高寒区某拱坝首蓄期坝体渗透压力异常现象分析

韩世栋，李 新

(1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，南京 211000;2.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

新疆北疆地区某拱坝为常态混凝土双曲拱坝，坝顶高程649.00 m，最大坝高 94 m，坝顶全长319.64 m，坝顶厚10 m，坝底厚27 m，是中国在高纬度、极端温差、寒潮频繁、极度干燥地区建设的第1座大型混凝土双曲拱坝。该拱坝所在地区，多年平均气温5 ℃，极端最高气温39.4 ℃，极端最低气温-41.2 ℃[1]，年温度变幅达80 ℃。为掌握大坝安全运行状态，分析安全监测资料是最直观的方法。本文主要针对首次蓄水期间坝体渗透压力异常变化情况进行分析，结合大坝实测温度和应力资料，探讨异常情况成因，为同类环境下的其他拱坝建设提供参考。

该拱坝安全监测包括变形监测、渗流渗压监测、温度及应力应变监测等项目，其中坝体渗压计布置情况如下：

大坝选取了6号、9号、13号坝段作为典型监测断面，在581.00 m、601.00 m、625.00 m高程上游侧混凝土中各埋设4支渗压计(9号坝段在559.00 m高程多布置一层)，每层渗压计分别距上游侧1 m、1.2 m、2 m、5 m，共埋设40支渗压计。典型高程内观仪器布置见图1，坝体上游侧混凝土内除埋设有渗压计外，还布置温度计、裂缝计、应变计组等监测仪器。

图1 9号坝段581.00 m高程仪器布置示意图

2 渗压变化情况

2.1 异常情况简述

该工程首次蓄水时间为2014年7月至2015年11月，库水位最高到达高程645.65m。从坝体渗压计监测成果来看，坝体内大部分渗压计处于无压状态，但也出现个别渗压计水头较大的情况，分别出现在6号坝段625.00 m高程，9号坝段581.00 m、601.00 m、625.00 m高程，13号坝段581.00 m高程。

(1) 6号坝段

6号坝段625.00 m高程仅靠近上游侧1m位置的P1-9测点出现渗透压力，其余3支渗压计均处于无压状态，说明渗漏通道止于P1-9埋设位置附近。P1-9测点过程线见图2，可以看出当上游水位到达高程625.00 m时，P1-9的水位也随之上涨，且上涨的速率与上游水位几乎一致。当2015年11月11日上游水位开始下降时，P1-9的水位也开始下降，下降速率和上游水位保持一致，说明此处存在较为顺畅的渗漏通道，且该渗漏通道在蓄水位到达625.00 m高程之前就已存在。

图2 6号坝段625.00 m高程渗压计过程线图

(2) 9号坝段

1) 9号坝段581.00 m高程的4支渗压计(P2-5、P2-6、P2-7、P2-8)在2015年8月15日之前基本处于无压状态，之后当上游库水位进一步上涨时，P2-5和P2-6开始出现水头，最高渗压水位出现在2015年9月12日，分别为602.10 m和602.90 m，此时库水位为616.8 m，水位差14 m；此后随着库水位进一步增长，两支渗压计的水位逐渐降低，说明渗漏通道有闭合的趋势，在库水位到达最高水位645.65 m时，两测点的渗压水位分别降至594.28 m和595.09 m。

从这两支渗压计的变化过程来看，渗漏通道存在的原因可能是581.00 m附近出现了竖向裂缝或斜竖向裂缝，在蓄水初期库水沿着裂缝渗漏，而随着库水位的进一步的抬升，受拱的压力作用影响裂缝闭合，从而使得渗透水位降低。

图3 9号坝段581.00 m高程渗压计过程线图

P2-7和P2-8在蓄水期间基本处于无压状态，说明渗漏通道尚未扩展到此处。

2) 9号坝段601.00 m高程的4支渗压计(P2-9、P2-10、P2-11、P2-12)，在2015年10月12日库水位到达641.60 m之前(水头40.6 m)，渗压计基本处于无压状态，之后P2-9测点渗透水位逐渐上升，2015年11月13日到达最大水位637.50 m，其余3个测点基本处于无压状态。

图4 9号坝段601.00 m高程渗压计过程线图

从渗压计变化规律来看，其渗漏通道发展存在一个过程，蓄水初期水头压力较小时，P2-9测点并未出现变化，说明渗漏通道尚未出现或渗漏通道尚未扩展到此处;之后随着库水位进一步上升，在水头达40.6 m时，P2-9测点渗压水位开始增大，发展至最高渗透水位637.50 m耗时1个月，说明该渗漏通道并不是畅通无阻。

