陳歡慶，曾　超

(1.杭州市千島湖原水股份有限公司，浙江　杭州　310016；2.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江　杭州　311122)

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洞坪拱壩壩基揚(yáng)壓力偏高成因的分析及處理

陳歡慶1，曾超2

(1.杭州市千島湖原水股份有限公司，浙江杭州310016；2.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州311122)

針對洞坪拱壩6#壩段壩基揚(yáng)壓力偏高的異?，F(xiàn)象，綜合壩踵建基面接縫變形、基巖變形、混凝土應(yīng)力監(jiān)測資料的分析成果，對其成因進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，引起揚(yáng)壓力偏高的原因是基礎(chǔ)防滲帷幕局部存在缺陷。防滲帷幕經(jīng)補(bǔ)強(qiáng)灌漿后，揚(yáng)壓水位顯著下降，滲壓系數(shù)已低于設(shè)計值，補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理成功。

洞坪拱壩；壩基揚(yáng)壓力；監(jiān)測資料分析；防滲帷幕；補(bǔ)強(qiáng)灌漿

1　問題的提出

洞坪水電樞紐工程位于忠建河的下游河段，工程以發(fā)電為主，電站裝機(jī)110MW。樞紐工程等別為二等大(2)型，主要建筑物為2級。主要建筑物有：混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、左岸發(fā)電引水建筑物、左岸地下發(fā)電廠房等?；炷岭p曲拱壩為空間變厚對數(shù)螺旋線型薄拱壩，建基面高程360.00m，壩頂高程495.00m，最大壩高135.00m，頂拱軸弧長245.43m，河谷寬高比1.58；壩頂厚5.00m，底厚23.50m，厚高比0.17。大壩沿拱軸線方向共劃分為13個壩段，壩身布置有3個泄洪中孔和2個泄洪表孔。

在洞坪拱壩6#～10#壩段壩基廊道內(nèi)共布置8支測壓管，監(jiān)測壩基揚(yáng)壓力，其中6#壩段帷幕后UP-07從蓄水以來壩基揚(yáng)壓水位一直偏高，與庫水位呈明顯正相關(guān)，高水位下滲壓系數(shù)達(dá)到0.60，超過設(shè)計值(0.30)較多，對壩體穩(wěn)定不利。通常情況下，拱壩帷幕后揚(yáng)壓水位偏高的主要原因有壩踵存在貫穿防滲帷幕的裂縫、帷幕局部存在缺陷2種。其中，貫穿防滲帷幕的裂縫又分為壩踵建基面拉裂、壩踵基巖拉裂以及壩踵混凝土拉裂3種情況[1]。本文在結(jié)合壩基地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，綜合壩踵建基面接縫變形、基巖變形和混凝土應(yīng)力監(jiān)測資料的分析成果，對揚(yáng)壓力偏高的原因進(jìn)行分析，為后續(xù)帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理提供了依據(jù)。洞坪拱壩下游立面及6#、7#壩段的測壓管布置見圖1。

圖1　洞坪拱壩下游立面及6#、7#壩段測壓管布置圖

2　壩踵建基面接縫變形分析

通常在拱壩壩踵混凝土與基巖膠結(jié)面埋設(shè)測縫計來監(jiān)測建基面接縫開合度變化。當(dāng)蓄水后的接縫拉伸變形量大于蓄水前的壓縮變形量時，表明壩踵被拉開，反之表明壩踵為壓緊或接觸狀態(tài)。在洞坪拱壩6#壩段建基面防滲帷幕前距壩踵1.50m處布設(shè)了1支測縫計，以監(jiān)測接縫的開合情況。選擇混凝土終凝且具有一定強(qiáng)度時(埋設(shè)后12h)的測值為基準(zhǔn)值，并規(guī)定接縫張開為“+”，閉合為“-”。水庫蓄水時間為2005年3月30日，接縫變形與上游水位、壩踵混凝土溫度的相關(guān)過程線見圖2。

