祖妈林水库除险加固工程低弹模混凝土防渗墙内部监测系统分析与评价.pdf

科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 2年第 4期 祖妈林水库除险加固工程 低弹模混凝土防渗墙 内部监测系统分析与评价 董文鼎 ( 福建省水利管理 中心 福建福州 3 5 0 0 0 1 ) 【 摘 要】 通过对福建省漳浦县祖妈林水库大坝 防渗加 固中，低弹模混凝土防渗墙 内部监测系统 的分析 ，探讨 低弹模防渗墙 内部监测系统布置及其 安装 ，总结了经验 ，可供类 似加 固工程参 考。 【 关键词】 水库除险加 固低弹模混凝土 防渗墙 内部监测 【 中图分类号】TV 6 9 8 ． 2 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 —2 4 6 9 ( 2 0 1 2 )O 4 一O 0 4 7 一O 3 - 【 D0 I 编码】 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 —2 4 6 9 ． 2 0 1 2 ． 0 4 ． 0 1 7 1 引言 混凝土防渗墙施工技术始于 2 0世纪 5 0年代 ， 作为病 险土石坝加 固处理始于 1 9 6 5年 。传统的刚 性混凝土防渗墙存在一些缺点 ，主要是刚性混凝土 防渗墙弹性模量高 ，极限应变小 ，比周围土层 的弹 性模量高出数倍 ，因而墙体容易出现裂缝，降低了 防渗效果 。而低弹模混凝土就是针对刚性混凝土的 这些问题应运而生的，它具有较高强度、低 弹模 、 弱透水 、易浇筑等特点 ，能适应墙体周围土体变形 模量的特点 ，能较好地适应坝体的变形 ，提高了墙 体的安全性和耐久性 。近年来 ，在土石坝的除险加 固工程中得到广泛应用 ，福建省祖妈林水库除险加 固工程是福建省首批在土石坝加固中运用低弹模混 凝土防渗墙技术的工程之一 ，是国内已建低弹模混 凝土防渗墙深度最大 的工程。 由于防渗墙属于隐蔽工程 ，大坝加固好后将被 埋在地下或坝 内，看不到也摸不着 ，加上防渗墙运 行状态的影响因素众多 ，目前低弹模混凝土防渗墙 性能在土石坝加固中的研究还处于摸索阶段 ，要精 确计算混凝土防渗墙 中应力、应变值及其分布还较 难。因此对低弹模混凝土防渗墙的应力应变监测就 显得非常重要 ，通过墙内仪器观测所得数据来分析 防渗墙是否正常。福建省漳浦县祖妈林水库是省第 一 座在低弹模混凝土防渗墙内部安装监测仪器的水 库 ，通过对祖妈林水库大坝低弹模混凝土防渗墙内 部监测系统的介绍和分析 ，来说明防渗墙 内部监测 对大坝安全运行和反馈设计所起 的作用。 2 工 程 概 况 祖妈林水库位于福建省漳浦县杜浔镇徐坎村 ， 是一座以灌溉为主 ，结合防洪 、发电、供水养殖等 综合利用的中型水库。水库总库容为 3 6 6 1万 m。 ， 设计灌溉面积为 4 ． 5 万亩，有效灌溉面积 2 ． 7 万亩， 影响下游 1 ． 8 万人 口、3 万多亩耕地及漳诏高速公路。 水库于 1 9 7 1年 1 2月动工兴建 ，1 9 7 6年 6月 建成 ，经过 3 0多年运行 ，大部分建筑物老化现象 比较严重 。根据 2 0 0 8年 《 福建 省漳浦县祖妈林水 库大坝安全鉴定报告书》的评价结论 ，祖妈林水库 大坝被评为三类坝 ，需要对水库进行除险加固。该 水库除险加 固工程于 2 0 0 9年 2月 1日开工，2 0 1 0 年 1月主体工程完工，其 中低弹模混凝土防渗墙于 2 0 0 9年 5月 2 2日实施 ，2 0 0 9年 9月 2 6日结束 ， 总成墙面积为 1 3 9 5 2 ． 6 3 m ，最深达 5 4 m。 作 者简介 ：董文鼎( 1 9 7 9年一) ，男 ，工程师 。 47 科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 2年第 4期 3 监测仪器种类及其布置 监测仪器的布置 ，应结合工程具体条件，既能 较全面反应防渗墙在运行过程中应力应变的变化情 况 ，又能突出重点和少而精，要在可靠、耐久 、经 济 、实用的前提下 ，力求先进和便于实现 自动化的 原则 。 