江志紅 ，張維科

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中水顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550081；3.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇南京 210012）

1 工程概況

格里橋水電站位于貴州省中部開陽縣和翁安縣境內(nèi)，是烏江中游右岸支流——清水河干流第四個梯級電站。工程以發(fā)電為主。本工程為III等工程，工程規(guī)模為中型，工程樞紐由碾壓混凝土重力壩、廠房和引水隧洞組成。電站正常蓄水位高程719 m，相應(yīng)庫容0.695 2億m3，裝機(jī)容量為150 MW（2×75 MW），年發(fā)電量5.08×108kW·h。電站發(fā)電死水位為709 m（高程）。

電站取水口布置在壩上游29.3 m處，底板高程為694 m，采用1條內(nèi)徑為8 m的引水隧洞引水至樁號460.53 m處接壓力鋼管。壓力鋼管最大直徑6.9m，單管最長21m。引水系統(tǒng)全長約518.5 m，沿線穿越地層為T1a3～P2w3。沿程發(fā)育有f11、f7、f4、f15斷層帶，巖溶發(fā)育程度較強(qiáng)，巖溶形態(tài)為溶蝕孔穴、溶蝕裂隙及小規(guī)模溶洞。經(jīng)過地層中，Ⅱ、Ⅲ類圍巖約占75%，Ⅳ～Ⅴ類圍巖約占25%。

2010年1月12日，進(jìn)行引水隧洞充水試驗(yàn)。充水后，滲壓計(jì)PY-1（A-A斷面底板基巖內(nèi)）、PY-2（B-B斷面左側(cè)腰線基巖內(nèi)）、PY-3（B-B斷面底板基巖內(nèi)）實(shí)測壓力均同步增大，放空后均同步減小。為確保引水隧洞安全運(yùn)行，放空后派人進(jìn)入隧洞檢查，對出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行了修補(bǔ)，于2010年1月12日進(jìn)行了第二次充水試驗(yàn)。第二次充水試驗(yàn)中滲壓計(jì)的變化情況與第一次的變化情況完全一致。再次派人進(jìn)入引水隧洞檢查，發(fā)現(xiàn)上平段與斜井段的交界處有裂縫，且有滲水痕跡。修補(bǔ)后于2010年2月22日進(jìn)行第三次充水，直至正常運(yùn)行。

廠房布置在左岸岸邊，為地面廠房，主廠房外形輪廓尺寸為66 m×23.5 m×61.075 m（長×寬×高），主變室、GIS樓及副廠房平行于主廠房布置于主廠房后面，外形尺寸為30.5 m×14 m×24.6 m（長×寬×高）。廠房采用一洞兩機(jī)的方式供水。廠房后邊坡上部為三疊系下統(tǒng)大冶組P1d1、P1d2-1泥頁巖夾灰?guī)r，下部為大隆組P2d灰色薄層至中厚層硅質(zhì)巖，夾灰黃色頁巖及長興組P2c灰黑色、深灰色中厚層、厚層灰?guī)r。堆積體較厚，由粘性土、粉土、巖石碎塊、屑等組成，粉質(zhì)粘土夾碎塊石為紅色、棕紅色，夾砂質(zhì)泥巖、砂巖碎塊石、碎屑。下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化，厚度2.2～3.2 m，基巖面傾向順坡向，傾角15°～35°。地形呈斜坡臺地狀，地面高程660～700 m，高差約40 m。

從表面變形監(jiān)測點(diǎn)和對標(biāo)監(jiān)測的數(shù)據(jù)來看，開挖后廠房后邊坡在短時間內(nèi)出現(xiàn)較大位移。坡面上可見多條裂縫，最大裂縫寬度達(dá)5.2 cm。

從地質(zhì)狀況和監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況來看，對引水發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析顯得十分必要。

2 監(jiān)測儀器布置

引水隧洞布置有7支滲壓計(jì)，其布置如圖1所示。廠房后邊坡灌注樁布置有12支鋼筋計(jì)，其布置分別如圖2所示。

圖1 引水隧洞滲壓汁布置圖Fig.1 Distribution of the piezometers at the diversion tunnel

圖2 廠房后邊坡灌注樁鋼筋計(jì)布置Fig.2 Distribution of the strain gauges on the concrete piles at the rear slope of powerhouse

