杨房沟水电站拱坝9号横缝二次张开原因及处理措施研究

王元鹏 刘涛

摘要：

为了研究杨房沟水电站拱坝横缝灌浆后二次张开原因，采用应力状态分析、温度统计分析、施工干扰分析等方法，对拱坝横缝接缝灌浆灌后二次张开较大的9号横缝进行分析研究。并据此采取了科学合理的补灌处理方案。补灌后检查孔钻孔取芯、压水试验及钻孔全景图像检测的结果表明：接缝灌浆质量良好，灌浆效果满足设计及规范要求。

关键词：

横缝； 拱坝； 补充灌浆； 杨房沟水电站

中图法分类号：TV642.4

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.008

文章编号：1006-0081（2023）S1-0026-04

1 工程概况

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段，是规划中该河段的第6级水电站，上距孟底沟水电站37 km，下距卡拉水电站33 km。杨房沟水电站正常蓄水位2 094 m，水库总库容5.124 8亿m3，调节库容0.538 5亿m3，电站装机容量1 500 MW。水电站单独运行时具有日调节性能，与中游河段龙头梯级水库两河口水电站联合运行时具有年调节性能。工程枢纽主要由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等组成。水电站挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，坝高155 m，设置16条横缝，分为16个灌浆层。2020年1月2日，发现9号横缝1～3号灌区灌后出现不同程度张开。为确保拱坝安全运行，需对张开原因进行分析研究并采取相应处理措施。

2 横缝二次张开情况检查与分析

9号横缝1～3号灌区的接缝灌浆分别在2019年8月21日、9月24日、11月23日完成。

2.1 检查孔布置及成果分析

9号横缝3个灌区分别布置6个检查孔，共18个检查孔，进行钻孔取芯、全景图像及压水试验，检查横缝二次张开情况。布孔原则为：灌区底部以上2 m靠近测缝计位置水平布置3个灌浆孔，灌区顶部以下2 m水平布置3个排气孔，孔径均为76 mm，开孔位置距离横缝净距大于80 cm，钻孔之间净距大于30 cm，钻孔穿过横缝面50 cm（沿钻孔方向）。

钻孔取芯芯样显示：各检查孔横缝面均有浆液结石填充，其中2～3号灌区除个别检查孔芯样结石填充未见饱满、钻孔全景图像显示缝面局部张开以外，大部分检查孔芯样结石与缝面胶结好，钻孔全景图像显示缝面闭合，浆液结石填充饱满、密实；1号灌区检查孔芯样结石与缝面两侧胶结好，钻孔全景图像显示缝面闭合，浆液结石填充饱满、密实。对18个检查孔进行了压水试验，透水率均为0且与相邻孔未串通。针对二次张开较大的1号灌区单独布置1个骑缝孔进行检查，孔径168 mm，钻孔穿过灌区上下层止浆片，芯样显示横缝面水泥结石充填饱满、密实。钻孔取芯、钻孔全景图像及压水试验的结果表明：9号横缝1号灌区未张开，2～3号灌区为局部张开，且局部张开的缝宽小于测缝计测值。

2.2 坝基变形、应力状态分析

2.2.1 坝基多点位移计布置及数据分析

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6，16，27，40 m。

随着大坝坝体浇筑高程升高、受坝体混凝土自重影响，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，且基岩深度越大则压缩变形量越小的分布规律，其中9号坝段坝基上游侧（位移计1）基岩压缩变形量明显大于下游侧（位移计2），孔口处压缩变形量相差5.49 mm，差距较大。

截至2020年1月2日，8号坝段坝基中部1号位移计测点最大压缩变形量为1.70 mm；9号坝段坝基上游侧测点位移计1最大压缩变形量为6.68 mm；坝基下游侧测点位移计2最大压缩变形量为1.20 mm（2019年12月6日在孔口位置测点所测数据），累计变形量为1.19 mm。各测点变形量平均变化速率为-0.002～0.010 mm/d，增速较小。拱坝8号、9号坝段坝基多点位移计监测成果统计见表1。表1结果表明：总体上，各测点测值增加速率较稳定，无明显异常，对横缝二次张开影响不大。

2.2.2 坝基测缝计布置及数据分析

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号坝段坝基各分别布置3支测缝计，如表2所示，

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1月2日，8号、9号坝基张开接缝各测点测值平均变化速率在0.010 7 mm/d以内。

此外，9号坝段坝基中部测点2的测值从2019年12月20日后出现一定增加，但仍为负值。总体上，各接縫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，对横缝二次张开影响不大。

2.2.3 坝基压应力计布置及数据分析

为监测河床坝段坝体混凝土与建基面之间的压应力情况，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。如表3所示，

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30 d间的测值变化量为-0.32～0.31 MPa，平均变化速率为-0.008～0.008 MPa/d，量值较小，对横缝二次张开影响不大。

3 横缝开度影响因素分析研究

横缝灌后二次张开原因复杂，以下主要从坝基变形及应力、温度变化、施工活动、坝体自重等方面进行分析。

3.1 分析过程

3.1.1 无应力计测值分析

9号坝段高程1 950.0～1 980.0 m的无应力计测值（表4）显示：截至2020年1月9日，除了Ndb9-1960-1测点测值为-122.41×10-6以外，其余测点实测累计微应变均为-44.57×10-6～-91.34×10-6，对横缝二次张开影响不大。

3.1.2 气温分析

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，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 ℃。因此，气温可能对横缝二次张开有一定影响，但影响不大。

3.1.3 地温分析

为监测河床坝段坝基岩体内部温度变化情况，在拱冠梁9号坝段基岩内，沿竖直向布置3支温度计，入基岩深度分别为5，10，15 m。监测结果显示：拱坝9号坝段坝基浅层岩体温度受外界气温影响，出现小幅周期变化，对横缝二次张开影响不大。拱坝9号坝段坝基温度计监测成果统计见表5。

