付雨晨，胡 昱，譚堯升，周孟夏，劉春風(fēng)，裴 磊

(1.浙江海洋大學(xué),浙江 舟山 316100;2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084;3.中國三峽建設(shè)管理有限公司,四川 成都 610041)

特高拱壩施工期基坑充水是壩體首次承擔(dān)水荷載[1]，是實現(xiàn)初期蓄水階段目標(biāo)的重要體現(xiàn)。大壩基坑充水過程中，大壩混凝土受力會發(fā)生相應(yīng)改變，往往對壩體重點部位廊道頂拱混凝土應(yīng)力、溫控齡期控制等產(chǎn)生影響。在施工期大壩澆筑過程中，大壩廊道頂拱會產(chǎn)生相對較大的拉應(yīng)力，如不及時進(jìn)行基坑充水會造成開裂[2]等危害大壩安全的嚴(yán)重問題，因此本文結(jié)合現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)以及仿真分析開展基坑充水高度及時機分析對大壩重點部位工作性態(tài)研究，無論對高壩設(shè)計理論的完善還是對重點部位防裂、確保大壩運行穩(wěn)定都具有重要意義。

目前，國內(nèi)外結(jié)合現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)針對高壩上游基坑充水前后廊道頂拱應(yīng)力響應(yīng)的研究鮮有報道。根據(jù)國內(nèi)外最新研究進(jìn)展：關(guān)注上游基坑充水對大壩工作性態(tài)的研究，é.K.Aleksandrovskaya[3-4]基于大壩位移位移監(jiān)測資料，發(fā)現(xiàn)在充水過程中大壩表現(xiàn)為整體效應(yīng)，大壩的垂直變形與大壩充水過程具有較強的關(guān)聯(lián)性；A.Savich等[5]的研究表明充水過程顯著改變了大壩-基礎(chǔ)的荷載和變形分布；羅丹妮等[6]基于溪洛渡拱壩初期蓄水過程的原型監(jiān)測成果，系統(tǒng)仿真分析了大壩充水、蓄水過程，對大壩整體工作性態(tài)的影響。充填過程產(chǎn)生的靜水負(fù)荷載的變化對大壩整體變形應(yīng)力狀態(tài)有顯著影響；大壩整塊之間的橫縫幾乎在澆筑大壩的整個高度上都受到壓縮，并且隨著蓄水水位高度的增加，其縫隙逐漸減?。徊捎脭?shù)值計算手段對壩體應(yīng)力分析，研究分期施工對自重應(yīng)力[7]的影響，以及分期封拱與分期蓄水[8]對水荷載應(yīng)力的影響，指出自重施加方式、封拱灌漿及蓄水過程均對壩體應(yīng)力的分布特征和變化規(guī)律有較大影響，認(rèn)為特高拱壩的應(yīng)力計算宜按分期澆筑、分期封拱及實際分期蓄水過程模擬；胡波等[9]采用原型監(jiān)測法對壩體和壩基變形的分析。周秋景等[10]對小灣拱壩、李家峽拱壩的垂線、壩基多點變位計等監(jiān)測資料進(jìn)行了分析研究，重點探究庫水位、氣溫與壩體和壩基變形的關(guān)系。結(jié)果表明，壩體水平變形主要受庫水位和氣溫影響，水荷載使得壩體向下游和兩岸位移變形加大，其中壩體上部變化更為敏感，而壩體豎直變形主要表現(xiàn)為下沉變形；大壩順河向位移隨庫水位升高而增大，壩基在河床部位沉降較大、兩側(cè)較小。

