高坝回填及充水前后坝踵及廊道顶拱响应分析

付雨晨，胡 昱，谭尧升，周孟夏，刘春风，裴 磊

(1.浙江海洋大学,浙江 舟山 316100;2.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084;3.中国三峡建设管理有限公司,四川 成都 610041)

特高拱坝施工期基坑充水是坝体首次承担水荷载[1]，是实现初期蓄水阶段目标的重要体现。大坝基坑充水过程中，大坝混凝土受力会发生相应改变，往往对坝体重点部位廊道顶拱混凝土应力、温控龄期控制等产生影响。在施工期大坝浇筑过程中，大坝廊道顶拱会产生相对较大的拉应力，如不及时进行基坑充水会造成开裂[2]等危害大坝安全的严重问题，因此本文结合现场实际监测数据以及仿真分析开展基坑充水高度及时机分析对大坝重点部位工作性态研究，无论对高坝设计理论的完善还是对重点部位防裂、确保大坝运行稳定都具有重要意义。

目前，国内外结合现场实际监测数据针对高坝上游基坑充水前后廊道顶拱应力响应的研究鲜有报道。根据国内外最新研究进展：关注上游基坑充水对大坝工作性态的研究，É.K.Aleksandrovskaya[3-4]基于大坝位移位移监测资料，发现在充水过程中大坝表现为整体效应，大坝的垂直变形与大坝充水过程具有较强的关联性；A.Savich等[5]的研究表明充水过程显著改变了大坝-基础的荷载和变形分布；罗丹妮等[6]基于溪洛渡拱坝初期蓄水过程的原型监测成果，系统仿真分析了大坝充水、蓄水过程，对大坝整体工作性态的影响。充填过程产生的静水负荷载的变化对大坝整体变形应力状态有显著影响；大坝整块之间的横缝几乎在浇筑大坝的整个高度上都受到压缩，并且随着蓄水水位高度的增加，其缝隙逐渐减小；采用数值计算手段对坝体应力分析，研究分期施工对自重应力[7]的影响，以及分期封拱与分期蓄水[8]对水荷载应力的影响，指出自重施加方式、封拱灌浆及蓄水过程均对坝体应力的分布特征和变化规律有较大影响，认为特高拱坝的应力计算宜按分期浇筑、分期封拱及实际分期蓄水过程模拟；胡波等[9]采用原型监测法对坝体和坝基变形的分析。周秋景等[10]对小湾拱坝、李家峡拱坝的垂线、坝基多点变位计等监测资料进行了分析研究，重点探究库水位、气温与坝体和坝基变形的关系。结果表明，坝体水平变形主要受库水位和气温影响，水荷载使得坝体向下游和两岸位移变形加大，其中坝体上部变化更为敏感，而坝体竖直变形主要表现为下沉变形；大坝顺河向位移随库水位升高而增大，坝基在河床部位沉降较大、两侧较小。

1 工程概况

西南某高坝为双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m，坝顶厚度14.0 m,居世界特高拱坝之列。最大拱端厚度83.91 m,含扩大基础最大厚度95 m，大坝坝顶弧长约709 m，分为30条横缝，共31个坝段，大坝不设纵缝，采用通仓浇筑。多年平均气温21.95℃，最低月平均气温13.3℃，较为温和，全年有8个月月平均气温超过20℃，高温季节时间长。坝址区干湿季分明、日照强，冬季干燥、风速大，需加强混凝土养护，防止混凝土开裂；夏季气温高、多雨，需要做好混凝土雨季浇筑的仓面降温及防水工作。坝身有6个表孔、7个深孔、6个导流底孔，坝身开孔较多，结构较为复杂。随着坝体浇筑高程增加，拱坝倒悬影响坝体逐渐向上游倾斜，坝踵处压应力逐渐增加，坝体重点部位廊道顶拱处拉应力增大。这对拱坝温控防裂带来不利影响，一旦产生较严重的贯穿裂缝，会削弱坝体承受水压荷载的刚度，影响大坝的整体性，并使其受力状态受到影响。因此本文基于监测数据与计算分析互为验证的方法，为防止产生对坝体安全不利的裂缝，重点论述廊道顶拱处工作性态，根据现场监测资料显示，在回填及充水前廊道顶拱拉应力逐渐增大，因此有必要及时开展坝前回填及充水工作。

