象鼻岭碾压混凝土拱坝结构设计及预设缝实测性态分析

尹光景，李民

（1.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙，410004；2.武汉大学水利水电学院，湖北武汉，430072）

0 引言

象鼻岭水电站位于贵州省威宁县与云南省会泽县交界处金沙江右岸一级支流牛栏江，其挡水建筑物为碾压混凝土拱坝。坝体采用抛物线体型，坝顶高程1 409.50 m，最大坝高141.50 m，坝顶长434.46 m，坝顶宽8.00 m，坝底厚35～38 m，厚高比0.247。拱冠及其相邻两侧各布设1个溢流表孔，堰顶高程1 397.00 m。在3 个表孔相间部位布置2 个泄洪中孔，中孔进口底板高程1 335.00 m。大坝下游设混凝土水垫塘消能。工程于2017 年4 月下闸蓄水，坝体投入挡水至今已运行3年有余[1-2]。

虽然碾压混凝土拱坝建设已有许多经验，但每个工程皆有其特定的坝址地形、地质及水文气象等环境条件，相应结构设计不仅要满足建筑物功能要求，更要保证结构安全，需采取合理的施工工艺来实现设计意图。结合象鼻岭碾压混凝土拱坝结构设计及实际施工过程，根据安全监测所揭示的坝体预设缝实际性态，对结构设计及所采取的施工工艺有效性做出相应评价，有助于进一步提高对碾压混凝土拱坝的认识[3-8]，为今后类似水电工程的建设和运行管理积累经验。

1 坝体结构设计及施工措施分析

1.1 碾压混凝土拱坝结构设计分析

象鼻岭水电工程坝址所在河谷基本成“V”型对称，河面较狭窄且两岸高陡，工程有泄洪排沙的要求，但两岸没有布置河岸溢洪道的合适地形，因此采用碾压混凝土拱坝，通过坝身开孔布设泄水建筑物，很好地解决了泄洪排沙问题，且混凝土填筑采用全断面碾压施工技术，可保持坝体连续上升，比常态混凝土拱坝更为经济。

筑坝的碾压混凝土水泥用量低，采用中胶凝材料及高掺粉煤灰，但由于坝体通仓快速碾压施工且保持连续上升，水泥水化产生的热量不易散发，施工期间温度控制及防裂问题仍然突出。

为满足坝体施工过程中的温控防裂要求，象鼻岭碾压混凝土拱坝在施工过程中采取预设缝措施，预设缝采用诱导缝和横缝两种形式。与常态混凝土拱坝施工过程中的横缝成缝方式不同，此处诱导缝和横缝采用预制混凝土模板组装形成，模板块尺寸为100 cm×27 cm×25 cm。诱导缝沿高程每隔30 cm 布置一层，上下游向各模板块间距一般也为30 cm；横缝模板块则逐层布置，并沿上下游方向紧挨相接，缝面全贯通。诱导缝和横缝标准灌区高度分别为7.5 m和6.0 m，每个灌区内设置全套灌浆设施，并形成各自封闭区。为减少预设缝对混凝土碾压施工的影响，其数量应尽量少，位置则由相应工程经验及仿真计算结果确定，一般设置在温度拉应力较大处。图1～3 分别为象鼻岭碾压混凝土拱坝预设缝位置上游展示图、下游展示图和平面示意图，共预设7条诱导缝和2条横缝。从左岸到右岸，沿坝轴线各缝编号为L3、L2、H1、L1、Z1、R1、H2、R2、R3，位于拱冠左、右侧和拱冠部位的诱导缝编号分别以字母L、R和Z开头，横缝则以H开头。各相邻缝间坝块长度分别为60.53 m、57.84 m、52.92 m、72.74 m、56.95 m、51.79 m和71.64 m，除中间坝段受泄洪布置影响，缝距大多为51～61 m，在满足碾压混凝土坝防裂要求的情况下，尽量减少设缝数，降低对混凝土快速施工的影响。

图1 象鼻岭碾压混凝土拱坝预设缝（上游）Fig.1 Preset joints in Xiangbiling RCC arch dam(view from upstream)

上述预设的诱导缝和横缝实际施工时，皆在相应仓面上由预制的混凝土重力式模板定位拼装成缝，其上、下游端皆距相应上、下游坝面一定距离，上游侧布置两道铜片止水，分别距上游坝面30 cm和55 cm；下游侧布置一道铜片止水，距下游面30 cm。在缝两侧及上方覆盖混凝土跨缝碾压（上、下游侧振捣）密实后，相应碾压高程以下的坝体就形成一个整体，具有拱的作用。预设缝处是抗拉薄弱部位，当温度差形成的拉应力较大时，预设缝会拉裂以释放拉应力，从而使各缝间坝块保持完整。

