严寒地区横缝开合度影响因素分析

美丽古丽·买买提，朱明远

（新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

监测技术对保证大坝的安全运行具有重要意义。通过分析多年统计数据得出坝体横缝开合度与大坝坝体温度变化、外界温度变化、主河床坝段库水位变化之间具有相关性。但在实际的工作中，由于受到施工过程、设备稳定性以及苛刻的工作条件等诸多因素影响，所采集的数据可能存在一定的误差，无法保证数据精确性[1-3]。本文采用坝体浇筑时埋入的测缝计测值，分析坝体横缝开合度的变化规律及影响因素，从而为判断坝段坝体横缝严重程度提供一定的理论依据。

1 工程概况及仪器布置

本工程位于北疆严寒地区，是一项以供水为主的大型水利枢纽工程，在维持当地流域生态环境和满足当地经济发展用水前提下，具有向外流域供水、发电和防洪等综合效益。本工程由大坝、副坝、泄水建筑物、发电引水系统、厂房等建筑物组成，最大坝高121.5 m。大坝设计洪水标准为1 000年一遇（P=0.1%、洪峰流量Q=8 768 m3/s），校核洪水标准为5 000年一遇（P=0.02 %、洪峰流量Q=12 010 m3/s）[4]。

根据坝体结构，在不同坝段横缝处的638 m、643 m、648 m、668 m、698 m、718 m、738 m高程的上、中、下游处，设置测缝计各3支，共计81支，详见图1。

图1 坝体上、下游面横缝开度示意图

图2 坝体上、下游面横缝过程线（按照上中下游布置分开）

2 开合度变化规律及影响因素分析

经过了11年的数据收集，发现上、下游面的横缝开合度的变化与温度的变化关系较密切，温度上升会使得开合度减小，温度下降会使得开合度增加；温度变化对上下游面开合度的影响较大，中间部位的开合度基本无变化[5-7]。

2.1 上游横缝开合度分析

上游面横缝基本处于张开状态，738 m高程35～36#坝段横缝多年，最大开合度超标达到了9.3 mm（2011.4.6日J67测 值）（原 因），2014年10月15至11月30日对7～81#坝段730～739 m高 程 进行了6 cm厚的聚氨酯喷涂作业，2015年35～36#坝段横缝最大开合度明显减少，其最大开合度为5.72 mm，2018年最大开合度为5.10 mm。

分析发现上游横缝开合度变化与温度变化负相关，即温度上升会使得开合度减小、温度下降会使得开合度增加；与高程正相关，即高程越大开合度越大。

2.2 下游横缝开合度分析

下游面横缝开合度变化小于上游面，2018年下游面横缝最大开度在-0.01～8.19 mm间,最小合开度 在-0.07～3.2 mm间，年变幅在0.06～5.0 mm间，主河床坝段开合度按最大值排序依次为32#（中孔）～33#（底孔）坝段738 m高程、35～36#坝段668 m高程、38～39#坝段668 m高程、29～30#坝段668 m高程，开合度分别为8.19 mm、4.20 mm、3.03 mm、2.26 mm，下游面738 m高程开合度值最大，其次为668 m高程。同在2014年高水位工况下，32～33#坝段739.5 m高程下游面的J54开合度与J52基本同步变化，但小于上游面，至2019年J52最大开合度为10.11 mm[8]。

由此可见，下游面的横缝开合度受外界温度、高水位影响的变化规律与上游坝面相同，但变化绝对值小于上游面。

2.3 中间横缝开合度分析

中间部位横缝开合度大多无变化或变化量很小，横缝开合度较大的部位为698 m高程的24～25#坝段横缝，2018年最大开合度为2.84 mm，2018年中间部位的横缝最大开合度在-0.42～2.84 mm间，最小开合度在-0.43～2.31 mm间，年变幅在0.01～0.53 mm间[9-10]。

上、下游横缝开合度均较大的坝段为738m高程的32#～33#坝段，高水位运行后上、下游横缝开合度有增大趋势，2018年上、下游最大开度分别为10.11 mm、8.2 mm。

高水位运行后，32～33#坝段718 m、738.0 m高程、24～25#坝段668 m、699 m、718 m高程，26～27#坝段738 m高程，29～30#坝段718 m高程横缝的开合度有变大趋势，至目前，32～33#坝段738 m高程横缝的开合度涨幅相对较大，J52测缝计2013～2018的开度分别为1.89～3.10 mm、1.85～5.10 mm、3.01 ～6.89 mm、3.87～8.33 mm、3.86～9.58 mm、4.67～10.11 mm；J54测 缝 计2013～2018的 开 度 分 别 为0.23 ～1.33 mm、0.42～3.72 mm、1.38 ～5.18 mm、2.13～6.39 mm、2.27～7.66 mm、2.96～8.19 mm，至2018年3月下旬分别达10.11 mm、8.19 mm，目前开合度分别为9.41 mm、7.65 mm。

图3 坝体横缝测缝计拟合及分解过程线

3 横缝开合度分析预测

选取25号坝段、29坝段、32坝段、35坝段为典型断面，自2010年1月起至2019年1月止共计9年，采用小波分析对监测数据进行预处理，再建立统计模型，从而达到精确模拟的目标。25个测点横缝分解结果、拟合及分解过程线如图3所示。

模型整体相关性较好，复相关系数均在0.9以上，标准差约为总变幅的0.40 %～7.99 %，说明模型因子选取合理，模拟结果可信。就整体而言，影响各测点开合度主要因素依旧为温 度 分量（37.05%～81.20%），其 次 为水 位 分量（10.09%～42.69%），时效分量仅占0～25.61%。现按仪器埋设高程逐一分析，得出结论如下：

从上述数据的分析发现影响坝体横缝开合度的主要因素为施工的混凝土温度以及运行期外界气温变化，主要表现为以下三方面：①施工期坝体的自然冷却，由于上、下游面为变态二级配混凝土，水化热温升较高，后随着水库蓄水和下游气温的变化，上游面局部混凝土温度下降速度较快、幅度较大，混凝土收缩变形较严重，是引起上、下游面横缝张开的主要原因，这种影响对中间部位的开合度影响不大，故中间部位的开合度整体无太大变化；②运行期环境温度周期性的变化，上、下游面的横缝开合度的变化与温度的变化关系较密切，温度上升会使得开合度减小，温度下降会使得开合度增加；温度变化对开合度的影响较大。

4 结论

部分测点开合度受水库高水位影响，通过监测某混凝土重力坝横缝数据，得出上下游横缝开合度与温度呈现负相关，但坝体中间影响较小。高水位运行情况下部分测点开合度影响较大，从整体横缝的开合情况来看，在水荷载自重荷载共同作用下，开合度变化较小，说明增加的水平水荷载通过坝体自适应变形得到缓解。基于真实测值所得出的坝体开合度变化规律，表明目前坝体安全，可为国内外同类研究提供参考和借鉴。