2 大坝重点部位工作性态分析

2.1 计算模型

本次计算模型采用高坝三维仿真模型，高坝三维仿真模型网格的节点数为170 487个，单元数总数149 085，坝段595 m以下为C40混凝土，坝段595～679 m为C35混凝土，坝段679 m以上为C40混凝土，有限元模型见图1。

图1 高坝三维仿真模型

2.2 边界条件及相关参数设置

本文采用高坝三维仿真模型为例，考虑温度荷载、自重、回填压力以及水压力的影响，蓄水前为第三类边界条件，蓄水后为第一类边界条件。采用三维有限元方法对其进行仿真分析，研究了不同高度下回填压力以及水压力对大坝重点部位廊道顶拱处的横河向和顺河向的应力应变[9]影响，见图2。

图2 边界条件示意

混凝土绝热温升[11-12]。采用指数型经验公式计算混凝土的绝热温升：

(1)

式中T——龄期t天时混凝土的绝热温升值,℃；θ0——混凝土的最终绝热温升值；t——混凝土龄期,d；n——常数。

混凝土及基岩热力学相关参数的取值见表1。

表1 混凝土及基岩的热力学参数取值

混凝土弹性模量[11-12]。考虑混凝土弹性模量随龄期的变化，本文采用指数型表达：

E=E0×(1-e-at)

(2)

式中E0——混凝土的最终弹性模型,GPa；a——弹性增长的速率参数，a=0.1；E——龄期t天时混凝土的弹性模量值。

2.3 计算工况

本文共计算了5种工况，即坝体当前状态回填高度600 m、回填到612 m充水到628 m、回填到600 m充水到609 m、回填到600 m充水到618 m、回填到600 m充水到628 m。通过选取的现场监测仪器廊道应变计和廊道钢筋计结合5种仿真模拟计算，论述坝前回填及充水对于廊道顶拱应力的影响。

3 基坑回填及充水高度对大坝重点部位廊道顶拱处工作性态影响分析

3.1 仿真模拟分析

廊道混凝土结构属于孔口结构，散热面多且散热不均匀，且外部约束和内部约束复杂，施工期存在一定开裂风险的位置主要发生在基础灌浆廊道顶拱处。由于自重的逐渐增大，廊道顶部拉应力逐渐增大，从而产生微裂纹，所以探究基坑回填充水对于廊道顶拱拉应力影响对于大坝防裂具有重要意义。随着坝高和封拱灌浆高程的增加，河床坝段廊道顶拱处逐渐出现较明显的拉应力，所以考虑大坝自重应力和温度应力[13]荷载，坝体倒悬会增加表层开裂风险，要进行基坑回填或充水改善廊道顶拱的应力情况。不同基坑回填及充水高度下对应的河床坝段廊道顶拱应力应变见图3—7。

a)横河向应力云

a)横河向应力云

a)横河向应力云

a)横河向应力云

a)横河向应力云

依据计算结果可见，基坑回填及充水对廊道顶拱的应力有所改善，廊道顶拱存在较大的拉应力(2 MPa左右)，而基坑回填与充水会在廊道顶拱产生一定的顺河向压应力，且数值随着回填高度以及充水高度的上升而上升。当回填至612 m且充水高度为628 m时，廊道顶拱产生约为1.87 MPa的顺河向压应力，相比于回填到600 m顺河向最大压应力增加了1.24 MPa；当回填高度为600 m且充水高度分别为609、618、628 m时，顶拱部位的最大顺河向压应力分别为1.29、1.51、1.76 MPa，相比于回填到600 m顺河向最大压应力分别增加了0.66、0.88、1.13 MPa。依据顺河向应变结果可见，基坑回填与充水会在廊道顶拱产生一定的顺河向压应变，且数值随着回填高度以及充水高度的上升而上升。当回填至612 m且充水高度为628 m时，廊道顶拱产生约42.76个顺河向微应变，相比于回填到600 m顺河向最大微应变增加了28.30；当回填高度为600 m且充水高度分别为609、618、628 m时，顶拱部位的最大顺河向微应变分别为29.52、34.51以及40.12，相比于回填到600 m顺河向最大微应变分别增加了15.06、20.05以及25.66。