预设缝方案参考类似工程经验、结合中国水利水电科学研究院和武汉大学对象鼻岭碾压混凝土拱坝有限元仿真计算的结果选定[9-10]。计算时模拟坝体施工及运行过程，考虑混凝土分层浇筑过程、施工间歇，混凝土入仓温度，外界气温、水温的变化，混凝土基础弹性模量的变化，混凝土自生体积变形及徐变影响等复杂因素，模拟预设结构缝的开、合迭代，仿真模拟启裂、扩展、止裂全过程。当时所设定的施工过程仿真计算结果表明：碾压混凝土浇筑至坝顶时，H1、H2 横缝及靠近左、右坝肩的L3、R3诱导缝均全部张开，其余诱导缝处于部分张开状态，张开深度在2～5 m 左右。因此，上述坝体预设缝设置形式能够较好地释放水化热温升引起的超标拉应力，使坝体不出现危害性裂缝。

图2 象鼻岭碾压混凝土拱坝预设缝（下游）Fig.2 Preset joints in Xiangbiling RCC arch dam(view from downstream)

图3 象鼻岭拱坝预设缝位置平面示意图Fig.3 Plane of preset joints in Xiangbiling RCC arch dam

1.2 施工控制措施分析

碾压混凝土拱坝施工期间，要避免坝体产生温度裂缝，除在结构上设置横缝和诱导缝外，还要对坝体温度进行有效控制。为此，象鼻岭工程一方面通过优化坝体混凝土配合比，采用高效减水剂，提高混凝土自身的抗裂能力，另一方面采取埋设冷却水管的方式控制混凝土最高温度，并进行混凝土表面保护控制内外温差。采取一期冷却控制混凝土最高温度；再由中期冷却巩固一期冷却的效果，达到混凝土温控标准的要求，减小内外温差；最后在接缝灌浆前通过二期冷却将坝体混凝土温度降低至封拱灌浆温度，为确保接缝灌浆质量提供条件。

象鼻岭碾压混凝土拱坝高度和混凝土体积均较大。为保证坝体混凝土快速施工，事先根据坝体结构及混凝土材料分区情况，考虑搅拌、运输和浇筑过程中的设备能力、碾压参数和气温等因素，对坝体进行了合理碾压施工分层，以在实际施工过程中，随坝体浇筑高程升高可采用不同混凝土入仓方式，顺利实现混凝土填筑碾压，保持坝体连续快速上升。同时需保证温度控制的持续性和有效性，否则会因混凝土浇筑过程中产生的水泥水化热不易散发，导致坝体温度再升高或长时间保持在较高温度，最终温差过大，对混凝土防裂不利。

2 坝体预设缝实测性态反馈及分析

2.1 坝体预设缝性态监测

工程需要考虑的问题包括：象鼻岭碾压混凝土拱坝为防止施工过程中发生温度裂缝所采取的相关措施的实际效果；坝体温度在混凝土浇筑期间是否得到了有效控制；施工过程中，受温度应力影响，坝体预设缝能否如设计预想如期开裂释放拉应力，从而保证相应坝块的完整性；当预设缝发挥了应有的作用后，经接缝灌浆处理的缝面结合程度，以及能否保证坝体的整体性。为此以象鼻岭碾压混凝土拱坝坝体预设缝为研究对象，通过变形、应力应变监测来反映其性态变化状况，并由温度监测来揭示坝体温度的相应变化。

为监测预设缝的变形情况，在坝体7条诱导缝和2条横缝位于1 355 m、1 370 m、1 390 m、1 405 m高程，距上、下游坝面2 m 处各设1 个变形测点；在1 350 m、1 330 m高程拱圈所经各预设缝距上、下游坝面2 m处各设1个变形测点；在1 280 m、1 290 m、1 310 m高程拱圈所经预设缝距上、下游坝面2 m处及约缝中部位置各设1 个变形测点；在1 318 m 高程H2横缝、1 322 m高程H1横缝距上、下游坝面2 m处各设1个变形测点。

另外在H1 横缝左侧、H2 横缝右侧约5 m 的1 405 m、1 370 m、1 330 m 高程距上、下游坝面2 m处布置应变计组监测附近应力应变状况，在坝体拱冠梁位置设置温度监测断面。上述预设缝变形及应力应变监测仪器兼有测温功能。