3) 9号坝段625.00 m高程的4支渗压计(P2-13、 P2-14 、P2-15、P2-16)，在2015年9月19日库水位到达630.18 m之前(水头5.18 m)，渗压计基本处于无压状态，之后P2-13和P2-14测点渗压水位开始增大，至2015年9月28日(库水位636.51 m)，渗压水位与库水位持平，之后这2个测点的渗压水位基本和库水位同步变化，说明该处的渗漏通道已较为通畅。P2-15和P2-16测点处于无压状态，说明渗漏通道尚未扩展到此处。

图5 9号坝段625.00 m高程渗压计过程线图

(3) 13号坝段581.00 m高程的4支渗压计(P3-1、P3-2、P3-3、P3-4)，在2015年11月7日库水位到达644.67 m之前(水头63.67 m)，渗压计基本处于无压状态，之后P3-1、P3-2、P3-3测点的渗压水位开始增大，至2015年11月26日渗压水位达到最大，分别为624.95 m、621.31 m、620.56 m。

图6 13号坝段581.00m高程渗压计过程线图

13号坝段581.00 m高程渗漏通道的发展存在一个过程，蓄水至644.67 m时(水头63.67 m)，渗压计测点才开始出现水头，可能原因如下：① 前期未出现渗漏通道，在高水头的作用下坝体出现裂缝形成渗漏通道；② 前期渗漏通道可能已存在，但尚未扩展至渗压计埋设位置(或由于坝体重力作用，渗漏通道处于紧闭状态)，而在库水位较高时，在高水头作用下渗漏通道扩展。

P3-1、P3-2、P3-3测点出现渗压水头后，其渗透水位并未完全和上游水位一致，说明渗透通道并不是完全畅通，仍存在一定的阻渗作用；渗漏通道已扩展到P3-3(距上游面2 m)测点附近。

2.2 综合分析

为综合分析坝体渗压情况，将上述5个部位的渗压情况统计见表1，并计算了渗透水位和库水位的相关系数，其中计算时段为库水位达到该渗压计所在高程时间至2015年12月15日，坝体渗透压力异常测点分布见图7。由表1及之前分析可得出：

图7 坝体渗透压力异常测点分布图 单位：m

表1 首次蓄水期间坝体出现渗压的部位统计表

(1) 从出现渗透压力的5个部位来看，9号最高坝段有3个高程出现异常，6号坝段和13号坝段各有1个高程出现异常，说明9号坝段的渗漏现象更为普遍。

(2) 将渗漏通道的畅通程度分为3个级别：① 完全或基本畅通：6号坝段625.00 m高程和9号坝段625 m高程，特别是6号坝段625.00 m高程，P1-9渗透水位和库水位相关系数达0.98；② 未完全畅通：625.00 m高程坝段601.00 m高程和13号坝段581.00 m高程；③ 渗透通道出现闭合：9号坝段581.00 m高程。

(3) 从渗漏通道的扩展深度来看，大部分深度不大，截止在距上游坝面1～1.2 m附近，仅13号坝段581.00 m高程渗漏通道扩展深度超过2 m。

(4) 在渗压计安装部位附近埋设有裂缝计、应变计、温度计等仪器，结合这些仪器的监测成果分析如下：

1) 蓄水期间大部分裂缝计测值变化小于0.1 mm，仅6号坝段625.00 m高程和9号坝段601.00 m高程变幅略大(最大变幅0. 3 mm)，这两处的渗压均有变化，蓄水阶段特征值统计见表2。

表2 蓄水期间裂缝计特征值统计表

2) 从渗漏部位附近安装的应变计组计算成果来看，施工期或多或少存在一些拉应力，最大拉应力为2.3 MPa(9号坝段581.00 m高程上游侧)，历史最大拉应力统计见表3。

表3 渗水部位历史最大拉应力统计表

3) 从出现渗漏部位相应高程安装的温度计测值来看，未见明显变化，但从渗压计自身的温度测值和库水温度对比来看，部分渗压计和库水温变化存在一定的相关性，说明渗漏确实已经发生。

表4 渗压水头和气温、坝体变形的相关情况表

4) 表4统计了渗压水头和气温、坝体变形(采用垂线监测成果)的相关系数，可以看出：渗透压力和气温、坝体变形相关系数普遍不大，说明渗压水位受两者影响较小。

5) 该工程渗透压力仪器采用了进口渗压计，在安装前均进行了检验测试，电缆也进行了耐水压测试，各项指标均满足设计要求，在施工过程中也严格按照规范和设计要求进行了安装。在发现渗压计出现渗压水头后，根据DL/T 1271-2013《钢弦式监测仪器鉴定技术规程》[2]，对渗压计进行了现场检验，其频率极差、温度极差、绝缘电阻等检测结果均满足规范要求，可判断仪器工作状态为正常，基本可排除由于仪器本身以及电缆问题引起的测值异常。

