水位第二次升高，1個(gè)月內(nèi)升高了80多m，然后相對(duì)平穩(wěn)了20 d左右后，又再次升高30多m。截至2009年8月底，庫(kù)水位共抬高160余m，此時(shí)庫(kù)水位在1160 m左右，誘導(dǎo)縫承受的水頭高度約為169～202 m。

2 監(jiān)測(cè)布置

為了解誘導(dǎo)縫在施工期、蓄水期和運(yùn)行期各階段的實(shí)際狀態(tài)，在各壩段誘導(dǎo)縫處均布置了監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有縫面開(kāi)合度和上下游向錯(cuò)動(dòng)變化、縫面壓應(yīng)力、滲透壓力等。

誘導(dǎo)縫監(jiān)測(cè)布置具有左右對(duì)稱(chēng)性，除每個(gè)誘導(dǎo)縫均布置有開(kāi)合度和滲透壓力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目外，拱冠22號(hào)、23號(hào)壩段以及兩端對(duì)稱(chēng)的17號(hào)、28號(hào)壩段還布置了縫面壓應(yīng)力和縫面錯(cuò)動(dòng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。詳見(jiàn)表1。

圖1 小灣大壩誘導(dǎo)縫示意圖Fig.1 Induced joints of Xiaowan arch dam

典型監(jiān)測(cè)布置見(jiàn)圖2（22號(hào)誘導(dǎo)縫和20號(hào)誘導(dǎo)縫）。

誘導(dǎo)縫所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在蓄水之前均接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]，并在兩個(gè)階段的蓄水過(guò)程中成功獲取了大量高密度、高精度原型觀測(cè)數(shù)據(jù)，積累了真實(shí)可靠的第一手資料，為誘導(dǎo)縫的及時(shí)監(jiān)測(cè)和分析提供了有力保障。

表1 誘導(dǎo)縫監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一覽表Table 1:Monitoring items for the induced joints

圖2 兩種典型誘導(dǎo)縫監(jiān)測(cè)布置Fig.2 Two typical distributions of induced joints monitoring

3 監(jiān)測(cè)成果分析

3.1 滲透壓力

監(jiān)測(cè)成果顯示，部分誘導(dǎo)縫滲透壓力隨著庫(kù)水位的上升而增大，這種現(xiàn)象集中在17號(hào)、18號(hào)、20號(hào)、21號(hào)和26號(hào)壩段，其中包括止水后的測(cè)點(diǎn)[2]。止水前后的P1和P2相比較而言，前者反應(yīng)更早，增大幅度也更大。監(jiān)測(cè)成果和庫(kù)水位對(duì)比過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖3。

其它壩段誘導(dǎo)縫滲透壓力蓄水后未發(fā)生顯著變化。

上述壩段止水結(jié)構(gòu)后的測(cè)點(diǎn)增大幅度雖較止水前為小，但仍相當(dāng)可觀，2009年8月底止水后滲壓水頭相當(dāng)于48～114 m，最大滲壓系數(shù)達(dá)到0.53。

小灣誘導(dǎo)縫曾做過(guò)2次壓水試驗(yàn)[3]，其中包括蓄水后滲壓變化顯著的20號(hào)壩段，最大施壓3 MPa，遠(yuǎn)大于蓄水后誘導(dǎo)縫已經(jīng)承受的水頭，試驗(yàn)中實(shí)測(cè)滲透壓力卻大大小于蓄水以后的測(cè)值。筆者認(rèn)為主要是由于壓水試驗(yàn)時(shí)間短（僅歷時(shí)幾個(gè)小時(shí)），不能完全模擬庫(kù)水對(duì)誘導(dǎo)縫的持續(xù)作用，更難以捕捉到止水結(jié)構(gòu)后面的滯后變化。

3.2 垂直壓應(yīng)力

垂直壓應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果和庫(kù)水位對(duì)比過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖4[2]。測(cè)值向負(fù)變化為受壓。

監(jiān)測(cè)成果表明：

（1）蓄水前誘導(dǎo)縫面壓應(yīng)力呈不同程度的持續(xù)增大變化態(tài)勢(shì)，其中拱冠22號(hào)、23號(hào)壩段增幅較大，兩端17號(hào)、28號(hào)壩段較小。拱冠壩段中，C1較C2靠近上游側(cè)，前者增幅大于后者。