圖2　洞坪拱壩6#壩段防滲帷幕前壩踵建基面接縫變形過程線圖

由圖2可知，接縫開合度變化過程可分為以下3個階段：

(1)第一階段為測縫計安裝埋設(shè)后的3～6個月，其測值表現(xiàn)為拉伸變形，此階段反映壩體混凝土在硬化過程中因濕脹等非荷載因素引起的自生體積膨脹，以及水化熱釋放引起的溫度變形，并不代表壩踵與基巖接觸面的真實結(jié)合狀態(tài)。

(2)第二階段為第一階段以后至蓄水前，其測值表現(xiàn)為壓縮變形，此階段反映隨著壩體澆筑高程的不斷提高，壩踵與基巖間接縫受壩體自重荷載的增加而呈持續(xù)壓縮閉合狀態(tài)。

(3)第三階段為水庫蓄水后至今，壩踵下游1.50m處建基面開合度與上游水位、壩踵混凝土溫度的相關(guān)性不明顯，目前縫寬穩(wěn)定在-0.5mm左右，說明在外界荷載作用下，6#壩段壩踵混凝土與基巖仍為壓緊狀態(tài)。

3　壩踵基巖變形分析

為監(jiān)測壩踵淺層基巖變形情況，在洞坪拱壩6#壩段壩踵距上游面1.50m處布置1支基巖變形計，錨固點深度10.00m，測點編號M—04?；鶐r變形規(guī)定以拉伸為“+”，壓縮為“-”。壩踵淺層基巖變形過程線見圖3。

圖3　洞坪拱壩6#壩段壩踵淺層基巖變形過程線圖

由圖3可見，壩踵淺層基巖變形變化主要發(fā)生在施工期和蓄水初期，壩體自重作用是基巖產(chǎn)生壓縮變形的主要因素，水庫蓄水運(yùn)行后，隨著水位升高，在拱端推力和水重作用下，基巖壓縮量略有增大。目前基巖變形表現(xiàn)為壓縮，壓縮量在-0.7mm左右，且已基本穩(wěn)定。

4　壩踵混凝土應(yīng)力分析

在洞坪拱壩6#壩段壩踵布置1組七向應(yīng)變計及無應(yīng)力計，以監(jiān)測壩踵混凝土應(yīng)力。目前沒有直接測量拉應(yīng)力的儀器，只能利用應(yīng)變計測量混凝土應(yīng)變，然后換算成混凝土應(yīng)力。常用的混凝土應(yīng)力計算方法有變形法、松弛法和有效彈模法，本文采用變形法。變形法原理是將實測應(yīng)變計算得到的單軸應(yīng)變過程線劃分成若干時段，由于徐變作用，某一時刻的單軸應(yīng)變包含瞬時彈性變形和之前所有應(yīng)力所引起的總變形，這部分總變形稱之為承前應(yīng)變，在計算該時段應(yīng)力增量時，需要把承前應(yīng)變從該時段應(yīng)變中刪除[2-3]。變形法的基本計算見公式1～2：

(1)

(2)

根據(jù)混凝土實測應(yīng)變數(shù)據(jù)、室內(nèi)混凝土彈模及徐變度試驗成果，利用VB語言編制變形法程序計算壩踵應(yīng)力。應(yīng)力規(guī)定以受拉為“+”，受壓為“-”。各向正應(yīng)力和主應(yīng)力特征值統(tǒng)計見表1，6#壩段壩踵垂直向、徑向和切向應(yīng)力測值過程線見圖4，壩踵主應(yīng)力測值過程線見圖5。

表1洞坪拱壩6#壩段壩踵混凝土應(yīng)力特征值統(tǒng)計表MPa

應(yīng)力類型最大值最小值最大年變幅多年平均值徑向正應(yīng)力0.65-3.691.53-3.12切向正應(yīng)力0.63-3.441.44-3.23垂直向正應(yīng)力0.57-3.421.72-2.69第一主應(yīng)力0.78-4.972.55-3.92第二主應(yīng)力0.04-5.873.87-5.04

圖4　洞坪拱壩6#壩段壩踵混凝土各向正應(yīng)力過程線圖

圖5　洞坪拱壩6#壩段壩踵混凝土主應(yīng)力過程線圖

由表1、圖4～5可知：

(1)混凝土應(yīng)力變化主要發(fā)生在施工期和蓄水初期，與混凝土澆筑、水化熱及水庫蓄水有關(guān)，其中拉應(yīng)力只在蓄水初期短暫出現(xiàn)，目前6#壩段壩踵各向應(yīng)力均表現(xiàn)為受壓，且由于庫底水溫基本恒定，應(yīng)力變化主要受庫水位變化的影響。

