基于原型观测的某拱坝施工期安全性态评价

雷升云，丁群峰，党建涛，雷 菲

（1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710010；2.西安国开水环境有限公司，陕西 西安 710077）

1 工程概况

碾压混凝土坝具有水泥用量少、水化热低、通仓碾压、施工速度快、整体成本低等特点[1]，在中国得到了广泛应用，建设了如龙滩、黄登、光照等[2]一批高碾压混凝土坝。为保证这些高坝的安全运行，原型观测是必不可少的一个重要手段，是研判大坝安全的重要依据。本文基于原型观测资料，对位于秦岭腹地的三河口高碾压混凝土拱坝施工期安全性态进行分析评价，为同类型拱坝设计和建设提供重要的指导及借鉴意义。

三河口水利枢纽工程，位于佛坪县与宁陕县交界的子午河峡谷段，是引汉济渭工程整个调水工程的调蓄中枢。大坝为碾压混凝土抛物线双曲拱坝，拱坝坝顶高程为646 m，坝底高程504.5 m[3]，最大坝高141.5 m，坝顶宽9 m，拱冠坝底厚37 m，坝顶上游弧长472.153 m，为国内同类型第二高坝[4]。坝址区多年平均气温为12.3℃，极端最高气温为37.4℃，最低气温为-16.4℃[5]。

下文分别从大坝变形、温度、应力应变、渗流渗压等监测资料进行分析，从而对拱坝施工期工作性态作出综合评价，为大坝后期蓄水及运行提供参考依据。

2 变形监测

大坝主要选取了5 个典型坝段作为主监测断面，分别为：Ⅱ断面-2 号坝段、Ⅲ断面-4号坝段、Ⅳ断面-5 号最高坝段、Ⅴ断面-7 号坝段、Ⅵ断面-9 号坝段，在典型断面上布置了变形、温度、应力应变、渗流渗压等多个监测项目。

2.1 基岩变形

（1）竖向位移

在5 个主监测断面的基岩处埋设了垂直向多点位移计监测基岩的竖向变形，每个断面沿上下游向各布置了4组多点位移计（四点式），四点式多点位移计各测点据孔口的距离分别为5 m、10 m、20 m、35 m。

基岩变形规律性较好，受混凝土浇筑高程的逐渐增加，基岩主要呈现压缩变形，从空间分布来看，最高坝段Ⅳ断面处位移变化最大，其次为Ⅲ断面和Ⅴ断面，Ⅱ断面和Ⅵ断面总体变化较小。截至2020 年2 月，基岩竖向位移在-7.61 mm～2.39 mm之间变化，大部分测点位移已趋于稳定。

图1 典型多点位移计测点过程线图

（2）水平向位移

为监测大坝基岩水平向变形，选取了典型坝段布置了6组水平向多点位移计（四点式）。从监测成果来看，基岩水平向位移整体变化较小，除MJ2-3 和MJ5-1 这两个测点的位移量超过1 mm外，其余各测点位移绝对值均小于1 mm，说明大坝拱向作用还不明显。

2.2 建基面接缝变形

在5 个主监测断面建基面上沿上下游向各布置了4 支测缝计来监测基岩和混凝土接缝变形情况，从监测成果来看：开合度主要变形量发生在上部混凝土开始浇筑后的几个月内，并受到温度变化的影响；之后随着坝基固结灌浆结束之后，开合度基本处于稳定状态，变化幅度较小，其中最大开合度为2.36 mm（JJ5-2 测点）。

图2 典型建基面测缝计测点过程线图

2.3 横缝及诱导缝接缝变形

为监测拱坝接缝开合度情况以及评价接缝灌浆效果，在拱坝横缝及诱导缝不同高程埋设了测缝计，截止2019 年12 月，大坝578.4 m高程以下已完成接缝灌浆，监测成果分析如下：

（1）在接缝灌浆之前，接缝开合度和坝体温度呈明显的负相关关系，即：温度上升，开合度减小，温度下降，开合度增大。在接缝灌浆前夕，经过后期冷却通水，此时接缝开合度基本达到最大，其中接缝开合度最大为9.73 mm，出现在5#横缝的J（5 h）07测点。

（2）接缝灌浆结束以后，除J（5 h）03、J（5 h）06 和J（1 y）07这3个测点外（最大变幅0.97 mm），其余接缝测缝计灌浆后变幅均小于0.3 mm，变幅基本不再受温度变化影响，说明接缝灌浆整体效果良好。

图3 典型接缝测缝计测点过程线图

3 温度监测

温度控制是混凝土拱坝建设的重点内容，为掌握施工期碾压混凝土温升规律及检验温控措施，在坝体监测断面按不同高程梯级网格布置了温度计，本文主要从最高温度、通水冷却情况、封拱温度等方面对拱坝温控效果进行评价。

3.1 最高温度

混凝土容许最高温度为控制性指标，通过控制出机口温度、浇筑温度，调整浇筑层厚、间歇时间，通水冷却或者浇筑过程中采取隔热保护、喷雾等措施来实现。坝体混凝土浇筑块设计容许最高温度见表1。

