大河沿水库防渗墙施工期观测资料分析

戴灿伟，朱明远

(新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830052)

随着我国经济建设的发展和西部水电大开发战略的实施，鉴于我国西部地区的地域特点，许多待建的和在建的水利枢纽将不可避免地位于深厚覆盖层上，在西部山区深厚覆盖层上建设高坝，坝基防渗是关系到工程成败的关键。从当前的发展水平看，目前中国绝大部分深覆盖层地基的防渗处理措施都采用了单排混凝土防渗墙的形式，防渗墙的防渗效果及防渗结构在自重和外荷载作用下变形、应力特性的研究，是土石坝大坝基础稳定、安全运行的重要问题。

1 工程概况

大河沿水库工程位于新疆吐鲁番市高昌区大河沿镇北部山区，大河沿河上游，距吐鲁番市约60km。该工程主要由挡水大坝、溢洪道、泄洪冲砂放空兼导流洞及灌溉洞组成，是一座具有城镇供水、农业灌溉和重点工业供水任务的综合性水利枢纽工程。水库正常蓄水位1615.0m，总库容为3024万m3，属于中型水库。河床覆盖层最深处达180m，主要为漂石砂卵砾石堆积层，结构较密实，层理间夹泥质、砂质壤土条带，采取全封闭防渗墙方案进行坝基防渗处理，其设计与施工难度国内外罕见。工程浇筑完成之后的混凝土防渗墙迎水面直接与覆盖层的饱和水土层接触，承受高压水头的直接作用，施工期高压水头最大为0～180m，运行期其高压水头可达80～250m。

2 防渗墙监测仪器的布置

防渗墙监测项目包括：应力应变监测、土压力监测、渗流监测以及挠度变形监测。

防渗墙挠度变形采用伺服加速度式固定式测斜仪，设两个观测断面：0+187和0+255、0+270，共设置测点25个；防渗墙应力应变监测采用双向应变计(垂线和左右岸方向)，选取大坝桩号0+187、0+255、0+270三个断面作为监测横断面，应变计和无应力计测点在同一测点(高程)距防渗墙上下游面约10cm处沿铅直方向各布置1组应变计，无应力计布置在防渗墙的中心线处，共布置应变计85组，无应力计17支；在0+255、0+270、0+340三个断面的防渗墙墙体顶部和底部分别埋设2支土压力计，共计6支土压力计；在0+255与0+270断面防渗墙上下游两侧的七个高程共埋设渗压计20支。图1为防渗墙观测断面仪器布置图。

3 混凝土自生体积变形

3.1 混凝土配合比试验

试验采用吐鲁番天山P.O.42.5水泥；粗骨料与细骨料分别采用大河沿引水工程砂石料厂筛分后骨料，其中粗骨料粒径为5～20mm，细骨料为中砂，细度模数2.6；试验用粉煤灰系新疆玛纳斯发电有限责任公司生产的Ⅰ级粉煤灰；外加剂采用高性能减水剂(缓凝型)JB-Ⅱ型。通过试验最终确定混凝土配合比见表1。

图1 防渗墙观测断面仪器布置图

施工部位设计指标水胶比1m3混凝土各项材料用量/kg抗压强度/MPa水水泥粉煤灰砂小石中石减水剂引气剂7d28d防渗墙C30W100.381472711167794845933.870.01929.640.1

3.2 自生体积变形

无应力计监测资料分析的目的是了解混凝土温度变形的实际膨胀系数以及自生体积变化规律[1]。根据实测无应力计数据可以反演得出混凝土热膨胀系数，进而得出混凝土自身体积变形规律。无应力应变主要受测点温度、自生体积及湿度变化的影响[2- 3]。统计模型方程形式为：

ε=α0+αT+α1t+a2ln(1+t)+α3ekt

(1)

式中，T—实测温度；t—距离基准的时间长度；k—常数，取-0.01；α—混凝土的热膨胀系数；其余部分为时效分量。以N9测点为例，图2为无应力应变实测及拟合过程线。复相关系数为0.967，属显著相关。其中α为13.554，可看作混凝土热膨胀系数估计值。各测点热膨胀系数见表2。

由表2可知，采用统计回归反演得出的热膨胀系数，其复相关系数均高于0.85，属显著相关。通过计算，9支无应力计的膨胀系数在5.505～13.554με/℃之间，属于正常范围之内，随着高程降低，热膨胀系数逐渐增大，整体平均线膨胀系数为9.013με/℃。混凝土自生体积变形公式可以写为：

图2 N9测点无应力应变实测及拟合过程线

测点埋设部位高程/m最大值/με最小值/με热膨胀系数复相关系数N11539186.7-11.36.9130.997N21510120.6-24.17.6760.988N31485294.808.7520.993N4153969.6-20.45.5050.904N51513263.407.8810.999N61483142.6-10.18.8630.856N7145395.1011.6710.875N81423136.2010.3040.851N9139391.8-32.413.5540.967