防渗墙的监测项 目主要有应力 、应变 、渗透压 力以及墙体位移和周围土压力等，结合祖妈林水库 低弹模防渗墙的特点，本次加 固在混凝土防渗墙施 工时预埋无应力计和应变计 ，渗透压力通过在防渗 墙上、下游侧设置测压管进行监测。沿主坝防渗墙 选择 3个监测断面来进行监测应力和应变，桩号分 别为主坝 O +1 2 9 、主坝 0 +2 2 6 、主坝 0 +3 3 0 ，其 中主坝 0 +1 2 9断面布置应变计 1 4只，无应力计 3 只；主坝 0 +2 2 6断面布置应变计 2 O只，无应力计 5只；主坝 O +3 3 0断面布置应变计 1 2只 ，无应力 计 3只；共布置 4 6只应变计，l 1只无应力计 。 具体选用的监测仪器如下 ： ( 1 )应变计 应变计是用于监测防渗墙上、下游面的垂直应 变 ，同时可以量测混凝土的温度 ，根据观测的应变 资料可推算出防渗墙的应力状况。祖妈林水库选择 的是差动电阻式应变计 ，型号为 NZ S 一1 0( 南京 南瑞生产) ，由敏感元件、密封壳体及 引出电缆三 部分组成。仪器内有两根以特殊方式固定的钢丝， 当仪器受到外力而变形时，测量两根钢丝电阻的比 值就可以求得仪器的变形量 。 ( 2 )无应力计 无应力计用于观测混凝土的非应力应变 ，它包 括温度 、湿度及化学变化等因素作用而产生的总变 形 。祖妈林水库选择的是差阻式无应力计，是由应 变计和无应力筒组成 ，其 中应变计 型号也是 NZ S 一 1 0 。差阻式无应力计有 电阻 比和电阻两个测值 ， 利用这两个测值及仪器特性参数可算出测点 的混凝 土 自由应变 ，再利用应变计测值和徐变资料可算出 测点的混凝土应力 ，利用电阻测值和仪器特性参数 可算出测点混凝土的温度 。 4 低 弹模混凝土 防渗墙监测仪器埋设 由于各观测仪器均需通过电缆引出防渗墙 ，最 后进入水库调度管理中心的测量模块上 ，因此购买 监测仪器除了要求仪器有较高的精确度、灵敏度及 率定外 ，还要求购买一定数量的电缆和配件 ，只有 48 当准备工作全部完成后才可进行仪器的埋设 。 仪器安装埋设的要点在于既要保证仪器的完好 率 ，又要使仪器与混凝土防渗墙紧密结合 ，同时应 尽可能的减少仪器埋设对主体施工的干扰 。由于祖 妈林水库防渗墙为低弹模混凝土，混凝土 中含有大 量的粘土和膨润土 ，降低了混凝土的和易性、流动 性 ，加大了仪器埋设 的难度；且未设钢筋笼、孑 L 深 较深 ，无法采用传统的钢丝绳沉重块法一次性安装 埋设 ；因此 ，经过多次反复试验 ，观测仪器埋设采 用施工平台控制、镀锌钢管分段埋设法 。具体做法 如下 ： ① 根据 实际孔深 ，确定所需 镀锌钢 管长度 ， 采用直径 2 5 mm 的镀锌 钢管 ，分 段加工好 丝 口， 配足够的接头备用。 ② 根据实际孔深及设计 图纸的仪器安装高程， 计算好应变计 、无应力计的位置 ，在镀锌钢管上标 出仪器的安装部位 ，镀锌 钢管 的先后顺序做 好编 号 ，目的是防安装的时候顺序错乱而使仪器安装高 程改 变 。 ③ 镀锌钢管采用起重机 吊装就位，施工平 台 支架定位 、垂直度控制 ，按设计位置一边放镀锌钢 管 ，一边 固定应变计和无应力筒 。 ④ 按标定 的记号把应变计用细铁丝及胶 布扎 在镀锌钢管上 ，应变计 与镀锌钢管之间用 3 ～4 c m 厚的木块隔开 ，防止应变计后期受镀锌钢管的应力 作用，无应力筒安装和应变计相同，电缆固定在镀 锌钢管上向． 上引出。 ⑤ 当一根镀锌钢管的仪器安装完成 以后 ，慢 慢往下放 ，直到钢管的顶端 ，再接上第二根钢管 ， 拧紧接头 ，再重复④ 步骤 ，直至全部仪器安装 完 成，整个放置过程小心谨 慎，为了控制好垂直度 ， 特别深断面中间部位可加设固定支架 。 ⑥ 当全部仪器安装好后，固定好镀锌钢管位 置 ，防止 其滑 动 。 ⑦ 为确保仪器埋设质量 ，镀锌钢管放导管 中 间 ，浇筑过程中导管不能平移。 采用镀锌钢管埋设方法的施工结果为 ：共埋设 仪器 5 7只，其中 4 6只应变计 ，1 1只无应力计，电 缆 1 4 0 7 m，其中有 2只应变计失效 ，完好率为 9 6 。 