3 監(jiān)測成果分析

3.1 引水隧洞滲壓計(jì)監(jiān)測成果分析

3.1.1 監(jiān)測成果

充水與放空期間，壓力變化較典型的滲壓計(jì)實(shí)測成果見表1。

為便于直觀分析，各滲壓計(jì)實(shí)測壓力-時間變化過程線見圖3。

從圖表可以看出：

①充水前的2010年1月18日，1號機(jī)發(fā)電，此時監(jiān)測到PY-1、PY-2、PY-3實(shí)測壓力快速下降；

②A-A斷面的滲壓計(jì)PY-1埋設(shè)后測值一直較穩(wěn)定。引水隧洞充水后，滲壓計(jì)測值增大，測得最大滲壓值為0.36 MPa，放空后測值減小，但高于充水前狀態(tài)；

③B-B斷面的滲壓計(jì)PY-2、PY-3埋設(shè)后壓力緩慢增大。引水隧洞充水后，滲壓計(jì)測值增大，測得最大滲壓值為0.62 MPa（所有滲壓計(jì)量程均為0.7 MPa，未超量程），放空后測值減小，但高于充水前狀態(tài)；

④C-C斷面的滲壓計(jì)PY-4、PY-5埋設(shè)后壓力基本穩(wěn)定。引水隧洞充水后，滲壓計(jì)測值變化不明顯；

⑤D-D斷面的滲壓計(jì)PY-6、PY-7埋設(shè)后測值基本穩(wěn)定。引水隧洞充水后，滲壓計(jì)測值變化不明顯；

⑥同處于B-B斷面的滲壓計(jì)PY-2、PY-3，其壓力增量幾乎相等；

⑦缺陷修補(bǔ)后，引水隧洞運(yùn)行期間滲壓計(jì)實(shí)測壓力緩慢下降，直至基本穩(wěn)定。

3.1.2 原因分析

充水與放空過程中，壩前庫水位基本穩(wěn)定在715 m左右。充水時，上平段的A-A斷面和下平段首部的B-B斷面（壓力鋼管段之前）滲壓計(jì)實(shí)測壓力快速升高；放空時，滲壓計(jì)實(shí)測壓力快速下降。此變化規(guī)律伴隨充水、放空、再充水、再放空、再充

水的全過程。而下平段后部的C-C斷面和D-D斷面不受充水-放空過程的影響。

表1 滲壓計(jì)實(shí)測成果表Table 1:Measured data by the piezometers

圖3 滲壓計(jì)實(shí)測壓力-時間過程線Fig.3 Graph of measured pressure and time

該現(xiàn)象表明壓力鋼管段之前的襯砌混凝土必有裂縫與A-A、B-B斷面相通。放空后，派人進(jìn)入引水隧洞檢查也發(fā)現(xiàn)洞壁有裂縫，并有明顯的滲水痕跡。充水時，隧洞內(nèi)水通過該通道補(bǔ)充了山體的地下水，可以簡單稱之為“內(nèi)水外滲”。該地下水水頭作用于A-A、B-B斷面的滲壓計(jì)，使其實(shí)測壓力升高；放空時，該地下水隨之下降，則出現(xiàn)滲壓計(jì)實(shí)測壓力減小的現(xiàn)象。

原因如下：

①在充放水過程中，壩肩帷幕監(jiān)測儀器未監(jiān)測到明顯變化，可以判斷影響A-A斷面和B-B斷面滲壓計(jì)的地下水不是穿透壩肩帷幕薄弱面進(jìn)入山體的。即使庫水穿透帷幕進(jìn)入山體，也不會與充放水過程變化同步。

②2010年1月18日（充水前）1號機(jī)發(fā)電時，PY-1、PY-2、PY-3實(shí)測壓力快速下降也可以證明這一推斷。

③放空后滲壓計(jì)測值減小，但高于充水前狀態(tài)。可能的原因是充水過程中隧洞內(nèi)水對山體地下水的補(bǔ)給，造成隧洞放空后滲壓計(jì)測值不會下降到充水前狀態(tài)。

④同處于B-B斷面的滲壓計(jì)PY-2、PY-3壓力增量幾乎相等，表明滲壓計(jì)未失效，且作用于B-B斷面的水頭相通。

⑤缺陷修補(bǔ)后的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，引水隧洞運(yùn)行期間滲壓計(jì)實(shí)測壓力緩慢下降，直至基本穩(wěn)定。該過程表明充水過程中產(chǎn)生的較高地下水水位隨時間調(diào)節(jié)至自然狀態(tài)。

