祖媽林水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程低彈模混凝土防滲墻內(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?chē)翆拥膹椥阅Ａ扛叱鰯?shù)倍，因而墻體容易出現(xiàn)裂縫，降低了防滲效果。而低彈模混凝土就是針對(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?chē)馏w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)用低彈模混凝土防滲墻技術(shù)的工程之一，是國(guó)內(nèi)已建低彈模混凝土防滲墻深度最大的工程。

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，目前低彈模混凝土防滲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)低彈模混凝土防滲墻的應(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(shū)》的評(píng)價(jià)結(jié)論，祖媽林水庫(kù)大壩被評(píng)為三類(lèi)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(lèi)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?chē)翂毫Φ龋Y(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(mǎi)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(mǎi)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)防滲墻為低彈模混凝土，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?chē)翂毫τ绊懀_(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＞C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?chē)h(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，低彈模混凝土防滲墻出現(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)

由于低彈模混凝土防滲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)低彈模混凝土防滲墻內(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）由于低彈模混凝土防滲墻獨(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?chē)馏w的協(xié)調(diào)等作用引起的。

（4）觀測(cè)資料顯示，低彈模混凝土防滲墻下部應(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，低彈模混凝土的柔性作用無(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.