3.1.4 混凝土温度分析

为监测河床坝段坝体混凝土温度变化情况，在大坝8，9，10，11号坝段沿不同高程的上游侧、中部、下游侧埋设温度计。

如表6所示，受坝体混凝土水化热释放的影响，已灌区混凝土内部温度已趋于稳定。总体上，各测点温度测值变化均较平稳，无明显异常，对横缝二次张开影响不大。

3.1.5 横缝温度分析

2019年12月至2020年1月期间，横缝处温度测值缓慢降低，与外界气温相关性较好，可能对横缝二次张开有一定影响，但影响不大。9号横缝处2020年1月2日温度监测成果统计见表7。

3.1.6 施工影响分析

2019年12月6～14日进行8号坝段帷幕灌浆施工，2019年12月29日至2020年1月1日开展11号坝段接触灌浆的灌浆施工。分析压水、灌浆过程中压力与流量数据均无异常变化；在拟灌区的灌前通水检查、预灌性压水试验中，通过对拟灌区及已灌区测缝计实时监测，未发现足以造成横缝二次张开超过0.3 mm的情况，施工影响对横缝二次张开影响不大。

3.1.7 施工期大坝应力分析

工况1：高程1 983.0 m以下已完成横缝接缝灌浆。工况2：高程1 983.0 m以下未进行横缝接缝灌浆。两种工况下的高程1 947.0 m处坝基等效应力计算值见表8。工况2下的基岩部位等效应力计算值见表9。

9号坝段上、中、下游的坝基应力在2019年11月29日的实测值分别为0.76，0.92，0.30 MPa，在2019年12月14日的实测值分别为0.89，0.88，0.28 MPa，表现为上游压应力大，下游则相对较小。实测值远小于工况1计算值，说明拱坝受力并非悬臂梁单独受力状态。

3.1.8 施工期大坝位移分析

根据2020年12月底大坝浇筑及封拱灌浆施工面貌，进行三维有限元模拟计算，河床坝基的位移应力计算值统计见表10。

结合2.2.1节位移计监测结果可知，实测值与计算值规律基本相符，量值差别不大。9号坝段1号位移计孔口压缩变形量相对较大，可能与该部位岩体为Ⅲ1类且与测点上游侧布置的集水井有关。

3.2 综合分析

进入冬季尤其是12月后，9号横缝可能受外界气温下降影响，混凝土收缩，进而导致横缝局部张开；通过分析横缝开度过程线与坝基帷幕灌浆、接触灌浆施工的时间关系、灌浆部位，横缝开度受灌浆施工干扰的可能性不大；通过坝基应力位移监测及施工期大坝应力与位移计算可知：随着大坝混凝土高度上升，坝基压力逐渐增大，坝基岩体呈缓慢压缩变形趋势，且拱坝坝基存在重心靠上游侧的偏心受压状态，导致上游变形略大于下游，因此可能导致横缝灌浆后开度异常。

4 横缝二次张开处理

4.1 处理措施

根据检查孔钻孔取芯、钻孔全景图像及压水试验成果，制定了横缝补充灌浆处理方案，每个检查孔均埋设双管，即“一进一回（兼排水、排气）”，采用环氧树脂材料，按照11∶1的配比进行了补充灌浆，进浆压力为0.2 MPa，排气压力为0.15 MPa。补充灌浆时，各孔均未串浆，各灌区回浆管返浆比重达到1.06 g/cm3，灌浆过程中2～3号灌区测缝计增开度测值均未超过0.1 mm，上下两层灌区测缝计测值基本无变化，满足设计要求。根据检查孔钻孔取芯、钻孔全景图像及压水试验成果，1号灌区未张开，因此检查孔直接灌封处理，未进行补充灌浆。补灌灌区设计灌区面积平均值为268.93 m2，注入量换算面积平均值为16.52 m2，注入量换算面积占设计灌区面积平均值6.1%。

补灌后，张开度平均值为1.47 mm，注入量换算张开度平均值为0.07 mm，注入量换算张开度占补灌后张开度的4.8%。通过张开度及面积对比分析，横缝二次张开应是局部张开。

4.2 处理结果分析与评价

通过4个检查孔对2～3号灌区进行钻孔取芯、压水试验及钻孔全景图像测试检测，结果如下：

① 4个检查孔缝内浆液充填饱满、密实，结石厚度（孔向方向）最厚约1.5 mm。检查孔芯样整体效果较好，缝面水泥结石充填明显且饱满，浆液结石与混凝土胶结情况整体较好。检查孔浆液结石无气泡与脱空现象。② 钻孔全景图像成果显示4个检查孔缝面均闭合。③ 检查孔孔底间距按照2 m布设，采用0.16 MPa压力进行串通性压水试验，压水流量均为0，检查孔压水相互不串通。综上所述，接缝灌浆质量良好，灌浆效果满足设计要求。

5 结 论

本文对杨房沟水电站拱坝坝基变形与应力、气温与混凝土温度变化、帷幕灌浆、接缝灌浆、接触灌浆、大坝位移等可能导致横缝测值异常的相关原因进行了分析。结果表明：横缝二次张开受坝基帷幕灌浆、接触灌浆、接缝灌浆影响不大，温度变化、自重、倒悬是横缝二次张开的主要原因。施工中需严格控制大坝混凝土悬臂高度；加强冬季坝体保温措施，减少外界温度变化对横缝的影响；大坝上游具備回填条件后应及时进行回填，以改善拱坝倒悬引起的坝基上游侧偏心受压状态。