某水电站拱坝施工期横缝二次张开原因探析

崔 伟 杰

(雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

在拱坝建设中，为了减小沿坝轴向的温度应力，适应地基的不均匀变形，配合施工的浇筑能力，必须要设置若干垂直于坝轴线的横缝[1]，施工期间当坝体依靠人工冷却措施达到规定温度并且横缝开度足够时，将进行接缝灌浆，使大坝形成整体。可见，横缝的工作性态对坝体施工组织的关键时间安排有着决定性的作用[2]。在一些实际工程中，水电工程拱坝已灌横缝在施工期出现二次张开现象，相关原因[3，4]和处理措施[5，6]较为复杂。因此，分析此类问题产生原因以期对类似工程提供宝贵经验。

某水电站挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，最大坝高155 m，拱冠梁顶宽9 m，底宽32 m，厚高比0.206，坝身布置4个表孔，3个中孔，拱坝共分17个坝段，16条横缝，横缝为竖直缝面，并在坝基附近调整为折缝，与建基面大角度相交，灌浆区高度9～12 m。

2 测缝计数据分析

截至2020年5月31日，大坝第八灌区接缝灌浆至EL.2 019 m，监测成果显示，7～10号横缝测值灌后有不同程度的增加，接缝开合度分布见图1、2，各图以接缝灌浆后测值为基准值绘图。

为监测坝段间横缝开合度情况，已在第一灌区至第六灌区的5～12号横缝共计埋设了105支测缝计，7～10号横缝测缝计测值灌后均有不同程度的增加，其中9号缝灌后开度增加明显，主要是第四层灌区及以下，最大为第一层灌区上游面为2.11 mm。9号缝灌后开度各层上、中、下三支测缝计上游大、中间次之，下游最小，其中，各层上游测缝计变化量分别为2.11 mm、1.64 mm、1.53 mm、0.57 mm、-0.09 mm、0.18 mm。9号缝开度测值在2019年12月6日～12月14日之间有一次明显增加，幅度约0.8～1.5 mm，12月6日前测值平稳，12月14日后总体平稳略有缓慢增长。9号横缝EL.1951.5 m测缝计测值过程线见图3。

图1 拱坝6～12号接缝开合度分布图

图2 高程1 951.50 m坝体接缝开合度分布图

图3 9号横缝EL.1 951.5 m测缝计测值过程线

3 钻孔检查成果

根据横缝开度测值异常情况并结合现场实际，在相关横缝布置了检查孔，开展了钻孔取芯、钻孔电视及压水试验。

9号横缝检查孔布置见图4，压水试验证明，9号横缝第一、第二层灌区检查孔之间未串通，第三层灌区靠近下游坝面的检查孔串通。因此，横缝整体张开的可能性不大，其余横缝出现情况类似，即已灌横缝整体张开的可能性不大。

图4 9号横缝检查孔布置图

另外，在9号缝EL.1955基础廊道布置骑缝检查孔，检查孔芯样大部分较为完整，在底部止浆片处断开，大部分缝面位置可见浆液填充，底部止浆片至坝基段芯样仅在靠近止浆片处有少量浆液痕迹，无浆液二次填充现象(若有，则表明在接缝灌浆后存在二次张开并被其他灌浆施工串入填充的可能性较大)。孔内电视成果显示大部分缝内水泥结石充填饱满，未充填水泥结石部分张开宽度小于1 mm。

4 坝基变形和应力监测分析

为监测河床坝段坝基岩体的内部变形情况，在大坝8号、9号坝段坝基分别布置1套、2套四点式基岩位移计，钻孔均竖直向下，锚头深度(入基岩)均为6 m、16 m、27 m、40 m，监测布置见图5。