5 监测成果分析 全部监测仪器施工结束后进行观测 ，2 0 0 9 年 9 月中旬至 2 0 1 0年 3月下旬 ，共进行 1 3次观测 。观 测频率为 ：初期 每周监测一次 ，后 期每月监测一 科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 2 年第 4 期 次 。在此主要通过 最大监测 断面( 主坝 0 +2 2 6 ) 的观测数据来对成果进行分析。 ( 1 )应力变化过程分析 经对断面主坝 0 +2 2 6应变计 的应力过程线图 ( 在此略)分析可知 ：多数应变计在埋设初期都有 拉应力增大，之后压应力增大的现象 ，各测点的最 大拉应力都发生在这个时期 。分析其原因主要是应 变计 自安装后 由于受水化 热影响 ，向正值 方向变 化；随着外界气温下降及周 围土压力影响 ，开始 向 压应变方向变化 ，后期应变渐趋于稳定 ，压应变增 加缓慢 。综上，不 同高程的混凝土应变变化规律正 常，符合防渗墙混凝土应变变化的一般规律。4个 无应力计变化规律是 ，在埋设初期无应力计测值随 着温度的降低 ，自由变形增大 ，与温度呈负相关 ； 后期随着温度降低 ，自由变形减小 ，无应力计测值 变化速度缓慢。这主要是由于浇筑时间、周 围环境 等因素的影响 ，该断面浇筑期温度较高 ( 2 0 0 9年 7 月) ，这也符合混凝土变形的一般规律 。 高程 ( m ) 4 0 3 5 2 5 > 1 0 l o o 印． ? ( 2 0 4 0 6 o 8 0 ： 赢 燮 I m ) 一 l 0 — 1 5 图 1 防渗墙应变沿深度方向测值过程线 由观测数据及过程线还可看 出，主坝 0 +2 2 6 断面防渗墙混凝土 目前均处于受压状态 ，最大压应 变值为一6 3 4 ~ e( 负号为压缩) ，且压应力有继续增 大的趋势，但变化平缓 ，未见突变情况 ，混凝土受 力状态正常 ，墙体 内仍然保持受压状态 ，没有产生 拉应力 ，防渗墙运行正常 ，能适应坝体变形，能满 足工程要求 。 ( 2 )应力应变沿深度方向分析 由图 1 可以看出，低弹模混凝土防渗墙出现应 变变化剧烈的地方主要集 中在两个部位 ，一个在防 渗墙 中上部，一个在防渗墙下部。通过分析可以看 出上部变化剧烈 的地方 ，该高程在库水位附近 ，在 这里由于库水位以下存在库水位的压力作用 ，而库 水位 以上却没有，因此使得该部位附近的应力变化 较大；防渗墙下部应变变化剧烈，这主要是因为祖 妈林水库的防渗墙深人基岩 ，库水位的合力作用和 基岩的限制作用使得这里 的应变变化较为剧烈 ，运 行 中要 加强这 些部 位监测 。 6 结语 由于低弹模混凝土防渗墙性能在土石坝加固中 的研究还处于摸索阶段 ，上述通过祖妈林水库低弹 模混凝土防渗墙 内部监测系统 ，介绍了监测仪器、 埋设方法 ，对防渗墙观测资料进行分析得知 ，多数 应变计及无应力计工作正常 ，从监测仪器安装及观 测资料分析中可以得到如下结论 ： ( 1 )由于低弹模混凝土防渗墙独特特性 ，监测 仪器的安装与传统的混凝土防渗墙有所不同 ，应采 用适宜的安装工艺 ，以保证仪器的性能满足观测要 求 ，保证仪器的位置稳固并符合设计要求 。 ( 2 )多数应变计在埋设初期有一个拉应力增大 的过程 ，各测点的最大拉应力就发生在这个 时期 ； 其后 ，各应变计测值都以拉应力减小、压应力增大 的趋势发展。各观测资料均可正确反应低弹模防渗 墙的工作性态 ，运行正常。 ( 3 )低弹模 防渗墙应变在前期变化较快 ，后来 这种趋势慢慢减缓 ，这主要是 由于前期墙体凝固、 水化热 、库水位、与周围土体的协调等作用引起的。 ( 4 )观测资料显示 ，低弹模混凝土防渗墙下部 应变发生剧烈变化 ，主要是由于防渗墙嵌入基岩较 深后 ，增加基岩对墙体的约束程度 ，对墙体应力不 利 ，低弹模混凝 土的柔性作用无法充 分发挥。因 此 ，设计中对 防渗 墙嵌入基岩深度应 进行分析论 证 ，谨慎选取 。 参考文献 1 王清友 ，孙万功 ，熊欢 ．塑性混 凝土 防渗墙 [ M]．北 京 ：中国水利水 电出版社 ，2 0 0 8 ． 2 福建省宏 禹水利水 电咨询设计 院 ．漳浦县祖妈林水库除 险加 固工程初步设计报告 I n ]． 2 0 0 8 ． 49 ‘