洞坪拱坝坝基扬压力偏高成因的分析及处理

陈欢庆，曾　超

(1.杭州市千岛湖原水股份有限公司，浙江　杭州　310016；2.国家能源局大坝安全监察中心，浙江　杭州　311122)



洞坪拱坝坝基扬压力偏高成因的分析及处理

陈欢庆1，曾超2

(1.杭州市千岛湖原水股份有限公司，浙江杭州310016；2.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州311122)

针对洞坪拱坝6#坝段坝基扬压力偏高的异常现象，综合坝踵建基面接缝变形、基岩变形、混凝土应力监测资料的分析成果，对其成因进行了研究。结果表明，引起扬压力偏高的原因是基础防渗帷幕局部存在缺陷。防渗帷幕经补强灌浆后，扬压水位显著下降，渗压系数已低于设计值，补强灌浆处理成功。

洞坪拱坝；坝基扬压力；监测资料分析；防渗帷幕；补强灌浆

1　问题的提出

洞坪水电枢纽工程位于忠建河的下游河段，工程以发电为主，电站装机110MW。枢纽工程等别为二等大(2)型，主要建筑物为2级。主要建筑物有：混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物、左岸发电引水建筑物、左岸地下发电厂房等。混凝土双曲拱坝为空间变厚对数螺旋线型薄拱坝，建基面高程360.00m，坝顶高程495.00m，最大坝高135.00m，顶拱轴弧长245.43m，河谷宽高比1.58；坝顶厚5.00m，底厚23.50m，厚高比0.17。大坝沿拱轴线方向共划分为13个坝段，坝身布置有3个泄洪中孔和2个泄洪表孔。

在洞坪拱坝6#～10#坝段坝基廊道内共布置8支测压管，监测坝基扬压力，其中6#坝段帷幕后UP-07从蓄水以来坝基扬压水位一直偏高，与库水位呈明显正相关，高水位下渗压系数达到0.60，超过设计值(0.30)较多，对坝体稳定不利。通常情况下，拱坝帷幕后扬压水位偏高的主要原因有坝踵存在贯穿防渗帷幕的裂缝、帷幕局部存在缺陷2种。其中，贯穿防渗帷幕的裂缝又分为坝踵建基面拉裂、坝踵基岩拉裂以及坝踵混凝土拉裂3种情况[1]。本文在结合坝基地质条件的基础上，综合坝踵建基面接缝变形、基岩变形和混凝土应力监测资料的分析成果，对扬压力偏高的原因进行分析，为后续帷幕补强灌浆处理提供了依据。洞坪拱坝下游立面及6#、7#坝段的测压管布置见图1。

图1　洞坪拱坝下游立面及6#、7#坝段测压管布置图

2　坝踵建基面接缝变形分析

通常在拱坝坝踵混凝土与基岩胶结面埋设测缝计来监测建基面接缝开合度变化。当蓄水后的接缝拉伸变形量大于蓄水前的压缩变形量时，表明坝踵被拉开，反之表明坝踵为压紧或接触状态。在洞坪拱坝6#坝段建基面防渗帷幕前距坝踵1.50m处布设了1支测缝计，以监测接缝的开合情况。选择混凝土终凝且具有一定强度时(埋设后12h)的测值为基准值，并规定接缝张开为“+”，闭合为“-”。水库蓄水时间为2005年3月30日，接缝变形与上游水位、坝踵混凝土温度的相关过程线见图2。

图2　洞坪拱坝6#坝段防渗帷幕前坝踵建基面接缝变形过程线图

由图2可知，接缝开合度变化过程可分为以下3个阶段：

(1)第一阶段为测缝计安装埋设后的3～6个月，其测值表现为拉伸变形，此阶段反映坝体混凝土在硬化过程中因湿胀等非荷载因素引起的自生体积膨胀，以及水化热释放引起的温度变形，并不代表坝踵与基岩接触面的真实结合状态。

(2)第二阶段为第一阶段以后至蓄水前，其测值表现为压缩变形，此阶段反映随着坝体浇筑高程的不断提高，坝踵与基岩间接缝受坝体自重荷载的增加而呈持续压缩闭合状态。

(3)第三阶段为水库蓄水后至今，坝踵下游1.50m处建基面开合度与上游水位、坝踵混凝土温度的相关性不明显，目前缝宽稳定在-0.5mm左右，说明在外界荷载作用下，6#坝段坝踵混凝土与基岩仍为压紧状态。