ε0=ε-α(T-T0)

(2)

式中，ε0—混凝土自生体积应变；ε—混凝体实测总应变；α—热膨胀系数；T—测点温度；T0—基准温度值。图3为N9测点混凝土自生体积变化过程线。由图3可知，混凝土初期受水化热影响，应变逐渐增大，之后随着水化热的消散，呈单调递减趋势，整体以拉应变为主，无应力应变量在18.1～37.6με，从变化规律分析，测值初期变化大，随后趋于稳定，观测结果正常。

图3 N9测点混凝土自生体积变化过程线

4 变形及应变分析

4.1 应力应变监测

各测点应变过程线如图4所示。由图4可以看出：防渗墙在施工期总体以压应变为主，竖向实测应变最大值为-380.52με，左右岸方向实测应变最大值为-430.13με，随着水化热逐渐消散，混凝土的温度下降，压应变逐渐增加。各测点压应变在初期随混凝土的硬化而逐渐增大[4]，防渗墙竖向整体呈两端受压，中间受拉的状态，与挠度变形吻合，防渗墙左右岸方向以受压为主，变化过程也基本合理，因此大坝防渗墙总体应变状况正常。

图4 0+270断面各测点应变分布图

4.2 渗流监测

水库深厚覆盖层建基面以下3.5～102.6m范围内渗透系数在8.7×10-2～1.2×10-3cm/s，基础102.6m以下渗透系数在1.9×10-2～1.7×10-3cm/s，可知覆盖层为中等至强透水层。从0+270m断面防渗墙上、下游两侧与深厚覆盖层接触面处埋设的渗压计监测数据可以看出：截止至2017年10月5日，0+270断面3组不同高程渗压水位分别为：1374m高程上游侧渗压水位为1515.496m、下游侧为1511.059m；1464m高程上游侧渗压水位为1525.713m、下游侧为1523.887m；1524m高程上游侧渗压水位为1528.584m、下游侧为1531.742m。从防渗墙上、下游两侧渗压水位分布图(如图5所示)可以看出截流前上下游渗压计水位基本相同。目前防渗墙尚未截流，同一地层防渗墙前后的渗压计水位相差不大，同一地层防渗墙前后渗压水位1.8～4.4m。

图5 防渗墙上、下游两侧渗压水位分布图

4.3 土压力监测

由图6土压力过程线可以看出，土压力变化过程规律性较强，随着防渗墙浇筑完成，在水化热影响下，土压力逐渐增大，之后随着水化热的消散，温度降低，混凝土收缩[5]。符合土压力计的压力变化规律。

通过埋设于0+255m、0+270m断面防渗墙底部的土压力计监测数据可以看出：土压力变化过程规律性较强，底部测点随着防渗墙浇筑完成，在水化热影响下，混凝土强度逐步增强，其土压力测值逐渐增大，数据还反映处墙体较深的0+270断面比墙体相对较浅的0+255断面的土体压力的大，在仪器埋设后6月多中，0+270断面土体压力最大值为0.53MPa，0+255m断面最大值为0.42MPa。之后防渗墙混凝土随着混凝土水化热的完成，防渗墙两侧土压力对墙体的约束作用逐渐显现。目前墙体底部与基岩结合面的压力稳定，防渗墙两侧土压力对墙体的约束作用较大，因此土体压力量值较小，基本符合土压力计的压力变化规律。

图7 0+270断面各测点仪器布置图及倾斜位移分布图

图6 0+255m及0+270m断面各测点施工期土压力过程线

4.4 挠度变形监测

目前工程尚未截流，墙体上下游两侧的渗压水头基本相等，因此现阶段墙体挠度变形主要与上部坝体的自重荷载关系较为密切，在坝体自重荷载持续增加的影响下，深厚覆盖层及墙体间的变形及应力变化处于相互约束，相互协调、自适应的一个过程。通过埋设于防渗墙中的固定式测斜仪监测数据可知：2017年4月12日埋设0+270断面的固定测斜仪，墙体变形过程线见图7，防渗墙受自重及上游库水压力荷载的影响，中下部1440～1460m高程处缓慢向下游变形，为墙体高度的35.3%～48.2%，最大量值31.7mm；1480m高程以上，墙体向上游变形，其中1520m高程的变形量最大，量值为65.1mm，基本符合墙体的受力及变形规律。

5 结语

通过对大河沿水库防渗墙施工期监测数据进行分析，防渗墙挠度、应变、渗流和土压力变化符合一般规律且在正常范围内，防渗墙整体呈两端受压，中间受拉的趋势，整体累积位移较小；通过对实测无应力应变进行回归分析，反演得出防渗墙施工期热膨胀系数，经过计算，平均线膨胀系数为9.013με/℃，防渗墙整体应变状况正常；渗流与土压力变化趋势正常，防渗墙整体运行状况良好。