2.2 预设缝实测性态分析

2.2.1 坝体混凝土浇筑施工及实测温度变化过程

施工期间，碾压混凝土拱坝坝体温度应力主要受混凝土浇筑速度、温控措施、接缝灌浆等影响。象鼻岭拱坝从2015 年4月21日开始碾压混凝土施工，2017年6月10日浇筑至1 407.5 m高程，并在2016年5月23日—2017年12 月2 日相继完成了建基面至1 407.5 m高程各灌区大坝全部接缝灌浆施工。

当坝体浇筑到测点高程时，即埋设安装相应监测仪器并开始观测，记录下相应测点在坝体施工过程中的温度、预设缝变形及应力应变的变化过程。

图4 为拱冠断面1 266～1 310 m 高程坝体中心各测点实测温度变化过程，其中Tcb-2和Tbc-10测点分别在1 266 m和1 310 m高程，其间各测点间隔2～10 m 不等。实测温度变化过程显示，坝体混凝土填筑后即有一个升温过程，随着一期通水冷却，混凝土最高温升得以削减且温度开始呈下降变化。但坝体中心不同高程的温度变化过程并不完全一致：（1）仅有一个峰值，且上升到最高温度后持续下降直至趋于稳定，说明该部位一期冷却温控效果好，中期冷却有效地保持了一期冷却的降温效果，最后二期冷却使之平缓降至接缝灌浆设计温度；（2）有多个峰值，甚至后续的温度峰值高于第一峰值，说明此部位中期冷却未有效保持一期冷却的降温效果，在上层有新混凝土填筑的情况下，下层混凝土散热条件变差并受到上层新填混凝土温度影响，使混凝土温度二次甚至多次出现峰值；（3）到达最高温升后降温很缓慢，表明一期冷却力度不够且散热情况较差。上述后两种情况会增大二期冷却的降温幅度。

图4 拱冠梁剖面1 266～1 310 m高程坝体中心实测温度变化过程Fig. 4 Temperature change process of dam body center at EL.1 266～1 310 m of crown cantilever section

拱冠梁剖面中心1 266～1 300 m高程实测混凝土最高温度达29.6 ℃～43.1 ℃，1 310～1 334 m高程最高温度达40.4 ℃～50.5 ℃，温度峰值偏高，超出了相应高程区域大坝混凝土设计允许最高温度29 ℃和32 ℃[2]。拱冠梁中心不同高程相应实测温度变化过程与根据中国水利水电科学研究院和武汉大学温度场仿真及弹性有限元计算结果所绘制的温度变化过程有一定差别[9-10]，这是因为实际情况与计算条件不可能完全一致，实际施工过程中的混凝土制作、运输、一期冷却温控不当都会使混凝土浇筑温度偏高，冷却水通水流量不足、管路堵塞等情况会直接影响一期冷却的效果。

由于象鼻岭碾压混凝土拱坝坝体上升快，新混凝土一期冷却和老混凝土中期冷却控制不好就会使混凝土温度出现二次甚至多次峰值，使混凝土温度偏高。而二期冷却要将坝体温度降至设计封拱温度，就可能导致二期冷却降幅过大，由图4 所示温度变化过程可见，由于二期冷却作用，相应温度皆呈趋势性降低变化，控制不好很可能会引起预设缝之外的坝体开裂。

2.2.2 坝体预设缝实测变形变化规律及作用效果分析

象鼻岭碾压混凝土拱坝诱导缝模板采用隔层，且上、下游向一般按0.3 m间距设置，所形成的缝面是间断不连续的；横缝模板则逐层沿上、下游向紧贴排列设置，但上、下游端距离坝面有防渗层，模板搭接并不严密。因此，在模板两侧和上方覆盖混凝土并通仓碾压，在上、下游侧防渗部位浇筑变态混凝土并振捣密实，该碾压层在设缝部位仍填筑有混凝土，所以整个碾压层是一体的，即各填筑层经通仓碾压密实形成水平拱，温度变化会使内部产生温度应力。

由坝体实测温度变化过程分析可知，象鼻岭碾压混凝土拱坝在施工过程中采取一期、中期和二期冷却措施以削减混凝土最高温升并降至接缝灌浆温度，温度变化势必导致坝体产生拉应力，此时坝体预设缝是否如期发挥作用以释放拉应力、保护坝块的整体性，可通过预设缝实测变形及应力应变分析做出判断。