随着大坝坝体浇筑高程升高，受坝体自重影响，8号、9号坝段坝基岩体压缩变形逐渐增大，均呈现孔口压缩变形较大以及基岩深度越大其压缩变形量越小的分布规律。 9号坝段坝基上游侧测点最大压缩变形量为7.00 mm(孔口)，测值过程线见图6，坝基下游侧测点最大压缩变形量为1.31 mm(孔口)。坝基各多点位移计测值增加速率较平稳，无明显异常。

为监测河床坝段坝体混凝土与建基面之间的结合情况，在大坝8号、9号坝段坝基分别布置3支测缝计，9号坝段测缝计测值过程线见图7。

图5 河床坝段坝基多点位移计布置图

拱坝8号、9号坝段坝体与建基面之间的上游侧、中部和下游侧接缝测点自始测后测值均为负值，即显示接缝均处于闭合状态。截至2020年4月2日，8号、9号坝基接缝测点最大值分别为0.01 mm、0.01 mm，最小值为-0.91 mm、-1.32 mm。各测点测值平均速率在0.008 mm/d以内，量值较小。另外，9号坝段坝基中部测点测值从2019年12月20日后出现一定增加，但目前仍为负值。总体上，各接缝测点测值变化无明显异常，接缝状态正常。9号坝段上游、中部及下游侧的接缝测点测值较接近。

为监测河床坝段坝体混凝土与建基面之间有压应力情况，在大坝8号、9号和11号坝段坝基分别布置3支、3支、2支压应力计，压应力计与测缝计结合布置，两者监测成果可相互验证并进行对比分析。拱坝9号坝段坝基压应力计测值过程线测值过程见图8。8号、9号、11号坝段坝基压应力均处于受压状态，测值变化无明显异常。8号坝段坝基上游侧压应力要大于下游侧，9号坝段坝基上游侧与中部压应力较接近、且稍大于下游侧，11号坝段坝基下游侧压应力大于上游侧。各测点近一月间的测值变化量在-0.13～0.08 MPa之间，平均变化速率在-0.005～0.003 MPa/d之间，量值较小，无异常。

从坝基变形、应力监测数据来看，均显示正常，与横缝测缝计测值异常无关联。

图6 拱坝9号坝段基础EL.1947 m多点位移计测值过程线

图7 9号坝段坝基测缝计测值过程线

图8 拱坝9号坝段坝基压应力计测值过程线

5 气温、地温和混凝土温度分析

自2019年6月后坝址气温逐渐降低，2019年12月初气温有一定降低，2020年1月后气温逐渐开始回升。2019年11月平均气温为13.5℃，12月平均气温为8.7℃，比11月降低了4.8℃，气温降低导致混凝土温度降低，可能对横缝上下游表面灌后张开有一定影响。

2019年12月拱坝9号坝段坝基浅层岩体温度、混凝土温度受外界气温影响，略有降低，低高程混凝土温度变化幅度很小。灌浆后，缝左右坝块的内部温度变化比较平缓，基本呈缓慢下降趋势，符合温度变化一般规律，且灌浆后到2019年12月期间，总体温度降幅最大2℃～3℃，此降幅不足以造成超过1 mm的缝张开。

6 施工干扰定性分析

9号缝开度测值在2019年12月6日～12月14日之间有一次明显增加，幅度约0.8～1.5 mm，12月6日前测值平稳，12月14日后总体平稳略有缓慢增长，由此推测，受外力扰动的可能性较大。

接缝灌浆：9号横缝于2019年11月23日实施第三层接缝灌浆，2019年12月25日实施第四层接缝灌浆。已灌区上部接缝灌浆可能导致相邻下层灌区横缝开度增加，但出现最底部灌区横缝开度大于上部灌区的可能性很小，且接缝灌浆压力较小(排气压力为0.35 MPa)，接缝灌浆施工干扰导致横缝开度异常基本可排除。