3　坝踵基岩变形分析

为监测坝踵浅层基岩变形情况，在洞坪拱坝6#坝段坝踵距上游面1.50m处布置1支基岩变形计，锚固点深度10.00m，测点编号M—04。基岩变形规定以拉伸为“+”，压缩为“-”。坝踵浅层基岩变形过程线见图3。

图3　洞坪拱坝6#坝段坝踵浅层基岩变形过程线图

由图3可见，坝踵浅层基岩变形变化主要发生在施工期和蓄水初期，坝体自重作用是基岩产生压缩变形的主要因素，水库蓄水运行后，随着水位升高，在拱端推力和水重作用下，基岩压缩量略有增大。目前基岩变形表现为压缩，压缩量在-0.7mm左右，且已基本稳定。

4　坝踵混凝土应力分析

在洞坪拱坝6#坝段坝踵布置1组七向应变计及无应力计，以监测坝踵混凝土应力。目前没有直接测量拉应力的仪器，只能利用应变计测量混凝土应变，然后换算成混凝土应力。常用的混凝土应力计算方法有变形法、松弛法和有效弹模法，本文采用变形法。变形法原理是将实测应变计算得到的单轴应变过程线划分成若干时段，由于徐变作用，某一时刻的单轴应变包含瞬时弹性变形和之前所有应力所引起的总变形，这部分总变形称之为承前应变，在计算该时段应力增量时，需要把承前应变从该时段应变中删除[2-3]。变形法的基本计算见公式1～2：

(1)

(2)

根据混凝土实测应变数据、室内混凝土弹模及徐变度试验成果，利用VB语言编制变形法程序计算坝踵应力。应力规定以受拉为“+”，受压为“-”。各向正应力和主应力特征值统计见表1，6#坝段坝踵垂直向、径向和切向应力测值过程线见图4，坝踵主应力测值过程线见图5。

表1洞坪拱坝6#坝段坝踵混凝土应力特征值统计表MPa

应力类型最大值最小值最大年变幅多年平均值径向正应力0.65-3.691.53-3.12切向正应力0.63-3.441.44-3.23垂直向正应力0.57-3.421.72-2.69第一主应力0.78-4.972.55-3.92第二主应力0.04-5.873.87-5.04

图4　洞坪拱坝6#坝段坝踵混凝土各向正应力过程线图

图5　洞坪拱坝6#坝段坝踵混凝土主应力过程线图

由表1、图4～5可知：

(1)混凝土应力变化主要发生在施工期和蓄水初期，与混凝土浇筑、水化热及水库蓄水有关，其中拉应力只在蓄水初期短暂出现，目前6#坝段坝踵各向应力均表现为受压，且由于库底水温基本恒定，应力变化主要受库水位变化的影响。

(2)实测径向正应力为-3.69～0.65MPa，最大年变幅为1.53MPa，多年平均值为-3.12MPa；切向应力为-3.44～0.63MPa，最大年变幅为1.44MPa，多年平均值为-3.23MPa；垂直向应力为-3.42～0.57MPa，最大年变幅为1.72MPa，多年平均值为-2.69MPa，各向正应力均无趋势性变化。

(3)实测最大主拉应力为0.78MPa，最大主压应力为-5.87MPa。根据洞坪拱坝设计文件，基本荷载组合下坝体允许拉应力为1.50MPa，压应力为-6.00MPa；特殊组合下坝体允许拉应力为2.00MPa，压应力为-7.00MPa，可知6#坝段坝踵实测应力满足设计值的要求。

5　扬压力偏高成因分析

根据上述监测资料分析成果可知：①6#坝段坝踵混凝土与基岩胶结面在外荷载作用下一直处于压紧状态，可以排除建基面出现贯穿帷幕裂缝；②6#坝踵浅层基岩蓄水以来一直处于压缩状态，不存在拉裂的可能；③坝踵混凝土实测应力成果均小于设计值，应力状态正常，坝踵不存在拉裂的可能。