1 工程概況

西南某高壩為雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m，壩頂厚度14.0 m,居世界特高拱壩之列。最大拱端厚度83.91 m,含擴大基礎(chǔ)最大厚度95 m，大壩壩頂弧長約709 m，分為30條橫縫，共31個壩段，大壩不設(shè)縱縫，采用通倉澆筑。多年平均氣溫21.95℃，最低月平均氣溫13.3℃，較為溫和，全年有8個月月平均氣溫超過20℃，高溫季節(jié)時間長。壩址區(qū)干濕季分明、日照強，冬季干燥、風(fēng)速大，需加強混凝土養(yǎng)護(hù)，防止混凝土開裂；夏季氣溫高、多雨，需要做好混凝土雨季澆筑的倉面降溫及防水工作。壩身有6個表孔、7個深孔、6個導(dǎo)流底孔，壩身開孔較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。隨著壩體澆筑高程增加，拱壩倒懸影響壩體逐漸向上游傾斜，壩踵處壓應(yīng)力逐漸增加，壩體重點部位廊道頂拱處拉應(yīng)力增大。這對拱壩溫控防裂帶來不利影響，一旦產(chǎn)生較嚴(yán)重的貫穿裂縫，會削弱壩體承受水壓荷載的剛度，影響大壩的整體性，并使其受力狀態(tài)受到影響。因此本文基于監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算分析互為驗證的方法，為防止產(chǎn)生對壩體安全不利的裂縫，重點論述廊道頂拱處工作性態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料顯示，在回填及充水前廊道頂拱拉應(yīng)力逐漸增大，因此有必要及時開展壩前回填及充水工作。

2 大壩重點部位工作性態(tài)分析

2.1 計算模型

本次計算模型采用高壩三維仿真模型，高壩三維仿真模型網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)為170 487個，單元數(shù)總數(shù)149 085，壩段595 m以下為C40混凝土，壩段595～679 m為C35混凝土，壩段679 m以上為C40混凝土，有限元模型見圖1。

圖1 高壩三維仿真模型

2.2 邊界條件及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

本文采用高壩三維仿真模型為例，考慮溫度荷載、自重、回填壓力以及水壓力的影響，蓄水前為第三類邊界條件，蓄水后為第一類邊界條件。采用三維有限元方法對其進(jìn)行仿真分析，研究了不同高度下回填壓力以及水壓力對大壩重點部位廊道頂拱處的橫河向和順河向的應(yīng)力應(yīng)變[9]影響，見圖2。

圖2 邊界條件示意

混凝土絕熱溫升[11-12]。采用指數(shù)型經(jīng)驗公式計算混凝土的絕熱溫升：

(1)

式中T——齡期t天時混凝土的絕熱溫升值,℃；θ0——混凝土的最終絕熱溫升值；t——混凝土齡期,d；n——常數(shù)。

混凝土及基巖熱力學(xué)相關(guān)參數(shù)的取值見表1。

表1 混凝土及基巖的熱力學(xué)參數(shù)取值

混凝土彈性模量[11-12]?？紤]混凝土彈性模量隨齡期的變化，本文采用指數(shù)型表達(dá)：

E=E0×(1-e-at)

(2)

式中E0——混凝土的最終彈性模型,GPa；a——彈性增長的速率參數(shù)，a=0.1；E——齡期t天時混凝土的彈性模量值。

2.3 計算工況

本文共計算了5種工況，即壩體當(dāng)前狀態(tài)回填高度600 m、回填到612 m充水到628 m、回填到600 m充水到609 m、回填到600 m充水到618 m、回填到600 m充水到628 m。通過選取的現(xiàn)場監(jiān)測儀器廊道應(yīng)變計和廊道鋼筋計結(jié)合5種仿真模擬計算，論述壩前回填及充水對于廊道頂拱應(yīng)力的影響。

3 基坑回填及充水高度對大壩重點部位廊道頂拱處工作性態(tài)影響分析

3.1 仿真模擬分析

廊道混凝土結(jié)構(gòu)屬于孔口結(jié)構(gòu)，散熱面多且散熱不均勻，且外部約束和內(nèi)部約束復(fù)雜，施工期存在一定開裂風(fēng)險的位置主要發(fā)生在基礎(chǔ)灌漿廊道頂拱處。由于自重的逐漸增大，廊道頂部拉應(yīng)力逐漸增大，從而產(chǎn)生微裂紋，所以探究基坑回填充水對于廊道頂拱拉應(yīng)力影響對于大壩防裂具有重要意義。隨著壩高和封拱灌漿高程的增加，河床壩段廊道頂拱處逐漸出現(xiàn)較明顯的拉應(yīng)力，所以考慮大壩自重應(yīng)力和溫度應(yīng)力[13]荷載，壩體倒懸會增加表層開裂風(fēng)險，要進(jìn)行基坑回填或充水改善廊道頂拱的應(yīng)力情況。不同基坑回填及充水高度下對應(yīng)的河床壩段廊道頂拱應(yīng)力應(yīng)變見圖3—7。