(2)實測徑向正應(yīng)力為-3.69～0.65MPa，最大年變幅為1.53MPa，多年平均值為-3.12MPa；切向應(yīng)力為-3.44～0.63MPa，最大年變幅為1.44MPa，多年平均值為-3.23MPa；垂直向應(yīng)力為-3.42～0.57MPa，最大年變幅為1.72MPa，多年平均值為-2.69MPa，各向正應(yīng)力均無趨勢性變化。

(3)實測最大主拉應(yīng)力為0.78MPa，最大主壓應(yīng)力為-5.87MPa。根據(jù)洞坪拱壩設(shè)計文件，基本荷載組合下壩體允許拉應(yīng)力為1.50MPa，壓應(yīng)力為-6.00MPa；特殊組合下壩體允許拉應(yīng)力為2.00MPa，壓應(yīng)力為-7.00MPa，可知6#壩段壩踵實測應(yīng)力滿足設(shè)計值的要求。

5　揚(yáng)壓力偏高成因分析

根據(jù)上述監(jiān)測資料分析成果可知：①6#壩段壩踵混凝土與基巖膠結(jié)面在外荷載作用下一直處于壓緊狀態(tài)，可以排除建基面出現(xiàn)貫穿帷幕裂縫；②6#壩踵淺層基巖蓄水以來一直處于壓縮狀態(tài)，不存在拉裂的可能；③壩踵混凝土實測應(yīng)力成果均小于設(shè)計值，應(yīng)力狀態(tài)正常，壩踵不存在拉裂的可能。

從地質(zhì)條件看，左壩肩6#壩段所處巖層產(chǎn)狀120°∠65°，無大的斷層切割，裂隙充填方解石脈及鐵質(zhì)，巖溶不發(fā)育，巖體微風(fēng)化或新鮮，完整性較好。同時，該處測壓管水位主要受上游水位影響，未出現(xiàn)溫降工況下?lián)P壓水位明顯升高的異?，F(xiàn)象，因此可以排除基礎(chǔ)存在先天性滲漏通道。

綜上所述，排除壩踵裂縫和基礎(chǔ)地質(zhì)缺陷的可能性后，可認(rèn)為6#壩段壩基揚(yáng)壓力偏高是由于防滲帷幕存在局部缺陷造成的。

6　補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理及效果評價

6.1防滲帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理范圍及主要技術(shù)

在明確6#壩段壩基揚(yáng)壓力偏高的成因后，確定了對滲壓偏高部位進(jìn)行補(bǔ)充帷幕灌漿的處理方案，處理范圍及主要技術(shù)如下：

(1)帷幕灌漿處理范圍以滲壓系數(shù)超限的UP—07測壓管為基準(zhǔn)，向左右岸延伸，補(bǔ)充帷幕線總長約18.00m，設(shè)置8個灌漿孔(W—1～8)，布置在灌漿排水廊道上游側(cè)(與原主帷幕灌漿孔同排、間隔布置)。

(2)帷幕灌漿孔的鉆孔、灌漿材料及設(shè)備、灌漿要求、漿液變換、沖孔、壓水、灌漿結(jié)束與封孔等均按照DL/T5148—2001《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。灌漿處理范圍的測壓管和排水管在灌漿的同時采用不間斷沖洗方法，以保證通暢。

(3)帷幕灌漿采用“小口徑鉆孔、孔口封閉、自上而下分段、孔內(nèi)循環(huán)” 法灌注，此時灌漿孔的第一段(接觸段)采用常規(guī)“孔內(nèi)阻塞灌漿法”進(jìn)行灌漿，阻漿塞置于基巖面以上的混凝土內(nèi)0.50m處；第2段及以下各段采用“小口徑鉆孔、孔口封閉、自上而下分段、孔內(nèi)循環(huán)” 法灌注。

