祖妈林水库除险加固工程低弹模混凝土防渗墙内部监测系统分析与评价

2012-07-16董文鼎

水利规划与设计 2012年4期

董文鼎

（福建省水利管理中心福建福州 350001）

1 引言

混凝土防渗墙施工技术始于20世纪50年代，作为病险土石坝加固处理始于1965年。传统的刚性混凝土防渗墙存在一些缺点，主要是刚性混凝土防渗墙弹性模量高，极限应变小，比周围土层的弹性模量高出数倍，因而墙体容易出现裂缝，降低了防渗效果。而低弹模混凝土就是针对刚性混凝土的这些问题应运而生的，它具有较高强度、低弹模、弱透水、易浇筑等特点，能适应墙体周围土体变形模量的特点，能较好地适应坝体的变形，提高了墙体的安全性和耐久性。近年来，在土石坝的除险加固工程中得到广泛应用，福建省祖妈林水库除险加固工程是福建省首批在土石坝加固中运用低弹模混凝土防渗墙技术的工程之一，是国内已建低弹模混凝土防渗墙深度最大的工程。

由于防渗墙属于隐蔽工程，大坝加固好后将被埋在地下或坝内，看不到也摸不着，加上防渗墙运行状态的影响因素众多，目前低弹模混凝土防渗墙性能在土石坝加固中的研究还处于摸索阶段，要精确计算混凝土防渗墙中应力、应变值及其分布还较难。因此对低弹模混凝土防渗墙的应力应变监测就显得非常重要，通过墙内仪器观测所得数据来分析防渗墙是否正常。福建省漳浦县祖妈林水库是省第一座在低弹模混凝土防渗墙内部安装监测仪器的水库，通过对祖妈林水库大坝低弹模混凝土防渗墙内部监测系统的介绍和分析，来说明防渗墙内部监测对大坝安全运行和反馈设计所起的作用。

2 工程概况

祖妈林水库位于福建省漳浦县杜浔镇徐坎村，是一座以灌溉为主，结合防洪、发电、供水养殖等综合利用的中型水库。水库总库容为3661万m3，设计灌溉面积为4.5万亩，有效灌溉面积2.7万亩，影响下游1.8万人口、3万多亩耕地及漳诏高速公路。

水库于1971年12月动工兴建，1976年6月建成，经过30多年运行，大部分建筑物老化现象比较严重。根据2008年《福建省漳浦县祖妈林水库大坝安全鉴定报告书》的评价结论，祖妈林水库大坝被评为三类坝，需要对水库进行除险加固。该水库除险加固工程于2009年2月1日开工，2010年1月主体工程完工，其中低弹模混凝土防渗墙于2009年5月22日实施，2009年9月26日结束，总成墙面积为13952.63m2，最深达54m。

3 监测仪器种类及其布置

监测仪器的布置，应结合工程具体条件，既能较全面反应防渗墙在运行过程中应力应变的变化情况，又能突出重点和少而精，要在可靠、耐久、经济、实用的前提下，力求先进和便于实现自动化的原则。

防渗墙的监测项目主要有应力、应变、渗透压力以及墙体位移和周围土压力等，结合祖妈林水库低弹模防渗墙的特点，本次加固在混凝土防渗墙施工时预埋无应力计和应变计，渗透压力通过在防渗墙上、下游侧设置测压管进行监测。沿主坝防渗墙选择3个监测断面来进行监测应力和应变，桩号分别为主坝0＋129、主坝0＋226、主坝0＋330，其中主坝0＋129断面布置应变计14只，无应力计3只；主坝0＋226断面布置应变计20只，无应力计5只；主坝0＋330断面布置应变计12只，无应力计3只；共布置46只应变计，11只无应力计。

具体选用的监测仪器如下：

（1）应变计

应变计是用于监测防渗墙上、下游面的垂直应变，同时可以量测混凝土的温度，根据观测的应变资料可推算出防渗墙的应力状况。祖妈林水库选择的是差动电阻式应变计，型号为NZS－10（南京南瑞生产），由敏感元件、密封壳体及引出电缆三部分组成。仪器内有两根以特殊方式固定的钢丝，当仪器受到外力而变形时，测量两根钢丝电阻的比值就可以求得仪器的变形量。

（2）无应力计

无应力计用于观测混凝土的非应力应变，它包括温度、湿度及化学变化等因素作用而产生的总变形。祖妈林水库选择的是差阻式无应力计，是由应变计和无应力筒组成，其中应变计型号也是NZS－10。差阻式无应力计有电阻比和电阻两个测值，利用这两个测值及仪器特性参数可算出测点的混凝土自由应变，再利用应变计测值和徐变资料可算出测点的混凝土应力，利用电阻测值和仪器特性参数可算出测点混凝土的温度。

