小湾高拱坝蓄水初期诱导缝安全监测资料分析

潘琳，韩世栋，陈宏伟，李玉龙

（国网电力科学研究院，江苏南京210003）

1 工程概况

小湾水电站位于云南省西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段，在干流河段与支流黑惠江交汇处下游1.5 km处，系澜沧江中下游河段规划8个梯级中的第二级。

电站工程属大（1）型一等工程，拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程1245 m，最大坝高294.5 m，属目前国内最高拱坝之一。大坝共分44个坝段，从右向左编号，22号、23号坝段位于拱冠处。

为改善坝踵混凝土应力状态，在17～28号坝段内基础靠上游处设有诱导缝，缝面平行于坝体径向。各坝段诱导缝面中心线高程值从957～993 m不等，见图1。

2008年12月16日，导流底孔下闸蓄水，4 d之内水位上升30余m，20日坝前水位达到1028 m，之后则保持小幅度变化直至2009年6月。6月下旬水位第二次升高，1个月内升高了80多m，然后相对平稳了20 d左右后，又再次升高30多m。截至2009年8月底，库水位共抬高160余m，此时库水位在1160 m左右，诱导缝承受的水头高度约为169～202 m。

2 监测布置

为了解诱导缝在施工期、蓄水期和运行期各阶段的实际状态，在各坝段诱导缝处均布置了监测仪器，监测项目主要有缝面开合度和上下游向错动变化、缝面压应力、渗透压力等。

诱导缝监测布置具有左右对称性，除每个诱导缝均布置有开合度和渗透压力监测项目外，拱冠22号、23号坝段以及两端对称的17号、28号坝段还布置了缝面压应力和缝面错动监测项目。详见表1。

图1 小湾大坝诱导缝示意图Fig.1 Induced joints of Xiaowan arch dam

典型监测布置见图2（22号诱导缝和20号诱导缝）。

诱导缝所有监测项目在蓄水之前均接入自动化监测系统[1]，并在两个阶段的蓄水过程中成功获取了大量高密度、高精度原型观测数据，积累了真实可靠的第一手资料，为诱导缝的及时监测和分析提供了有力保障。

表1 诱导缝监测项目一览表Table 1:Monitoring items for the induced joints

图2 两种典型诱导缝监测布置Fig.2 Two typical distributions of induced joints monitoring

3 监测成果分析

3.1 渗透压力

监测成果显示，部分诱导缝渗透压力随着库水位的上升而增大，这种现象集中在17号、18号、20号、21号和26号坝段，其中包括止水后的测点[2]。止水前后的P1和P2相比较而言，前者反应更早，增大幅度也更大。监测成果和库水位对比过程线见图3。

其它坝段诱导缝渗透压力蓄水后未发生显著变化。

上述坝段止水结构后的测点增大幅度虽较止水前为小，但仍相当可观，2009年8月底止水后渗压水头相当于48～114 m，最大渗压系数达到0.53。

小湾诱导缝曾做过2次压水试验[3]，其中包括蓄水后渗压变化显著的20号坝段，最大施压3 MPa，远大于蓄水后诱导缝已经承受的水头，试验中实测渗透压力却大大小于蓄水以后的测值。笔者认为主要是由于压水试验时间短（仅历时几个小时），不能完全模拟库水对诱导缝的持续作用，更难以捕捉到止水结构后面的滞后变化。

3.2 垂直压应力

垂直压应力监测成果和库水位对比过程线见图4[2]。测值向负变化为受压。

监测成果表明：

（1）蓄水前诱导缝面压应力呈不同程度的持续增大变化态势，其中拱冠22号、23号坝段增幅较大，两端17号、28号坝段较小。拱冠坝段中，C1较C2靠近上游侧，前者增幅大于后者。

（2）2009年6月下旬第二次蓄水后，随着库水位的上升，前期积累的压应力均发生释放，压应力值减小，减小幅度也以拱冠坝段为大，两端较小，上游侧较大，下游侧较小。

图3 诱导缝渗透压力和库水位对比过程线Fig.3 Comparison of seepage pressure at the induced joints and reservoir water level

图4 诱导缝压应力和库水位对比过程线Fig.4 Comparison of compressive stress at the induced joints and reservoir water level

2008年12月首次下闸前，诱导缝实测压应力在3 MPa以上，以后又继续增大，2009年6月底再次蓄水时，最小压应力为4.4 MPa。表2列出了施工期诱导缝压应力和相应坝段坝体浇注高程之间的相关系数，表中还同时列出了2008年12月首次下闸蓄水前的压应力值。