（2）2009年6月下旬第二次蓄水后，隨著庫(kù)水位的上升，前期積累的壓應(yīng)力均發(fā)生釋放，壓應(yīng)力值減小，減小幅度也以拱冠壩段為大，兩端較小，上游側(cè)較大，下游側(cè)較小。

圖3 誘導(dǎo)縫滲透壓力和庫(kù)水位對(duì)比過(guò)程線(xiàn)Fig.3 Comparison of seepage pressure at the induced joints and reservoir water level

圖4 誘導(dǎo)縫壓應(yīng)力和庫(kù)水位對(duì)比過(guò)程線(xiàn)Fig.4 Comparison of compressive stress at the induced joints and reservoir water level

2008年12月首次下閘前，誘導(dǎo)縫實(shí)測(cè)壓應(yīng)力在3 MPa以上，以后又繼續(xù)增大，2009年6月底再次蓄水時(shí)，最小壓應(yīng)力為4.4 MPa。表2列出了施工期誘導(dǎo)縫壓應(yīng)力和相應(yīng)壩段壩體澆注高程之間的相關(guān)系數(shù)，表中還同時(shí)列出了2008年12月首次下閘蓄水前的壓應(yīng)力值。

22號(hào)、23號(hào)壩段高度基本一致，誘導(dǎo)縫面壓應(yīng)力卻存在差別，其原因尚待進(jìn)一步分析。

相關(guān)分析結(jié)果顯示，施工期誘導(dǎo)縫壓應(yīng)力和壩體澆注高程高度相關(guān)，壓應(yīng)力形成的主要原因是壩體自重，伴隨著施工進(jìn)展中壩體不斷加高，自重不斷增大，形成了壩踵附近誘導(dǎo)縫面上的壓應(yīng)力。

壓應(yīng)力值的分布情況也說(shuō)明了壓應(yīng)力是自重作用的結(jié)果。壩高最高的22號(hào)壩段誘導(dǎo)縫壓應(yīng)力也最大，而壩高較小的17號(hào)、28號(hào)壩段壓應(yīng)力值則相對(duì)較小。由于拱壩的倒懸體型，重心偏向上游，因此上游側(cè)的壓應(yīng)力值大于下游側(cè)。

2009年6月底開(kāi)始了第二次蓄水，隨即誘導(dǎo)縫壓應(yīng)力有所減小。經(jīng)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，從第二次蓄水開(kāi)始至2009年8月底，誘導(dǎo)縫壓應(yīng)力和庫(kù)水位的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，這種高度相關(guān)性說(shuō)明壓應(yīng)力減小的原因無(wú)疑就是庫(kù)水位升高。庫(kù)水水平推力作用在壩體上游面后，在壩踵垂直方向產(chǎn)生了拉應(yīng)力，表現(xiàn)為誘導(dǎo)縫面上原先存在的壓應(yīng)力減小。

表3列出了第二次蓄水至2009年8月底誘導(dǎo)縫壓應(yīng)力減小量，其分布規(guī)律和壩體拉應(yīng)力的一般分布規(guī)律相符，這就是22號(hào)、23號(hào)壩段壓應(yīng)力的變化幅度大于17號(hào)、28號(hào)壩段的原因，因?yàn)榍罢叱惺艿乃^高于后者約30余m，產(chǎn)生的拉應(yīng)力自然也比后者大。

盡管蓄水后誘導(dǎo)縫壓應(yīng)力明顯減小，但截至2009年8月底，誘導(dǎo)縫仍處在受壓狀態(tài)，最小壓應(yīng)力值為2.4 MPa，在這種狀態(tài)下縫面自然不會(huì)發(fā)生張開(kāi)。

3.3 縫面開(kāi)合度和錯(cuò)動(dòng)

表2 施工期誘導(dǎo)縫壓應(yīng)力和壩體澆注高程相關(guān)系數(shù)及蓄水前壓應(yīng)力（MPa）Table 2:Correlation coefficient between the compressive stress at the induced joints and the concrete pouring elevation as well as the compressive stress before impoundment