4 低弹模混凝土防渗墙监测仪器埋设

由于各观测仪器均需通过电缆引出防渗墙，最后进入水库调度管理中心的测量模块上，因此购买监测仪器除了要求仪器有较高的精确度、灵敏度及率定外，还要求购买一定数量的电缆和配件，只有当准备工作全部完成后才可进行仪器的埋设。

仪器安装埋设的要点在于既要保证仪器的完好率，又要使仪器与混凝土防渗墙紧密结合，同时应尽可能的减少仪器埋设对主体施工的干扰。由于祖妈林水库防渗墙为低弹模混凝土，混凝土中含有大量的粘土和膨润土，降低了混凝土的和易性、流动性，加大了仪器埋设的难度；且未设钢筋笼、孔深较深，无法采用传统的钢丝绳沉重块法一次性安装埋设；因此，经过多次反复试验，观测仪器埋设采用施工平台控制、镀锌钢管分段埋设法。具体做法如下：

①根据实际孔深，确定所需镀锌钢管长度，采用直径25mm 的镀锌钢管，分段加工好丝口，配足够的接头备用。

②根据实际孔深及设计图纸的仪器安装高程，计算好应变计、无应力计的位置，在镀锌钢管上标出仪器的安装部位，镀锌钢管的先后顺序做好编号，目的是防安装的时候顺序错乱而使仪器安装高程改变。

③镀锌钢管采用起重机吊装就位，施工平台支架定位、垂直度控制，按设计位置一边放镀锌钢管，一边固定应变计和无应力筒。

④按标定的记号把应变计用细铁丝及胶布扎在镀锌钢管上，应变计与镀锌钢管之间用3～4cm厚的木块隔开，防止应变计后期受镀锌钢管的应力作用，无应力筒安装和应变计相同，电缆固定在镀锌钢管上向上引出。

⑤当一根镀锌钢管的仪器安装完成以后，慢慢往下放，直到钢管的顶端，再接上第二根钢管，拧紧接头，再重复④步骤，直至全部仪器安装完成，整个放置过程小心谨慎，为了控制好垂直度，特别深断面中间部位可加设固定支架。

⑥当全部仪器安装好后，固定好镀锌钢管位置，防止其滑动。

⑦为确保仪器埋设质量，镀锌钢管放导管中间，浇筑过程中导管不能平移。

采用镀锌钢管埋设方法的施工结果为：共埋设仪器57只，其中46只应变计，11只无应力计，电缆1407m，其中有2只应变计失效，完好率为96%。

5 监测成果分析

全部监测仪器施工结束后进行观测，2009年9月中旬至2010年3月下旬，共进行13次观测。观测频率为：初期每周监测一次，后期每月监测一次。在此主要通过最大监测断面（主坝0＋226）的观测数据来对成果进行分析。

（1）应力变化过程分析

经对断面主坝0＋226应变计的应力过程线图（在此略）分析可知：多数应变计在埋设初期都有拉应力增大，之后压应力增大的现象，各测点的最大拉应力都发生在这个时期。分析其原因主要是应变计自安装后由于受水化热影响，向正值方向变化；随着外界气温下降及周围土压力影响，开始向压应变方向变化，后期应变渐趋于稳定，压应变增加缓慢。综上，不同高程的混凝土应变变化规律正常，符合防渗墙混凝土应变变化的一般规律。4个无应力计变化规律是，在埋设初期无应力计测值随着温度的降低，自由变形增大，与温度呈负相关；后期随着温度降低，自由变形减小，无应力计测值变化速度缓慢。这主要是由于浇筑时间、周围环境等因素的影响，该断面浇筑期温度较高（2009年7月），这也符合混凝土变形的一般规律。

图1 防渗墙应变沿深度方向测值过程线

由观测数据及过程线还可看出，主坝0＋226断面防渗墙混凝土目前均处于受压状态，最大压应变值为－634με（负号为压缩），且压应力有继续增大的趋势，但变化平缓，未见突变情况，混凝土受力状态正常，墙体内仍然保持受压状态，没有产生拉应力，防渗墙运行正常，能适应坝体变形，能满足工程要求。

（2）应力应变沿深度方向分析

由图1可以看出，低弹模混凝土防渗墙出现应变变化剧烈的地方主要集中在两个部位，一个在防渗墙中上部，一个在防渗墙下部。通过分析可以看出上部变化剧烈的地方，该高程在库水位附近，在这里由于库水位以下存在库水位的压力作用，而库水位以上却没有，因此使得该部位附近的应力变化较大；防渗墙下部应变变化剧烈，这主要是因为祖妈林水库的防渗墙深入基岩，库水位的合力作用和基岩的限制作用使得这里的应变变化较为剧烈，运行中要加强这些部位监测。