因此，可肯定造成該現(xiàn)象的原因是引水隧洞洞壁存在裂縫，導(dǎo)致“內(nèi)水外滲”，而非“外水內(nèi)滲”。

3.2 廠房后邊坡灌注樁鋼筋計(jì)監(jiān)測成果分析

3.2.1 抗滑力分析

廠房后邊坡位于壩下游左岸岸邊。該邊坡在開挖后較短時間內(nèi)發(fā)生較大的變形，為阻止變形繼續(xù)發(fā)展，在該邊坡布置有網(wǎng)格梁和灌注樁等抗滑設(shè)施。在廠房后邊坡的灌注樁內(nèi)布置有4個斷面共12支鋼筋計(jì)。從地質(zhì)剖面圖可以看出，邊坡內(nèi)部存在一個滑動帶。1-1斷面（鋼筋計(jì)RGZ1-1、RGZ1-2、RGZ1-3）和 3-3斷面（鋼筋計(jì) RGZ3-1、RGZ3-2后期失效、RGZ3-3后期失效）處于全風(fēng)化層，2-2斷面（鋼筋計(jì)RGZ2-1、RGZ2-2、RGZ2-3）處于弱風(fēng)化層，4-4斷面（鋼筋計(jì)RGZ4-1后期失效、RGZ4-2后期失效、RGZ4-3）處于全風(fēng)化線上。

（1）A-A剖面：

鋼筋計(jì)RGZ1-1、RGZ1-2一直處于受壓狀態(tài)，而同一水平面靠近河谷方向的鋼筋計(jì)RGZ1-3一直處于受拉狀態(tài)；鋼筋計(jì)RGZ2-1、RGZ2-2、RGZ2-3均存在不大的拉應(yīng)力。其變化過程線見圖4。

從1-1和2-2斷面的受力情況及地質(zhì)剖面圖看，1-1和2-2水平斷面之間存在滑動帶，且距2-2斷面較遠(yuǎn)。由于1-1斷面位于全風(fēng)化線上部，1-1斷面下部滑動帶的滑動引起灌注樁的變形，該變形導(dǎo)致灌注樁的1-1斷面鋼筋靠山體側(cè)受壓，靠河谷側(cè)受拉，因此RGZ1-1、RGZ1-2受壓，RGZ1-3受拉，由于RGZ1-1、RGZ1-2安裝位置接近，監(jiān)測數(shù)值亦相近。2-2斷面位于全風(fēng)化線下部，距滑動帶較遠(yuǎn)，灌注樁此位置的鋼筋受拉，且變形較小。由于RGZ2-1、RGZ2-2安裝位置接近，監(jiān)測數(shù)值亦相近。

圖4 A-A剖面鋼筋計(jì)應(yīng)力變化過程線Fig.4 Stress change measured by piezometer on the A-A section

（2）B-B剖面：

鋼筋計(jì)RGZ3-1、RGZ3-2（后期失效）一直處于受壓狀態(tài)，而同一水平面靠近河谷方向的鋼筋計(jì)RGZ3-3（后期失效）一直處于受拉狀態(tài)；鋼筋計(jì)RGZ4-3一直處于受壓狀態(tài)，而同一水平斷面靠近山體方向的鋼筋計(jì)RGZ4-1（后期失效）、RGZ4-2（后期失效）一直處于受拉狀態(tài)。推斷該3-3斷面水平面以上部位存在偏河床向的滑動力。其變化過程線見圖5。

圖5 B-B剖面鋼筋計(jì)應(yīng)力變化過程線Fig.5 Stress change measured by piezometer on the B-B section

由于4-4斷面位于全風(fēng)化線上，4-4斷面上部滑動帶的滑動引起灌注樁的變形，該變形導(dǎo)致灌注樁4-4斷面上的鋼筋靠山體側(cè)受拉，靠河谷側(cè)受壓，因此RGZ4-1、RGZ4-2受拉，RGZ4-3受壓，滑動力指向略偏向上游，因此RGZ4-2受應(yīng)力較RGZ4-1大。3-3斷面基本位于上滑動面，灌注樁鋼筋在此位置的受力與變形情況與4-4斷面基本一致。