a)橫河向應(yīng)力云

a)橫河向應(yīng)力云

a)橫河向應(yīng)力云

a)橫河向應(yīng)力云

a)橫河向應(yīng)力云

依據(jù)計算結(jié)果可見，基坑回填及充水對廊道頂拱的應(yīng)力有所改善，廊道頂拱存在較大的拉應(yīng)力(2 MPa左右)，而基坑回填與充水會在廊道頂拱產(chǎn)生一定的順河向壓應(yīng)力，且數(shù)值隨著回填高度以及充水高度的上升而上升。當(dāng)回填至612 m且充水高度為628 m時，廊道頂拱產(chǎn)生約為1.87 MPa的順河向壓應(yīng)力，相比于回填到600 m順河向最大壓應(yīng)力增加了1.24 MPa；當(dāng)回填高度為600 m且充水高度分別為609、618、628 m時，頂拱部位的最大順河向壓應(yīng)力分別為1.29、1.51、1.76 MPa，相比于回填到600 m順河向最大壓應(yīng)力分別增加了0.66、0.88、1.13 MPa。依據(jù)順河向應(yīng)變結(jié)果可見，基坑回填與充水會在廊道頂拱產(chǎn)生一定的順河向壓應(yīng)變，且數(shù)值隨著回填高度以及充水高度的上升而上升。當(dāng)回填至612 m且充水高度為628 m時，廊道頂拱產(chǎn)生約42.76個順河向微應(yīng)變，相比于回填到600 m順河向最大微應(yīng)變增加了28.30；當(dāng)回填高度為600 m且充水高度分別為609、618、628 m時，頂拱部位的最大順河向微應(yīng)變分別為29.52、34.51以及40.12，相比于回填到600 m順河向最大微應(yīng)變分別增加了15.06、20.05以及25.66。

3.2 安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由于壩體監(jiān)測數(shù)據(jù)量龐大，因此本文重點挑選有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表進(jìn)行分析。廊道應(yīng)變計時程線、部分典型的廊道鋼筋計見圖8、9，由于2019年上半年進(jìn)行了壩前600 m高程以下回填高度，因此重點對回填完成附近的時間段進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的篩選與分析，可以更好地掌握基坑回填充水前后的廊道頂拱應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。本文選取2019年3月至6月間的數(shù)據(jù)變化，對選取的11壩段廊道應(yīng)變計曲線進(jìn)行分析可知,壩前回填會在廊道頂拱產(chǎn)生一定的壓應(yīng)變，有助于改善廊道區(qū)域的應(yīng)力水平。對選取的24壩段以及11壩段廊道鋼筋計曲線進(jìn)行分析可知，廊道拉應(yīng)力分別由18.11 MPa減小到4.39 MPa，8.7 MPa發(fā)展為18.19 MPa的壓應(yīng)力。綜上可知，壩前回填減小廊道處的應(yīng)力狀態(tài)，改善廊道應(yīng)力，這對抑制廊道出現(xiàn)裂縫、保證大壩正常運行起到重要作用。且壩前回填還可在上游充水前對壩體施加一定推力，減小壩址和拱端拉應(yīng)力，從而降低其開裂風(fēng)險。而未經(jīng)處理的壩前基坑開挖面巖體分布裂隙，當(dāng)蓄水后，高水頭庫水進(jìn)行裂隙，易產(chǎn)生水力劈裂破壞帷幕[14]，不利于壩基長期防滲與穩(wěn)定。進(jìn)行壩前回填及充水，不僅可以使其拉應(yīng)力減小，降低大壩關(guān)鍵部位廊道開裂風(fēng)險，還可改善基巖卸荷松弛變形，所以進(jìn)行壩前回填及充水相關(guān)工作已經(jīng)成為高壩初期蓄水前的關(guān)鍵工序。