表3 誘導(dǎo)縫壓應(yīng)力蓄水期減小量（MPa）Table 3:The decrease of compressive stress at the induced joints in impoundment

開(kāi)合度監(jiān)測(cè)成果表明：從導(dǎo)流洞底孔下閘蓄水至2009年8月底，誘導(dǎo)縫開(kāi)合度無(wú)明顯隨水位上升而變化的跡象，測(cè)值穩(wěn)定，變化很小[2]，16支儀器中有12支變化幅度不大于0.1 mm，3支在0.1～0.2 mm之間，最大變化幅度0.25 mm，僅1支。

錯(cuò)動(dòng)監(jiān)測(cè)成果表明：從導(dǎo)流洞底孔下閘蓄水以后至2009年8月底，誘導(dǎo)縫縫面無(wú)明顯隨水位上升而發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的跡象，測(cè)值穩(wěn)定，變化幅度基本都在0.1 mm以下[2]。

從首次下閘蓄水至2009年8月底，庫(kù)水位累計(jì)升高了160余m，各誘導(dǎo)縫均承受高壓水頭，最高水頭達(dá)200 m，而縫面開(kāi)合度和錯(cuò)動(dòng)監(jiān)測(cè)成果基本沒(méi)有變化，說(shuō)明誘導(dǎo)縫變形穩(wěn)定，在當(dāng)前水推力作用下，縫面并沒(méi)有張開(kāi)或滑移的跡象。

4 結(jié)語(yǔ)

由于壩體自重的作用加之重心偏向上游，小灣大壩誘導(dǎo)縫在施工期形成了垂直方向的壓應(yīng)力，其量值較大，足以抵消前兩個(gè)階段蓄水過(guò)程中在此處產(chǎn)生的拉應(yīng)力，并且還有富余。第二階段蓄水結(jié)束后的2009年8月底，在抵消完拉應(yīng)力后，誘導(dǎo)縫實(shí)測(cè)壓應(yīng)力仍在2.4～13.1 MPa之間。處在受壓狀態(tài)下的誘導(dǎo)縫變形穩(wěn)定，縫面無(wú)張開(kāi)和錯(cuò)動(dòng)跡象。

庫(kù)水位還將在第三階段繼續(xù)抬升80 m左右，新產(chǎn)生的拉應(yīng)力仍將由剩余的壓應(yīng)力抵消一部分或全部。

前兩個(gè)階段的蓄水導(dǎo)致部分誘導(dǎo)縫滲透壓力升高，截至2009年8月底，誘導(dǎo)縫實(shí)測(cè)最大滲壓水頭114 m，最大滲壓系數(shù)0.53，說(shuō)明蓄水后誘導(dǎo)縫局部滲透壓力偏大。由于還將繼續(xù)第三階段蓄水，應(yīng)密切關(guān)注滲壓測(cè)值的變化，配合人工檢查，及時(shí)消除隱患。

本文實(shí)例說(shuō)明：高拱壩如果設(shè)置誘導(dǎo)縫，相應(yīng)的防滲止水工作還需進(jìn)一步加強(qiáng)，如防滲止水材料應(yīng)能長(zhǎng)期耐受高水壓，壓水試驗(yàn)宜適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間、增加次數(shù)等，盡量減小蓄水后出現(xiàn)較大滲透壓力的可能。

小灣大壩為300 m級(jí)高拱壩，經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段的蓄水，壩體誘導(dǎo)縫已經(jīng)承受了200 m左右的水頭，隨著后續(xù)階段繼續(xù)蓄水，誘導(dǎo)縫將承受約280 m左右的水頭，這樣的實(shí)例在目前國(guó)內(nèi)尚不多見(jiàn)。誘導(dǎo)縫的安全監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)成果的及時(shí)分析評(píng)價(jià)，對(duì)類(lèi)似工程極具借鑒價(jià)值和參考意義。■

[1]趙斌，趙志勇，邱小弟，等.小灣水電站安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2008，32（6）.

[2]國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院南京南瑞集團(tuán)公司.云南小灣水電站蓄水初期拱壩及壩基壩肩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)報(bào)告第三階段[R].2009.

[3]中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.云南瀾滄江小灣水電工程蓄水初期拱壩及壩基壩肩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)報(bào)告[R].2009：186～187.