表1 坝体碾压混凝土容许最高温度

混凝土最高温度整体控制情况较好，绝大部分测点在容许温度范围内，但也存在个别部位（527 m和586 m高程左坝块）夏季浇筑的混凝土最高温度超标的情况，超标原因主要为冷却机组故障和混凝土入仓强度不足；从超标测点的最高温度来看，大部分测点超标幅度在3℃以内。

图4 典型温度计测点过程线图

3.2 日降温速率

通水冷却日降温速率控制指标：初期冷却控制每天降温速率不大于1.0℃/d，中后期冷控制每天降温速率不大于0.5℃/d。从温度计监测数据来看，绝大部分测点初期冷却通水日降温速率低于1℃/d，但也存在少数测点个别天数超标现象，但超标幅度不大；后期冷却通水日降温速率都低于0.5℃/d，总体来看通水冷却日降温速率基本满足设计要求。

3.3 封拱温度

封拱温度是否满足设计要求，关系着后期拱坝运行中的温度荷载情况，因此保证合适的封拱温度十分重要。三河口拱坝封拱温度控制要求见表2，实测封拱温度（封拱前该高程温度计的平均温度）见表3，从监测成果可以看出，封拱温度均满足设计要求。

表2 后期冷却混凝土封拱温度控制表

表3 实测封拱温度统计表

3.4 冬季保温情况

在Ⅳ断面（5号坝段）典型高程上下游侧各布置1 支温度计监测表面温度，上游侧表面温度计在蓄水后用来监测库水温度。

表面温度计埋设在坝体靠近表面模板的变态混凝土内，在埋设初期主要受到混凝土水化热和外界环境温度共同影响，特别是夏季安装的温度计，受到日照环境影响，其温度一般较高。随着一期冷却通水结束以后，表面温度主要受到外界气温的影响。

以埋设在EL.512 高程的2 支温度计为例加以分析，与多年月平均气温对比过程线见图5，可以看出：表面温度计初期主要受到混凝土水化热影响，温度上升，之后随着一期冷却通水的进行，温度逐渐降低，一冷结束后，在2017 年4月～8月份表面温度和坝址区月平均气温基本吻合，冬季由于表面及时覆盖保温材料，混凝土表面温度高于外界气温，2017年和2018年冬季，坝体表面温度均在10℃以上，说明冬季保温措施有效。

图5 典型坝段基础渗压水头横向分布图

图5 大坝典型表面温度计和月平均气温对比过程线

4 应力应变监测

坝体应力应变监测布置在5 个主监测断面，水平监测截面沿高程方向按10 m～30 m的间距选取，各水平截面仪器分别距上、下游2.0 m，水平截面中部根据高程不同布置1 到2 套。监测仪器主要采用五向应变计组，在每组应变计旁边埋设1 支无应力计，五向应变计安装示意图见图6。

图6 五向应变计组埋设方向示意图

图7 典型应变计测点过程线图

（1）坝体应力应变和温度呈一定的负相关关系，即：温度上升，应力应变向压应变方向变化，温度降低，应力应变向拉应变方向变化，符合一般变化规律。

（2）为更好地了解坝体应力应变的分布情况，对2020 年2月底各应变变化区间内的测点个数进行了统计，见表4。

表4 坝体应变计测点分布区间统计

从统计表中可以看出，目前大部分应变计测点处于受压状态，占应变计总数的63.9%；在受拉的171个测点中，大部分测点应力应变在100 με以内（138 支），在100 με～200 με之间的有23支，大于200 με的有10 支。拉应变大于200 με的10 个测点出现在Ⅲ断面（533 m高程和595 m高程）和Ⅳ断面（512 m高程和595 m高程），后期运行中应加以关注。

（3）总体来看，坝体应力应变变化规律正常，大部分测点处于受压状态，虽然存在少部分拉应变，但拉应变值大部分在100 με以内。

5 渗流渗压监测

大坝设置了5个横向监测断面（同主监测断面）和2个纵向监测断面来观测坝基扬压力情况。横向监测断面在帷幕前坝踵处、排水孔前后、坝趾处各布置1支渗压计；2个纵向监测断面渗压计布置在排水孔前后。

从监测成果来看，由于尚未蓄水，施工期基础渗透压力主要受到坝前积水和岸坡地下水位的影响，施工期坝基最高水头为26.98 m，出现在最高坝段帷幕前P4-1 测点，大坝渗流渗压未见明显异常变化。

6 结论

通过对三河口碾压混凝土拱坝施工期原型观测资料进行分析，可以得到以下结论：

（1）基岩竖向变形受坝体浇筑盖重量影响，主要呈压缩变形，施工期变形量不大；接缝变形在灌浆后较为稳定，灌浆效果良好。

（2）施工期温控措施到位，从最高温度、日降温速率、封拱温度来看，基本满足设计要求。

（3）坝体应力应变变化规律正常，大部分测点处于受压状态，虽然存在少部分拉应变，但拉应变值大部分在100 με以内。

（4）施工期渗流渗压主要受坝前积水和岸坡地下水位的影响，测值普遍不大。