灌注樁鋼筋計(jì)測值表明該部位存在河谷向的滑動力，灌注樁起到了抗滑作用。布置于灌注樁周邊的表面變形觀測點(diǎn)也監(jiān)測到了早期位移的存在，其后期變形穩(wěn)定。

3.2.2 混凝土應(yīng)力簡單分析

在灌注樁鋼筋計(jì)中，RGZ1-2和RGZ1-3分別承受最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力，故選取RGZ1-2和RGZ1-3進(jìn)行混凝土應(yīng)力的簡單分析。

簡單地用鋼筋和混凝土彈模的比值來估算混凝土應(yīng)力，依據(jù)的原則是應(yīng)變相等原理。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取C30混凝土彈模3.0×104N/mm2,鋼筋彈模2.1×105N/mm2，則鋼筋計(jì)RGZ1-2接觸混凝土壓應(yīng)力為-4.88 MPa，鋼筋計(jì)RGZ1-3接觸混凝土拉應(yīng)力為5.07 MPa。該結(jié)果已超過C30混凝土的抗拉強(qiáng)度，完全不合理。

實(shí)際上應(yīng)該根據(jù)鋼筋混凝土的實(shí)際材料特性按相容條件建立計(jì)算方程，考慮混凝土產(chǎn)生“自由應(yīng)變”以及鋼筋在綜合應(yīng)力和溫度變化作用下產(chǎn)生的變形，接觸鋼筋處的混凝土應(yīng)變應(yīng)滿足下列方程：

式中，εc為接觸鋼筋混凝土處的應(yīng)變；ε0為混凝土的自由應(yīng)變，一般由無應(yīng)力計(jì)監(jiān)測資料計(jì)算；σs為鋼筋計(jì)實(shí)測應(yīng)力；Es為鋼筋計(jì)的彈性模量；αs為鋼筋的溫度膨脹系數(shù)；ΔT為鋼筋的溫度變化。

將上式變形，可得混凝土應(yīng)變?yōu)椋?/p>

則混凝土應(yīng)力為：

需要說明的是，只有當(dāng)αs=αc,G（t）+εw=0時，才可以近似認(rèn)為σc=σs/10。

據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，取C30混凝土彈模3.0×104N/mm2,鋼筋彈模2.1×105N/mm2，鋼筋計(jì)附近混凝土自生體積變形和濕度變形G（t）+εw＝35×10-6，鋼筋溫度膨脹系數(shù)12×10-6/℃,混凝土溫度膨脹系數(shù)7.5×10-6/℃，ΔT=-5.2℃，將以上數(shù)值代入式（3）計(jì)算得：鋼筋計(jì)RGZ1-2接觸混凝土壓應(yīng)力σc1-2=-6.63 MPa；鋼筋計(jì)RGZ1-3接觸混凝土拉應(yīng)力σc1-3=3.32 MPa。

可看出鋼筋計(jì)RGZ1-3接觸混凝土拉應(yīng)力已接近混凝土抗拉強(qiáng)度，須密切關(guān)注該部位的變化情況。

4 結(jié) 語

（1）通過對引水隧洞滲壓計(jì)測值變化的分析，證明引水隧洞洞壁存在裂縫，該裂縫的存在導(dǎo)致滲壓計(jì)實(shí)測壓力與充放水過程同步變化，并且造成該現(xiàn)象的原因是隧洞“內(nèi)水外滲”，而非“外水內(nèi)滲”。

（2）壩肩帷幕雖然可以起到擋水作用，但隧洞本身也可能出現(xiàn)滲漏通道。對滲壓計(jì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析也是判斷隧洞襯砌完好與否的一種方法。

（3）鋼筋計(jì)的受力大小與方向可以判斷滑動力的大致方向，并與地質(zhì)調(diào)查結(jié)果相驗(yàn)證。

（4）鋼筋應(yīng)力雖未達(dá)到自身抗拉強(qiáng)度，但換算出接觸混凝土的應(yīng)力可能達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度。依據(jù)混凝土應(yīng)力約為接觸鋼筋應(yīng)力的1/10進(jìn)行簡單判斷會過于保守，因此，僅對鋼筋應(yīng)力作單一分析不能作出準(zhǔn)確的判斷。

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