嚴(yán)寒地區(qū)橫縫開(kāi)合度影響因素分析

美麗古麗·買(mǎi)買(mǎi)提，朱明遠(yuǎn)

（新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)保證大壩的安全運(yùn)行具有重要意義。通過(guò)分析多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出壩體橫縫開(kāi)合度與大壩壩體溫度變化、外界溫度變化、主河床壩段庫(kù)水位變化之間具有相關(guān)性。但在實(shí)際的工作中，由于受到施工過(guò)程、設(shè)備穩(wěn)定性以及苛刻的工作條件等諸多因素影響，所采集的數(shù)據(jù)可能存在一定的誤差，無(wú)法保證數(shù)據(jù)精確性[1-3]。本文采用壩體澆筑時(shí)埋入的測(cè)縫計(jì)測(cè)值，分析壩體橫縫開(kāi)合度的變化規(guī)律及影響因素，從而為判斷壩段壩體橫縫嚴(yán)重程度提供一定的理論依據(jù)。

1 工程概況及儀器布置

本工程位于北疆嚴(yán)寒地區(qū)，是一項(xiàng)以供水為主的大型水利樞紐工程，在維持當(dāng)?shù)亓饔蛏鷳B(tài)環(huán)境和滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展用水前提下，具有向外流域供水、發(fā)電和防洪等綜合效益。本工程由大壩、副壩、泄水建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)、廠房等建筑物組成，最大壩高121.5 m。大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇（P=0.1%、洪峰流量Q=8 768 m3/s），校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5 000年一遇（P=0.02 %、洪峰流量Q=12 010 m3/s）[4]。

根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)，在不同壩段橫縫處的638 m、643 m、648 m、668 m、698 m、718 m、738 m高程的上、中、下游處，設(shè)置測(cè)縫計(jì)各3支，共計(jì)81支，詳見(jiàn)圖1。

圖1 壩體上、下游面橫縫開(kāi)度示意圖

圖2 壩體上、下游面橫縫過(guò)程線（按照上中下游布置分開(kāi)）

2 開(kāi)合度變化規(guī)律及影響因素分析

經(jīng)過(guò)了11年的數(shù)據(jù)收集，發(fā)現(xiàn)上、下游面的橫縫開(kāi)合度的變化與溫度的變化關(guān)系較密切，溫度上升會(huì)使得開(kāi)合度減小，溫度下降會(huì)使得開(kāi)合度增加；溫度變化對(duì)上下游面開(kāi)合度的影響較大，中間部位的開(kāi)合度基本無(wú)變化[5-7]。

2.1 上游橫縫開(kāi)合度分析

上游面橫縫基本處于張開(kāi)狀態(tài)，738 m高程35～36#壩段橫縫多年，最大開(kāi)合度超標(biāo)達(dá)到了9.3 mm（2011.4.6日J(rèn)67測(cè) 值）（原 因），2014年10月15至11月30日對(duì)7～81#壩段730～739 m高 程 進(jìn)行了6 cm厚的聚氨酯噴涂作業(yè)，2015年35～36#壩段橫縫最大開(kāi)合度明顯減少，其最大開(kāi)合度為5.72 mm，2018年最大開(kāi)合度為5.10 mm。

分析發(fā)現(xiàn)上游橫縫開(kāi)合度變化與溫度變化負(fù)相關(guān)，即溫度上升會(huì)使得開(kāi)合度減小、溫度下降會(huì)使得開(kāi)合度增加；與高程正相關(guān)，即高程越大開(kāi)合度越大。

2.2 下游橫縫開(kāi)合度分析

下游面橫縫開(kāi)合度變化小于上游面，2018年下游面橫縫最大開(kāi)度在-0.01～8.19 mm間,最小合開(kāi)度 在-0.07～3.2 mm間，年變幅在0.06～5.0 mm間，主河床壩段開(kāi)合度按最大值排序依次為32#（中孔）～33#（底孔）壩段738 m高程、35～36#壩段668 m高程、38～39#壩段668 m高程、29～30#壩段668 m高程，開(kāi)合度分別為8.19 mm、4.20 mm、3.03 mm、2.26 mm，下游面738 m高程開(kāi)合度值最大，其次為668 m高程。同在2014年高水位工況下，32～33#壩段739.5 m高程下游面的J54開(kāi)合度與J52基本同步變化，但小于上游面，至2019年J52最大開(kāi)合度為10.11 mm[8]。

