严寒地区某拱坝安全监测设计及施工期监测成果分析

谢晓勇

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

某水利枢纽位于新疆北疆严寒地区，枢纽建筑物主要由常态混凝土双曲拱坝、溢流表孔、放水深孔、发电引水系统、电站厂房几部分组成。大坝为全断面常态混凝土双曲拱坝，最大坝高94 m，全长319.646 m。水库正常蓄水位646.0 m，总库容2.22×108m3，电站装机容量220MW。枢纽工程等别为Ⅱ等工程，工程规模为大(二)型。

大坝安全监测的目的：监控安全、验证设计、检验施工、和指导运行[1-5]。本文介绍拱坝安全监测的设计布置和施工情况，并结合施工期观测成果，分析拱坝温度、裂缝、应力应变等方面变化。

2 监测设计

该拱坝分为22个坝段，设置了三层廊道，分别为560 m、595 m和620 m高程廊道。遵照安全监测设计突出重点、反映全面的原则，选取6#、9#、13#坝段作为重点监测坝段。

2.1 监测设计控制标准

2.1.1 温度

根据设计封拱温度及容许温差控制要求，制定不同浇筑月份容许最高温度。控制混凝土最高温度的方法主要为降低入仓温度和一期通水冷却，拱坝混凝土浇筑后最高温度的控制标准见表1。

表1 混凝土最高温度控制标准 单位：℃

为了防止水管冷却时水温与混凝土浇筑块温度相差过大和冷却速度过快而产生裂缝，混凝土的日降温速度控制在每天0.5℃～1.0℃范围内。

2.1.2 应力

根据规范，结合本工程特点，同时考虑到拱坝是一个空间受力体系，处于三维受力状态，为了保证混凝土拱坝的整体性和工作可靠性，在坝体表面做永久保温条件下，应力控制标准见表2。

表2 拱坝应力控制标准

2.1.3 其它

技术警戒值是大坝在一定工作条件下的变形量、渗漏量及扬压力等设计值，或有足够监测资料时经分析求得的允许值(允许范围)，根据技术警戒值可判定监测物理量是否异常。在水库首次蓄水阶段，根据设计理论计算和模型试验成果，并参考类似工程经验提出本拱坝的设计警戒值见表3。

表3 拱坝设计警戒值

2.2 监测设计布置情况

拱坝安全监测设计主要包含变形、应力应变及温度、渗流、强震监测4个方面。

2.2.1 变形监测

(1)水平变形

在6#、9#、13#坝段各层廊道中分段设置正垂线(共9条)，分别和基础廊道的倒垂线衔接，监测坝体水平绝对变形和挠度；在2#、6#、9#、13#、20#坝段布置了5条倒垂线来观测坝基水平变形。

(2)垂直变形

在2#、6#、9#、20#坝段布置了4个双金属管标来观测垂直位移；并在560 m高程纵向廊道8#～11#坝段和597 m高程纵向廊道6#～13#坝段各布置了1条静力水准来观测大坝垂直位移，共12个测点。

(3)坝基变形

为监测坝踵和坝趾部位基础变形情况，在6#、9#、13#坝段的坝踵部位和坝趾部位埋设多点位移计监测基础不同深度处的受压变形，共布置了6组多点位移计(四点式)。

(4)横缝监测

在坝体典型横缝上布置测缝计来观测横缝开合情况，分别在4#、6#、8#、10#、13#、15#横缝处按高程在其上下游布设测缝计，自坝基垫层555 m开始，每10 m一个标准灌区，在每个灌区的中间高程布设相应的测缝计，6条横缝共布设单向测缝计88支。