统计坝体预设缝76个测点自始测至接缝灌浆前实测变形情况，见表1。表1中有9个测点实测最大开合度在0.3 mm 以下，占11.8%，其余67 个测点实测最大开合度皆大于0.3 mm，占88.2%。CF-12型差动电阻式测缝计的监测精度在0.3 mm 左右[11]，因此判断最大开合度及变幅在0.3 mm以上的部位张开，小于0.3 mm则未张开。根据H1和H2横缝距上、下游坝面2 m 处代表性变形监测结果，结合结构设计及成缝施工实际情况分析，判断H1 和H2 横缝是张开的；同样分析L1、L2、R1、R2 诱导缝大多张开。中国水利水电科学研究院曾通过仿真计算得出“碾压混凝土浇筑至坝顶时，两条横缝和靠近左、右坝肩的两条诱导缝均全部张开，其余诱导缝处于部分张开状态，张开深度基本在2～5 m左右”的结论，因靠近左、右坝肩的两条诱导缝L3 和R3上未布置监测仪器，无法进行有效验证，但其余布置监测仪器的预设缝变形监测结果与计算结论基本一致。

表1 象鼻岭碾压混凝土拱坝接缝灌浆前预设缝变形情况Table 1 Deformation of preset joints of Xiangbiling RCC arch dam before the joint grouting

图5、图6 分别为H1 横缝上、下游侧变形及相应温度变化过程线，可代表预设缝变形随时间变化的规律。由图可知，在混凝土碾压密实后，初始坝体预设缝呈闭合状态，随着通水冷却，坝内温度呈降低趋势，预设缝多张开且开合度逐渐增大。以测点温度T和当次观测日相对基准观测日的日序值t分别为温度和时效影响待选因子进行统计回归分析，可知：当温度升高，坝块混凝土膨胀，缝开合度呈闭合变化；当温度降低，坝块混凝土收缩，缝开合度呈张开变化；预设缝变形皆存在张开的时效变化。统计分析结果揭示了预设缝具有典型的裂缝变形特性，说明在施工过程中，由于温度应力的作用，坝体预设缝大多如设计预期张开。

图5 H1缝上游侧变形及温度变化过程线Fig.5 Deformation and temperature upstream of joint H1

图6 H1缝下游侧变形及温度变化过程线Fig.6 Deformation and temperature downstream of joint H1

图7和图8分别为1 330 m高程H1横缝左侧和H2 横缝右侧距下游面2 m 处S5b-6、S5b-8应变计组实测单轴应力应变及相应温度变化过程线，εx、εy、εz分别为测点径向、切向和铅直向实测混凝土单轴应力应变。由图可知，在混凝土填筑初期温升阶段，一般有一个压应变增加过程，在混凝土达到最高温度转而降温时，各向应力应变一般转向拉应变增大，随着横缝的张开，水平向应力应变εx和εy趋于平稳，竖直向应力应变εz则受施工期间上覆混凝土压重的影响，呈压应变增大趋势。表明坝体分缝布置方案能有效地释放水化热温升回降引起的温度应力，坝体没有出现危害性裂缝。

图7 S5b-6单轴应变及温度变化过程线Fig.7 Uniaxial strain and temperature monitored by S5b-6

图8 S5b-8单轴应变及温度变化过程线Fig.8 Uniaxial strain and temperature monitored by S5b-8

2.2.3 接缝灌浆效果分析

接缝灌浆后的象鼻岭碾压混凝土拱坝预设缝结合状态同样可由相应的监测结果来判定，见表2。接缝灌浆后预设缝大多结合较好且呈闭合压紧趋势，个别缝呈张开趋势，说明该缝相应部位结合不好。象鼻岭碾压混凝土拱坝坝体预设缝中灌浆系统采取重复灌浆措施，运行过程中根据情况可通过重复灌浆改善接缝结合状态，保证坝体的整体性。

表2 象鼻岭碾压混凝土拱坝接缝灌浆后预设缝变形情况Table 2 Deformation of preset joints of Xiangbiling RCC arch dam after the joint grouting

3 结语

合理的结构设计是混凝土拱坝防裂的重要前提保证，有效温控则是现场施工主要的防裂措施。实际施工过程中，由于种种原因，现场混凝土温度控制往往达不到设计要求，这时坝体结构对防裂的作用就显得尤为重要。

根据类似工程经验及数值仿真计算结果，象鼻岭碾压混凝土拱坝布置了坝体预设缝。施工过程中，采用常规的混凝土温度控制措施，虽然实际控制效果与设计要求存在一定偏差，但实测接缝变形分析表明，坝体内预设的诱导缝和横缝皆如预期张开，达到了释放应力以防止坝体混凝土开裂的目的。接缝灌浆后，预设缝大多结合良好，且缝内布置的重复灌浆系统能有效保证坝体的整体性。 ■