由此可見(jiàn)，下游面的橫縫開(kāi)合度受外界溫度、高水位影響的變化規(guī)律與上游壩面相同，但變化絕對(duì)值小于上游面。

2.3 中間橫縫開(kāi)合度分析

中間部位橫縫開(kāi)合度大多無(wú)變化或變化量很小，橫縫開(kāi)合度較大的部位為698 m高程的24～25#壩段橫縫，2018年最大開(kāi)合度為2.84 mm，2018年中間部位的橫縫最大開(kāi)合度在-0.42～2.84 mm間，最小開(kāi)合度在-0.43～2.31 mm間，年變幅在0.01～0.53 mm間[9-10]。

上、下游橫縫開(kāi)合度均較大的壩段為738m高程的32#～33#壩段，高水位運(yùn)行后上、下游橫縫開(kāi)合度有增大趨勢(shì)，2018年上、下游最大開(kāi)度分別為10.11 mm、8.2 mm。

高水位運(yùn)行后，32～33#壩段718 m、738.0 m高程、24～25#壩段668 m、699 m、718 m高程，26～27#壩段738 m高程，29～30#壩段718 m高程橫縫的開(kāi)合度有變大趨勢(shì)，至目前，32～33#壩段738 m高程橫縫的開(kāi)合度漲幅相對(duì)較大，J52測(cè)縫計(jì)2013～2018的開(kāi)度分別為1.89～3.10 mm、1.85～5.10 mm、3.01 ～6.89 mm、3.87～8.33 mm、3.86～9.58 mm、4.67～10.11 mm；J54測(cè) 縫 計(jì)2013～2018的 開(kāi) 度 分 別 為0.23 ～1.33 mm、0.42～3.72 mm、1.38 ～5.18 mm、2.13～6.39 mm、2.27～7.66 mm、2.96～8.19 mm，至2018年3月下旬分別達(dá)10.11 mm、8.19 mm，目前開(kāi)合度分別為9.41 mm、7.65 mm。

圖3 壩體橫縫測(cè)縫計(jì)擬合及分解過(guò)程線

3 橫縫開(kāi)合度分析預(yù)測(cè)

選取25號(hào)壩段、29壩段、32壩段、35壩段為典型斷面，自2010年1月起至2019年1月止共計(jì)9年，采用小波分析對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再建立統(tǒng)計(jì)模型，從而達(dá)到精確模擬的目標(biāo)。25個(gè)測(cè)點(diǎn)橫縫分解結(jié)果、擬合及分解過(guò)程線如圖3所示。

模型整體相關(guān)性較好，復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，標(biāo)準(zhǔn)差約為總變幅的0.40 %～7.99 %，說(shuō)明模型因子選取合理，模擬結(jié)果可信。就整體而言，影響各測(cè)點(diǎn)開(kāi)合度主要因素依舊為溫 度 分量（37.05%～81.20%），其 次 為水 位 分量（10.09%～42.69%），時(shí)效分量?jī)H占0～25.61%?，F(xiàn)按儀器埋設(shè)高程逐一分析，得出結(jié)論如下：

從上述數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)影響壩體橫縫開(kāi)合度的主要因素為施工的混凝土溫度以及運(yùn)行期外界氣溫變化，主要表現(xiàn)為以下三方面：①施工期壩體的自然冷卻，由于上、下游面為變態(tài)二級(jí)配混凝土，水化熱溫升較高，后隨著水庫(kù)蓄水和下游氣溫的變化，上游面局部混凝土溫度下降速度較快、幅度較大，混凝土收縮變形較嚴(yán)重，是引起上、下游面橫縫張開(kāi)的主要原因，這種影響對(duì)中間部位的開(kāi)合度影響不大，故中間部位的開(kāi)合度整體無(wú)太大變化；②運(yùn)行期環(huán)境溫度周期性的變化，上、下游面的橫縫開(kāi)合度的變化與溫度的變化關(guān)系較密切，溫度上升會(huì)使得開(kāi)合度減小，溫度下降會(huì)使得開(kāi)合度增加；溫度變化對(duì)開(kāi)合度的影響較大。

4 結(jié)論

部分測(cè)點(diǎn)開(kāi)合度受水庫(kù)高水位影響，通過(guò)監(jiān)測(cè)某混凝土重力壩橫縫數(shù)據(jù)，得出上下游橫縫開(kāi)合度與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，但壩體中間影響較小。高水位運(yùn)行情況下部分測(cè)點(diǎn)開(kāi)合度影響較大，從整體橫縫的開(kāi)合情況來(lái)看，在水荷載自重荷載共同作用下，開(kāi)合度變化較小，說(shuō)明增加的水平水荷載通過(guò)壩體自適應(yīng)變形得到緩解?；谡鎸?shí)測(cè)值所得出的壩體開(kāi)合度變化規(guī)律，表明目前壩體安全，可為國(guó)內(nèi)外同類研究提供參考和借鑒。