帷幕灌浆压力最大为5 MPa，引管固灌最大为2.5 MPa，2019年12月6日～14日在8号、9号、10号坝段进行帷幕灌浆施工(图9)。位于10号坝段，紧邻9号横缝的主帷幕孔JC-ZWM-117+1，第3、4、6、7、9段灌浆量较大，分别为653 L、1 434 L、2 280 L、7 014 L、2 402 L，灌浆压力为3～5 MPa。2019年11月16日～27日展开8号坝段接触灌浆施工。2019年12月29日～2020年1月1日展开11号坝段接触灌浆施工。横缝开度异常存在受上述灌浆施工干扰的可能。

7 仿真分析

国内对施工期混凝土拱坝横缝问题通过围绕模拟手段展开大量研究[7-9]，笔者采用全坝全过程仿真分析，在考虑温度及混凝土自重的工况下，重点分析温度影响、地质条件影响、单纯自重倒悬影响、是否灌浆成拱影响以及灌浆强度不足影响等，5个计算工况见表1，最后综合评价其可能成因。

工况1结果显示：灌浆前后，已灌的三个灌区，9号横缝面未见张开，缝面基本上全部为压应力。上下游面附近以及灌区交界面有部分拉应力，但均小于缝面强度(2.89 MPa)，最大拉应力1.2 MPa，发生在坝体表面。不考虑温度应力的工况2的结果显示：2019年12月初，下部三个灌区的9号横缝面全部受压，第三灌区顶部靠近上游侧，受倒悬影响，有0.1 MPa左右的拉应力。因此，对比工况1可知：造成表面较大拉应力的原因主要是温度作用，引起的拉应力大约为1.1 MPa。随着大坝浇筑，倒悬作用影响较明显的区域主要集中在1 970 m高程至2 000 m高程区间，倒悬引起的最大拉应力为0.35 MPa，而对最下部两三个灌区的表面受拉影响较小。且变形图也表明倒悬使9号横缝张开最大，其他横缝张开有限。工况3研究了横缝若不灌浆的大坝性态，重点关注缝面应力同工况1灌浆情况的差异，灌浆后成拱，拱梁联合受力，不灌浆情况下拱梁发挥主要作用。由计算结果可知，成拱后在自重和温度作用下缝面压应力呈增大趋势，而不灌浆工况应力基本不变。缝面强度为1 MPa时，只考虑自重作用，全坝仿真计算显示缝面未拉开，开度和应力规律同工况2一致。从工况2和工况3的整体缝张开情况来看，在温度和自重综合作用下，各个横缝开度基本一致，仅在自重作用下，灌浆压力影响粗略估计0.3～0.4 MPa的面力对缝开度影响为0.5 mm以内。工况5只考虑自重荷载，基础为均一弹模，对比工况2可知，基础地质条件(9号和10号基础附近小范围Ⅲ1类岩体)对缝面应力影响大概为拉应力增加0.05 MPa，说明基础的劣化岩体对横缝开度有一定的作用，但量值不大。因此，温度荷载、自重和倒悬不是横缝开度异常的主要原因。

图9 2019年12月帷幕灌浆和引管固灌灌浆施工作业部位图

表1 计算工况表

8 结 语

根据各类监测数据、芯样检查和仿真分析判断，大坝横缝未整体张开，坝基压应力均处于受压状态，测值变化无异常，与横缝开度异常无关联。灌浆后混凝土总体温度降幅较小，不足以造成超过1 mm的横缝张开，接缝灌浆对横缝张开的影响较小，帷幕灌浆施工作业时间与横缝开度异常有一定吻合，但根据岩芯判断不能确定是受帷幕灌浆影响。

气温逐渐升高且随着大坝高度增加，重心将逐步向下游偏移。因此，根据类似工程经验，预计横缝开度将逐步减小，故建议近期对灌后增开度大于0.5 mm及检查孔存在串通情况的横缝缝面采用湿磨细水泥进行补充灌浆，对灌后增开度小于0.5 mm且监测表明无进一步增开趋势的横缝不进行补灌。