从地质条件看，左坝肩6#坝段所处岩层产状120°∠65°，无大的断层切割，裂隙充填方解石脉及铁质，岩溶不发育，岩体微风化或新鲜，完整性较好。同时，该处测压管水位主要受上游水位影响，未出现温降工况下扬压水位明显升高的异常现象，因此可以排除基础存在先天性渗漏通道。

综上所述，排除坝踵裂缝和基础地质缺陷的可能性后，可认为6#坝段坝基扬压力偏高是由于防渗帷幕存在局部缺陷造成的。

6　补强灌浆处理及效果评价

6.1防渗帷幕补强灌浆处理范围及主要技术

在明确6#坝段坝基扬压力偏高的成因后，确定了对渗压偏高部位进行补充帷幕灌浆的处理方案，处理范围及主要技术如下：

(1)帷幕灌浆处理范围以渗压系数超限的UP—07测压管为基准，向左右岸延伸，补充帷幕线总长约18.00m，设置8个灌浆孔(W—1～8)，布置在灌浆排水廊道上游侧(与原主帷幕灌浆孔同排、间隔布置)。

(2)帷幕灌浆孔的钻孔、灌浆材料及设备、灌浆要求、浆液变换、冲孔、压水、灌浆结束与封孔等均按照DL/T5148—2001《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》执行。灌浆处理范围的测压管和排水管在灌浆的同时采用不间断冲洗方法，以保证通畅。

(3)帷幕灌浆采用“小口径钻孔、孔口封闭、自上而下分段、孔内循环” 法灌注，此时灌浆孔的第一段(接触段)采用常规“孔内阻塞灌浆法”进行灌浆，阻浆塞置于基岩面以上的混凝土内0.50m处；第2段及以下各段采用“小口径钻孔、孔口封闭、自上而下分段、孔内循环” 法灌注。

(4)为防止因灌浆处理而出现渗透破坏，灌浆孔加压时应严格控制压力，在不影响测压孔的情况下提高灌浆压力，使用设计灌浆压力加涌水压力作为实际灌浆压力表控制压力。

6.2防渗帷幕补强灌浆效果评价

帷幕补强灌浆结束后即时恢复了UP—07的渗压监测，通过测压管扬压水位的监测成果评价处理效果。绘制了UP—07水位与上游水位相关图(见图6)，并与相邻7#坝段UP—06测压管水位作比较。

图6　6#、7#坝段坝基扬压水位与上游水位相关过程线图

坝基渗压系数计算公式如下：

α=(HP-HX)/(HS-HX)

(3)

式中：HP为测压孔水位，m；HX为下游水位，m；HS为上游库水位，m。

由过程线及渗压系数的计算成果可知：

(1)帷幕补强灌浆之前，UP—07管内水位与上游水位相关性明显，并且明显高于相邻7#坝段的UP—06，高水位下渗压系数达0.60，远超设计值(0.30)，坝基扬压水位呈异常状态；

(2)帷幕补强灌浆之后，UP—07测压管水位从435.00m降至405.00m，水位与相邻坝段UP—06相当，渗压系数从0.60降至0.28，已低于设计值(0.30)，扬压水位恢复正常；

(3)帷幕补强灌浆后6#坝段坝基扬压力保持平稳，基本不受上游水位影响，帷幕对水头的折减效果明显增强，表明补强灌浆达到了预期效果，解决了6#坝段坝基扬压力偏高的问题。

7　结　语

(1)洞坪拱坝6#坝段坝踵运行状态正常，不存在裂缝贯穿防渗帷幕造成幕后坝基扬压力异常升高的可能，扬压力偏高的成因是基础防渗帷幕局部存在缺陷。

(2)帷幕补强灌浆之后，6#坝段坝基渗压系数从0.60降至0.28，已低于设计值(0.30)，扬压水位基本不受上游水位影响，补强灌浆处理是成功的。

[1]朱晓旭．特高拱坝开裂分析方法与应用[D].北京：清华大学，2011．

[2]储海宁．混凝土坝内部观测技术[M].北京：水利电力出版社，1989．

[3]王德厚，李端有，刘祥生．水利水电工程安全监测理论与实践[M].武汉：长江出版社，2007．

(责任编辑张书花)

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

陈欢庆(1989-)，男，助理工程师，大学本科，主要从事水利工程管理工作。E-mail：408820900@qq.com

TV698.1+1

A

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

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