a)壩段EL.600 m廊道應(yīng)變計S1600-11-1

b)壩段EL.600 m廊道應(yīng)變計S1600-11-2

a)壩段EL.596 m廊道鋼筋計RJC-24-1

4 不同充水高度對壩踵工作性態(tài)影響分析

在拱壩未充水前，由于壩體澆筑高度逐漸增加，各個壩段自重也在增加，再加上壩體倒懸的影響使得壩踵處垂直方向壓應(yīng)力隨時間增加而增大。其中河床壩段由于承受的水壓力最大，澆筑高度最高，相應(yīng)的壓應(yīng)力也最大。本節(jié)主要研究充水到不同高度下對壩踵處的工作性態(tài)影響。

從垂向應(yīng)力結(jié)果(圖10、11)可以看出，當(dāng)充水高度分別為609、628 m時，垂向最大拉應(yīng)力分別為1.99、2.89 MPa，相對于當(dāng)前狀態(tài)垂向最大拉應(yīng)力分別增加0.32、1.22 MPa；垂向最大壓應(yīng)力分別為0.75、1.49 MPa，相對于當(dāng)前狀態(tài)垂向最大壓應(yīng)力分別增加0.20、0.94 MPa。隨著充水高度的增加，壩踵處拉應(yīng)力逐漸增大，且基坑充水可以在壩基面靠近上游處產(chǎn)生壓應(yīng)力，壩基面下游處產(chǎn)生拉應(yīng)力，通過應(yīng)力疊加可看出基坑水可以有效改善壩體整體受力情況，使受力狀態(tài)分布更加均勻，有利于壩體整體安全，并減小開裂風(fēng)險，拱壩開裂會對整個壩體的安全性、耐久性和穩(wěn)定性等造成非常不利的影響。

圖10 充水到609 m壩體垂直方向應(yīng)力云

圖11 充水到628 m壩體垂直方向應(yīng)力云

5 結(jié)論

基于實測和數(shù)值仿真模擬計算結(jié)果，選取廊道應(yīng)變計以及廊道鋼筋計對西南某高壩的重點部位廊道頂拱工作性態(tài)進(jìn)行研究和分析，主要得到以下幾點認(rèn)識。

a)自動化監(jiān)測自壩體回填及充水前開始進(jìn)行監(jiān)測，可以較為完整、細(xì)致地捕捉壩踵、壩址以及壩體重點部位廊道等應(yīng)力發(fā)展趨勢，為大壩安全狀態(tài)評估提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，通過廊道應(yīng)變計和廊道鋼筋計監(jiān)測結(jié)果可以更好地了解廊道處的應(yīng)力情況，在出現(xiàn)較大拉應(yīng)力前及時回填并充水。這不僅可以預(yù)防廊道處產(chǎn)生裂縫影響壩體安全，可以在后期更好的與上下游水電站聯(lián)合調(diào)度，在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益中都有著突出貢獻(xiàn)。

b)研究大壩重點部位廊道頂拱真實工作性態(tài)驗證了基坑回填及充水對重點部位廊道頂拱應(yīng)力有所改善，模擬效果與廊道鋼筋計和廊道應(yīng)變計等監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢較吻合?；踊靥钜约俺渌畷诶鹊理敼爱a(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，且數(shù)值隨著回填高度以及充水高度的上升而上升。所以應(yīng)盡早開始充水工作，并密切關(guān)注相關(guān)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，為工程提供參考建議。

c)基坑充水能夠在壩基面靠近上游處產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在靠近下游出產(chǎn)生壓應(yīng)力，通過應(yīng)力的疊加可以看出基坑充水能夠有效改善壩體應(yīng)力狀態(tài)，使得應(yīng)力分布更加均勻。

致謝：本研究得到中國三峽建設(shè)管理有限公司譚堯升博士等相關(guān)人員的大力支持，在此表示衷心感謝！