嚴寒地區橫縫開合度影響因素分析

美麗古麗·買買提，朱明遠

（新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

監測技術對保證大壩的安全運行具有重要意義。通過分析多年統計數據得出壩體橫縫開合度與大壩壩體溫度變化、外界溫度變化、主河床壩段庫水位變化之間具有相關性。但在實際的工作中，由于受到施工過程、設備穩定性以及苛刻的工作條件等諸多因素影響，所采集的數據可能存在一定的誤差，無法保證數據精確性[1-3]。本文采用壩體澆筑時埋入的測縫計測值，分析壩體橫縫開合度的變化規律及影響因素，從而為判斷壩段壩體橫縫嚴重程度提供一定的理論依據。

1 工程概況及儀器布置

本工程位于北疆嚴寒地區，是一項以供水為主的大型水利樞紐工程，在維持當地流域生態環境和滿足當地經濟發展用水前提下，具有向外流域供水、發電和防洪等綜合效益。本工程由大壩、副壩、泄水建筑物、發電引水系統、廠房等建筑物組成，最大壩高121.5 m。大壩設計洪水標準為1 000年一遇（P=0.1%、洪峰流量Q=8 768 m3/s），校核洪水標準為5 000年一遇（P=0.02 %、洪峰流量Q=12 010 m3/s）[4]。

根據壩體結構，在不同壩段橫縫處的638 m、643 m、648 m、668 m、698 m、718 m、738 m高程的上、中、下游處，設置測縫計各3支，共計81支，詳見圖1。

圖1 壩體上、下游面橫縫開度示意圖

圖2 壩體上、下游面橫縫過程線（按照上中下游布置分開）

2 開合度變化規律及影響因素分析

經過了11年的數據收集，發現上、下游面的橫縫開合度的變化與溫度的變化關系較密切，溫度上升會使得開合度減小，溫度下降會使得開合度增加；溫度變化對上下游面開合度的影響較大，中間部位的開合度基本無變化[5-7]。

2.1 上游橫縫開合度分析

上游面橫縫基本處于張開狀態，738 m高程35～36#壩段橫縫多年，最大開合度超標達到了9.3 mm（2011.4.6日J67測 值）（原 因），2014年10月15至11月30日對7～81#壩段730～739 m高 程 進行了6 cm厚的聚氨酯噴涂作業，2015年35～36#壩段橫縫最大開合度明顯減少，其最大開合度為5.72 mm，2018年最大開合度為5.10 mm。

分析發現上游橫縫開合度變化與溫度變化負相關，即溫度上升會使得開合度減小、溫度下降會使得開合度增加；與高程正相關，即高程越大開合度越大。

2.2 下游橫縫開合度分析

下游面橫縫開合度變化小于上游面，2018年下游面橫縫最大開度在-0.01～8.19 mm間,最小合開度 在-0.07～3.2 mm間，年變幅在0.06～5.0 mm間，主河床壩段開合度按最大值排序依次為32#（中孔）～33#（底孔）壩段738 m高程、35～36#壩段668 m高程、38～39#壩段668 m高程、29～30#壩段668 m高程，開合度分別為8.19 mm、4.20 mm、3.03 mm、2.26 mm，下游面738 m高程開合度值最大，其次為668 m高程。同在2014年高水位工況下，32～33#壩段739.5 m高程下游面的J54開合度與J52基本同步變化，但小于上游面，至2019年J52最大開合度為10.11 mm[8]。

由此可見，下游面的橫縫開合度受外界溫度、高水位影響的變化規律與上游壩面相同，但變化絕對值小于上游面。

2.3 中間橫縫開合度分析

中間部位橫縫開合度大多無變化或變化量很小，橫縫開合度較大的部位為698 m高程的24～25#壩段橫縫，2018年最大開合度為2.84 mm，2018年中間部位的橫縫最大開合度在-0.42～2.84 mm間，最小開合度在-0.43～2.31 mm間，年變幅在0.01～0.53 mm間[9-10]。

上、下游橫縫開合度均較大的壩段為738m高程的32#～33#壩段，高水位運行后上、下游橫縫開合度有增大趨勢，2018年上、下游最大開度分別為10.11 mm、8.2 mm。

高水位運行后，32～33#壩段718 m、738.0 m高程、24～25#壩段668 m、699 m、718 m高程，26～27#壩段738 m高程，29～30#壩段718 m高程橫縫的開合度有變大趨勢，至目前，32～33#壩段738 m高程橫縫的開合度漲幅相對較大，J52測縫計2013～2018的開度分別為1.89～3.10 mm、1.85～5.10 mm、3.01 ～6.89 mm、3.87～8.33 mm、3.86～9.58 mm、4.67～10.11 mm；J54測 縫 計2013～2018的 開 度 分 別 為0.23 ～1.33 mm、0.42～3.72 mm、1.38 ～5.18 mm、2.13～6.39 mm、2.27～7.66 mm、2.96～8.19 mm，至2018年3月下旬分別達10.11 mm、8.19 mm，目前開合度分別為9.41 mm、7.65 mm。

圖3 壩體橫縫測縫計擬合及分解過程線

3 橫縫開合度分析預測

選取25號壩段、29壩段、32壩段、35壩段為典型斷面，自2010年1月起至2019年1月止共計9年，采用小波分析對監測數據進行預處理，再建立統計模型，從而達到精確模擬的目標。25個測點橫縫分解結果、擬合及分解過程線如圖3所示。

模型整體相關性較好，復相關系數均在0.9以上，標準差約為總變幅的0.40 %～7.99 %，說明模型因子選取合理，模擬結果可信。就整體而言，影響各測點開合度主要因素依舊為溫 度 分量（37.05%～81.20%），其 次 為水 位 分量（10.09%～42.69%），時效分量僅占0～25.61%。現按儀器埋設高程逐一分析，得出結論如下：

從上述數據的分析發現影響壩體橫縫開合度的主要因素為施工的混凝土溫度以及運行期外界氣溫變化，主要表現為以下三方面：①施工期壩體的自然冷卻，由于上、下游面為變態二級配混凝土，水化熱溫升較高，后隨著水庫蓄水和下游氣溫的變化，上游面局部混凝土溫度下降速度較快、幅度較大，混凝土收縮變形較嚴重，是引起上、下游面橫縫張開的主要原因，這種影響對中間部位的開合度影響不大，故中間部位的開合度整體無太大變化；②運行期環境溫度周期性的變化，上、下游面的橫縫開合度的變化與溫度的變化關系較密切，溫度上升會使得開合度減小，溫度下降會使得開合度增加；溫度變化對開合度的影響較大。

4 結論

部分測點開合度受水庫高水位影響，通過監測某混凝土重力壩橫縫數據，得出上下游橫縫開合度與溫度呈現負相關，但壩體中間影響較小。高水位運行情況下部分測點開合度影響較大，從整體橫縫的開合情況來看，在水荷載自重荷載共同作用下，開合度變化較小，說明增加的水平水荷載通過壩體自適應變形得到緩解。基于真實測值所得出的壩體開合度變化規律，表明目前壩體安全，可為國內外同類研究提供參考和借鑒。