22号、23号坝段高度基本一致，诱导缝面压应力却存在差别，其原因尚待进一步分析。

相关分析结果显示，施工期诱导缝压应力和坝体浇注高程高度相关，压应力形成的主要原因是坝体自重，伴随着施工进展中坝体不断加高，自重不断增大，形成了坝踵附近诱导缝面上的压应力。

压应力值的分布情况也说明了压应力是自重作用的结果。坝高最高的22号坝段诱导缝压应力也最大，而坝高较小的17号、28号坝段压应力值则相对较小。由于拱坝的倒悬体型，重心偏向上游，因此上游侧的压应力值大于下游侧。

2009年6月底开始了第二次蓄水，随即诱导缝压应力有所减小。经相关分析发现，从第二次蓄水开始至2009年8月底，诱导缝压应力和库水位的相关系数均在0.99以上，这种高度相关性说明压应力减小的原因无疑就是库水位升高。库水水平推力作用在坝体上游面后，在坝踵垂直方向产生了拉应力，表现为诱导缝面上原先存在的压应力减小。

表3列出了第二次蓄水至2009年8月底诱导缝压应力减小量，其分布规律和坝体拉应力的一般分布规律相符，这就是22号、23号坝段压应力的变化幅度大于17号、28号坝段的原因，因为前者承受的水头高于后者约30余m，产生的拉应力自然也比后者大。

尽管蓄水后诱导缝压应力明显减小，但截至2009年8月底，诱导缝仍处在受压状态，最小压应力值为2.4 MPa，在这种状态下缝面自然不会发生张开。

3.3 缝面开合度和错动

表2 施工期诱导缝压应力和坝体浇注高程相关系数及蓄水前压应力（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 诱导缝压应力蓄水期减小量（MPa）Table 3:The decrease of compressive stress at the induced joints in impoundment

开合度监测成果表明：从导流洞底孔下闸蓄水至2009年8月底，诱导缝开合度无明显随水位上升而变化的迹象，测值稳定，变化很小[2]，16支仪器中有12支变化幅度不大于0.1 mm，3支在0.1～0.2 mm之间，最大变化幅度0.25 mm，仅1支。

错动监测成果表明：从导流洞底孔下闸蓄水以后至2009年8月底，诱导缝缝面无明显随水位上升而发生错动的迹象，测值稳定，变化幅度基本都在0.1 mm以下[2]。

从首次下闸蓄水至2009年8月底，库水位累计升高了160余m，各诱导缝均承受高压水头，最高水头达200 m，而缝面开合度和错动监测成果基本没有变化，说明诱导缝变形稳定，在当前水推力作用下，缝面并没有张开或滑移的迹象。

4 结语

由于坝体自重的作用加之重心偏向上游，小湾大坝诱导缝在施工期形成了垂直方向的压应力，其量值较大，足以抵消前两个阶段蓄水过程中在此处产生的拉应力，并且还有富余。第二阶段蓄水结束后的2009年8月底，在抵消完拉应力后，诱导缝实测压应力仍在2.4～13.1 MPa之间。处在受压状态下的诱导缝变形稳定，缝面无张开和错动迹象。

库水位还将在第三阶段继续抬升80 m左右，新产生的拉应力仍将由剩余的压应力抵消一部分或全部。

前两个阶段的蓄水导致部分诱导缝渗透压力升高，截至2009年8月底，诱导缝实测最大渗压水头114 m，最大渗压系数0.53，说明蓄水后诱导缝局部渗透压力偏大。由于还将继续第三阶段蓄水，应密切关注渗压测值的变化，配合人工检查，及时消除隐患。

本文实例说明：高拱坝如果设置诱导缝，相应的防渗止水工作还需进一步加强，如防渗止水材料应能长期耐受高水压，压水试验宜适当延长时间、增加次数等，尽量减小蓄水后出现较大渗透压力的可能。

小湾大坝为300 m级高拱坝，经过两个阶段的蓄水，坝体诱导缝已经承受了200 m左右的水头，随着后续阶段继续蓄水，诱导缝将承受约280 m左右的水头，这样的实例在目前国内尚不多见。诱导缝的安全监测和监测成果的及时分析评价，对类似工程极具借鉴价值和参考意义。■

[1]赵斌，赵志勇，邱小弟，等.小湾水电站安全监测自动化系统的总体设计[J].水电自动化与大坝监测，2008，32（6）.

[2]国网电力科学研究院南京南瑞集团公司.云南小湾水电站蓄水初期拱坝及坝基坝肩安全监测分析评价报告第三阶段[R].2009.

[3]中国水利水电科学研究院.云南澜沧江小湾水电工程蓄水初期拱坝及坝基坝肩安全监测分析评价报告[R].2009：186～187.