3 成因分析

通过查阅施工资料和分析监测数据，对出现渗漏通道的原因分析如下：

(1) 该拱坝位于我国西北边疆，环境条件恶劣，年温差最大达80 ℃，对拱坝施工和运行十分不利。为了改善该拱坝的工作状态，设计单位制定了严格的温控措施，并在拱坝内部布置了大量温度计及时监测坝体温度情况。

(2) 每年11月至次年3月处于冬歇期停止施工，由于入冬前浇筑的混凝土因冬季散热致使表面温度较低，而来年浇筑的混凝土因水化热温升导致温度较高，致使上下层温差过大而易产生水平裂缝。因此，该工程采取了塑料膜、保温被、喷涂发泡聚氨酯等保温措施[3]，并在来年浇筑混凝土时采取严格的温控措施，控制混凝土的最高温度，以减小新老混凝土上下层温差，降低结合面温度应力，并在越冬面布置了温度计和测缝计来观测温度，掌握新老混凝土结合情况。

(3) 从监测数据看，根据浇筑期最高温度控制标准，主监测坝段存在部分测点超标现象，但整体超标幅度不大，最高温度31.1 ℃。混凝土浇筑后进行了通水冷却，根据“混凝土的日降温速度控制在每天0.5～1.0 ℃范围内”的温控要求[4]，通水冷却降温幅度整体控制较好，主监测坝段实测共有9处通水冷却时降温速率超标(1.0 ℃/d)，日降温速度控制达标率为91.7%。该工程从最初建设到蓄水，历时5 a，经历了多个冬季低温的考验，从冬季温度监测成果来看，主监测坝段和越冬面存在个别测点温度低至零度的情况，这对拱坝的应力控制不利。

以9号坝段601.00 m高程的T2-17测点为例，其测点过程线见图8，可看出：混凝土浇筑初期，受水化热影响，温度逐渐上升，最高温度为28.6 ℃，略高于夏季最高温度控制标准26 ℃。

图8 坝体典型温度计T2-17测点过程线图

冷却措施分两期：① 一期冷却：开仓前0.5 h即开始通天然河水(春季)或制冷水(夏季、秋季)对开浇混凝土进行一期冷却，冷却时间按混凝土降温幅度控制，约束区为6～8 ℃,自由区为8～10 ℃；② 中期冷却：每年9月份对当年4—7月份浇筑的混凝土,10月份对当年8、9月份浇筑的混凝土进行中期冷却，冷却采用天然河水，冷却时间按混凝土温度降到16～18 ℃为准。

T2-17测点一期冷却日降温速率小于1.0 ℃/d，降温幅度6.5 ℃；二期冷却日降温速率小于1.0 ℃/d，温度降至16 ℃，满足冷却温控要求。

(4) 根据设计指标，施工期坝体主拉应力应小于0.5 MPa，渗水部位附近应变计组历史最大拉应力大部分超过该指标，虽然未超过混凝土抗拉强度，但不能排除上游面出现裂缝的可能性。

(5) 总体来看，大坝温控措施基本到位，但也存在个别部位上游侧混凝土温度较低现象。异常渗压计对应高程靠上游侧温度计最低温度统计见表5，可以看出有渗透压力的5个部位上游侧混凝土温度有接近或低于0 ℃的现象。结合上游侧混凝土温度和应力监测数据，推断冬季坝体上游侧表面温度较低引起较大的拉应力，从而造成上游面混凝土出现裂缝。在蓄水阶段，由于水压作用，个别位置裂缝还有一定程度的扩展，从而造成坝体上游侧混凝土内渗压水头出现增长的现象。

4 结 语

(1) 温度控制[5-9]是拱坝建设至关重要的一个环节，特别是位于高寒地区的拱坝，除混凝土浇筑过程外，在冬季低温时段，对上下游面和越冬面混凝土的保护措施要执行到位，需布置足够数量的温度计，掌握大坝温度情况，及时反馈并指导施工。

表5 坝体渗压计对应高程上游侧温度计最低温度统计表

(2) 拱坝监测设计时应充分考虑多个监测项目相结合，拱坝上游侧混凝土内布置了温度计、应变计、渗压计、裂缝计等多个监测仪器，在出现异常时，可综合分析，相互验证，有利于准确了解大坝工作状态。

(3) 虽然坝体上游侧个别部位出现渗压水头，但总体来看，扩展深度不大，廊道内也未发现明显渗水点，对坝体的整体性影响不大。从截至2019年底的监测数据来看，坝体渗压未有进一步的增大，且个别部位还有一定程度的减小，说明拱坝自身应力调整有利于裂缝的闭合。