(4)為防止因灌漿處理而出現(xiàn)滲透破壞，灌漿孔加壓時應(yīng)嚴(yán)格控制壓力，在不影響測壓孔的情況下提高灌漿壓力，使用設(shè)計灌漿壓力加涌水壓力作為實際灌漿壓力表控制壓力。

6.2防滲帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿效果評價

帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿結(jié)束后即時恢復(fù)了UP—07的滲壓監(jiān)測，通過測壓管揚(yáng)壓水位的監(jiān)測成果評價處理效果。繪制了UP—07水位與上游水位相關(guān)圖(見圖6)，并與相鄰7#壩段UP—06測壓管水位作比較。

圖6　6#、7#壩段壩基揚(yáng)壓水位與上游水位相關(guān)過程線圖

壩基滲壓系數(shù)計算公式如下：

α=(HP-HX)/(HS-HX)

(3)

式中：HP為測壓孔水位，m；HX為下游水位，m；HS為上游庫水位，m。

由過程線及滲壓系數(shù)的計算成果可知：

(1)帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿之前，UP—07管內(nèi)水位與上游水位相關(guān)性明顯，并且明顯高于相鄰7#壩段的UP—06，高水位下滲壓系數(shù)達(dá)0.60，遠(yuǎn)超設(shè)計值(0.30)，壩基揚(yáng)壓水位呈異常狀態(tài)；

(2)帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿之后，UP—07測壓管水位從435.00m降至405.00m，水位與相鄰壩段UP—06相當(dāng)，滲壓系數(shù)從0.60降至0.28，已低于設(shè)計值(0.30)，揚(yáng)壓水位恢復(fù)正常；

(3)帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿后6#壩段壩基揚(yáng)壓力保持平穩(wěn)，基本不受上游水位影響，帷幕對水頭的折減效果明顯增強(qiáng)，表明補(bǔ)強(qiáng)灌漿達(dá)到了預(yù)期效果，解決了6#壩段壩基揚(yáng)壓力偏高的問題。

7　結(jié)　語

(1)洞坪拱壩6#壩段壩踵運(yùn)行狀態(tài)正常，不存在裂縫貫穿防滲帷幕造成幕后壩基揚(yáng)壓力異常升高的可能，揚(yáng)壓力偏高的成因是基礎(chǔ)防滲帷幕局部存在缺陷。

(2)帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿之后，6#壩段壩基滲壓系數(shù)從0.60降至0.28，已低于設(shè)計值(0.30)，揚(yáng)壓水位基本不受上游水位影響，補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理是成功的。

[1]朱曉旭．特高拱壩開裂分析方法與應(yīng)用[D].北京：清華大學(xué)，2011．

[2]儲海寧．混凝土壩內(nèi)部觀測技術(shù)[M].北京：水利電力出版社，1989．

[3]王德厚，李端有，劉祥生．水利水電工程安全監(jiān)測理論與實踐[M].武漢：長江出版社，2007．

(責(zé)任編輯張書花)

CauseAnalysisandTreatmentoftheHighDamFoundationUpliftPressureofDongpingArchDam

CHENHuan-qing1，ZENGChao2

(1.HangzhouQiandaoLakeRawWaterCo.Ltd.,Hangzhou310016,Zhejiang,China; 2.LargeDamSafetySupervisionCenter,NationalEnergyAdministration,Hangzhou311122,Zhejiang,China)

ToaddresstheexceptionallyhighupliftpressureofdamfoundationatDongpingarchdam6#section,thispaperanalyzeditscausesbyintegratingfracturedeformationofdamfoundationsurfaceheel,bedrockdeformationandtheanalysisresultsofconcretestressmonitoringdata.Theresearchshowsthatlocalflawoffoundationimperviouscurtaincausedhighupliftpressure.Afterthegroutingreinforcementofimperviouscurtain,upliftwaterleveldecreasedsignificantlyandosmoticcoefficientbecamelowerthandesignvalue.Thegroutingreinforcementwassuccessful.

Dongpingarchdam；damfoundationupliftpressure；monitoringdataanalysis；imperviouscurtain；groutingreinforcement

2015-12-01

陳歡慶(1989-)，男，助理工程師，大學(xué)本科，主要從事水利工程管理工作。E-mail：408820900@qq.com

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1008-701X(2016)03-0054-04

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.016