(5)裂缝监测

在坝基和坝体出现裂缝几率较大的部位布置了裂缝计来监测裂缝，其中坝体布置了23支，坝基布置了16支。

2.2.2 应力应变及温度监测

选择6#、9#、13#共3个坝段作为重点监测坝段，具体监测项目如下。

(1)应力应变监测

为监测坝体应力应变情况，在6#、9#、13#坝段布置了五向应变计和无应力计来观测混凝土应力应变情况，共布置了20组应变计组。

为了解拱端应力情况，分别在559 m、581 m、601 m、607 m和625 m拱圈拱端处布置了五向应变计和无应力计，共20组应变计组。

(2)温度监测

为了解施工期的温控处理效果，在6#坝段布置37支温度计，9#坝段布置39支温度计，13#坝段布置31支。

为监测基岩温度情况，在6#、9#、13#坝段基岩各埋设了5支温度计来观测基岩不同深度的温度。

2.2.3 渗流监测

(1)坝基扬压力

在纵向廊道3#～18#坝段布置测压管，内置渗压计，共布置16个测点。在6#、9#、13#坝段横向廊道顺河向布置扬压力测点，共12个测点。

(2)渗透压力

选择6#、9#、13#坝段，在混凝土中埋设渗压计，监测混凝土渗透压力，从而评价混凝土的施工质量和防渗效果。

(3)渗流量

在坝基灌浆廊道和左右岸灌浆平洞内布置8个量水堰来监测大坝渗流量大小。

(4)绕坝渗流

分别在575 m、605 m、649 m高程左右岸灌浆平洞内布置23个测压孔来监测绕坝渗流情况。

2.2.4 强震监测

在大坝设置3台强震仪来监测大坝震动荷载反应情况。

3 监测成果分析及评价

拱坝在施工期建立了临时自动化监测系统，取得了连续、可靠的观测数据，做到了全面、同步、及时而准确地反映出各部位在施工期过程中的变化。拱坝在施工期及首次蓄水期主要监测项目的监测成果如下。

3.1 变形监测

基岩变形目前已较为稳定，受固结灌浆影响，2011年冬季个别测点位移有突增现象，其余时段无异常变化；基岩深处温度较为稳定，目前基岩温度在8℃左右。

拱坝左右岸坝肩陡峭、高差大、地质条件复杂。蓄水后变形统计表见表4。拱坝左右坝肩蓄水后整体位移不大，个别点有约20 mm左右的顺坡向位移，符合蓄水后正常变形情况。

表4 拱坝坝肩测点位移量统计表

3.2 裂缝及横缝监测

从坝体裂缝计监测数据来看，除K2-3测点外，其余裂缝计测值变幅在1 mm以内。9#坝段559 m高程K2-3测点，在2014年5月11日的-0.08 mm增大到5月13日的0.66 m，与固结灌浆施工有关，其后测值稳定，裂缝无变化。

3.3 坝体温度监测

温度监测资料可以看出，浇筑温度随季节变化比较明显，高温季节高、低温季节低，基本反映了季节温度对混凝土浇筑温度的影响，规律性较好。

蓄水前各层年均温度较为均匀，在7.5℃～10℃之间，均高于多年平均气温(5℃)，9#坝段各层年均温均超过9℃。2014年7月水库蓄水后，坝体温度继续下降，至2016年8月基本降至多年均温，坝体混凝土水化热基本完成。

3.4 混凝土应力、应变监测

五向应变计组实测混凝土应变数据说明，施工期三个主监测坝段均出现拉应力，但6#、13#受拉较轻、分布零星，9#坝段受拉较明显，且集中分布在581 m～601 m间。水库蓄水后，随库水位上升，大部分测点向压应力方向变化，对坝体拉应力减小起到了显著作用，最大拱向拉应力减小至1.09 MPa。

拱端大部分处于受压状态，仅17#坝段601 m高程上游侧以及607 m高程上游侧拉应力略大，蓄水后最大拉应力小于1.1 MPa。

部分坝体出现拉应力的原因，通过无应力监测成果分析，温降引起的收缩未必是最主要的，混凝土自生体积变形收缩不可忽视，甚至有时它起的作用比温降更大。

3.5 坝基扬压力监测

施工期坝基大部分处于无压状态，只有9#坝段约有1.5 m水头。水库蓄水后，坝基杨压力随库水位升高增大，但普遍较小，整个坝基杨压力都小于设计指标，说明坝基防渗灌浆效果好。

4 结语

(1)变形监测：坝基基岩变形已较为稳定；拱坝左右岸坝肩累计位移量及蓄水后位移变化量均不大，坝肩基本稳定。

(2)裂缝及横缝监测：坝体受灌浆施工影响，个别部位存在裂缝，接触灌浆后，测值稳定。

(3)温度监测：坝体除局部温度偏高外，大坝整体混凝土浇筑温度及封拱灌浆温度均满足控制标准，蓄水后坝体温度持续下降，已基本降至最终温度；越冬面新老混凝土上下层温差均满足设计要求的允许温差，新老混凝土结合情况较好。

(4)应力应变监测：三个主监测坝段及拱端均存在有拉应力，出现拉应力的部位混凝土自身体积变形收缩率也较大。水库蓄水后可改善坝体应力状态，拉应力显著减小。

(5)扬压力监测：施工期坝基大部分处于无压状态，水库蓄水后坝基杨压力升高，但均小于设计值，坝基防渗效果好。

总体来看，该拱坝除局部坝体温度偏高外，其它如大坝基础变形、坝体应力等基本均在设计指标范围内，根据大坝安全监测成果评价，大坝在施工期和首蓄水期工程性态满足设计要求，运行状态是安全的。