3.2 安全监测数据分析

由于坝体监测数据量庞大，因此本文重点挑选有代表性的监测数据图表进行分析。廊道应变计时程线、部分典型的廊道钢筋计见图8、9，由于2019年上半年进行了坝前600 m高程以下回填高度，因此重点对回填完成附近的时间段进行监测数据的筛选与分析，可以更好地掌握基坑回填充水前后的廊道顶拱应力应变响应。本文选取2019年3月至6月间的数据变化，对选取的11坝段廊道应变计曲线进行分析可知,坝前回填会在廊道顶拱产生一定的压应变，有助于改善廊道区域的应力水平。对选取的24坝段以及11坝段廊道钢筋计曲线进行分析可知，廊道拉应力分别由18.11 MPa减小到4.39 MPa，8.7 MPa发展为18.19 MPa的压应力。综上可知，坝前回填减小廊道处的应力状态，改善廊道应力，这对抑制廊道出现裂缝、保证大坝正常运行起到重要作用。且坝前回填还可在上游充水前对坝体施加一定推力，减小坝址和拱端拉应力，从而降低其开裂风险。而未经处理的坝前基坑开挖面岩体分布裂隙，当蓄水后，高水头库水进行裂隙，易产生水力劈裂破坏帷幕[14]，不利于坝基长期防渗与稳定。进行坝前回填及充水，不仅可以使其拉应力减小，降低大坝关键部位廊道开裂风险，还可改善基岩卸荷松弛变形，所以进行坝前回填及充水相关工作已经成为高坝初期蓄水前的关键工序。

a)坝段EL.600 m廊道应变计S1600-11-1

b)坝段EL.600 m廊道应变计S1600-11-2

a)坝段EL.596 m廊道钢筋计RJC-24-1

4 不同充水高度对坝踵工作性态影响分析

在拱坝未充水前，由于坝体浇筑高度逐渐增加，各个坝段自重也在增加，再加上坝体倒悬的影响使得坝踵处垂直方向压应力随时间增加而增大。其中河床坝段由于承受的水压力最大，浇筑高度最高，相应的压应力也最大。本节主要研究充水到不同高度下对坝踵处的工作性态影响。

从垂向应力结果(图10、11)可以看出，当充水高度分别为609、628 m时，垂向最大拉应力分别为1.99、2.89 MPa，相对于当前状态垂向最大拉应力分别增加0.32、1.22 MPa；垂向最大压应力分别为0.75、1.49 MPa，相对于当前状态垂向最大压应力分别增加0.20、0.94 MPa。随着充水高度的增加，坝踵处拉应力逐渐增大，且基坑充水可以在坝基面靠近上游处产生压应力，坝基面下游处产生拉应力，通过应力叠加可看出基坑水可以有效改善坝体整体受力情况，使受力状态分布更加均匀，有利于坝体整体安全，并减小开裂风险，拱坝开裂会对整个坝体的安全性、耐久性和稳定性等造成非常不利的影响。

图10 充水到609 m坝体垂直方向应力云

图11 充水到628 m坝体垂直方向应力云

5 结论

基于实测和数值仿真模拟计算结果，选取廊道应变计以及廊道钢筋计对西南某高坝的重点部位廊道顶拱工作性态进行研究和分析，主要得到以下几点认识。

a)自动化监测自坝体回填及充水前开始进行监测，可以较为完整、细致地捕捉坝踵、坝址以及坝体重点部位廊道等应力发展趋势，为大坝安全状态评估提供了基础数据支撑，通过廊道应变计和廊道钢筋计监测结果可以更好地了解廊道处的应力情况，在出现较大拉应力前及时回填并充水。这不仅可以预防廊道处产生裂缝影响坝体安全，可以在后期更好的与上下游水电站联合调度，在经济和生态效益中都有着突出贡献。

b)研究大坝重点部位廊道顶拱真实工作性态验证了基坑回填及充水对重点部位廊道顶拱应力有所改善，模拟效果与廊道钢筋计和廊道应变计等监测数据趋势较吻合。基坑回填以及充水会在廊道顶拱产生一定的压应力，且数值随着回填高度以及充水高度的上升而上升。所以应尽早开始充水工作，并密切关注相关安全监测数据，为工程提供参考建议。

c)基坑充水能够在坝基面靠近上游处产生拉应力，而在靠近下游出产生压应力，通过应力的叠加可以看出基坑充水能够有效改善坝体应力状态，使得应力分布更加均匀。

致谢：本研究得到中国三峡建设管理有限公司谭尧升博士等相关人员的大力支持，在此表示衷心感谢！