杭州市青山水庫低彈模混凝土防滲墻應(yīng)變觀測資料分析

魏海云,劉正國

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

杭州市青山水庫是一座以防洪為主的綜合性大(2)型水庫,總庫容2.15億m3,校核洪水位37.2 m;正常蓄水位25 m,相應(yīng)庫容為0.385億m3。已運(yùn)行40多年,發(fā)現(xiàn)不少安全隱患,如壩體填筑質(zhì)量較差和壩基滲透變形等。經(jīng)過大壩安全鑒定,青山水庫大壩為三類壩。2002年9月采用低彈?；炷练罎B墻對大壩進(jìn)行除險加固處理,并于2005年12月竣工。

1 防滲墻應(yīng)變觀測布置

青山水庫攔河大壩為寬心墻砂殼壩,最大壩高為26.6 m。低彈模混凝土防滲墻厚80 cm,布置在壩軸線上游3.55 m處,底部深入弱風(fēng)化層即凝灰質(zhì)粉砂巖層0.5 m,彈性模量為2100MPa。圖1為加固后的青山水庫大壩剖面圖。

為了觀測防滲墻應(yīng)力應(yīng)變情況,防滲墻內(nèi)部布置了5個應(yīng)變觀測斷面,樁號分別為壩0+052.00,0+060.00,0+204.00,0+321.00,0+492.00 m。表1給出了典型斷面(壩0+204.00 m)應(yīng)變計(jì)安裝位置。

表1 青山水庫防滲墻 (壩0+204.00 m)應(yīng)變計(jì)安裝位置表

圖1 加固后的青山水庫大壩剖面圖

2 防滲墻應(yīng)變計(jì)初始值

應(yīng)變計(jì)埋設(shè)后,必須先確定基準(zhǔn)值,以基準(zhǔn)值為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算后續(xù)的應(yīng)變值?；鶞?zhǔn)值的選擇,將會直接影響觀測分析成果的準(zhǔn)確性,應(yīng)根據(jù)應(yīng)變計(jì)的彈模和周圍混凝土彈模及硬化時間等而定,一般選擇混凝土開始能帶動應(yīng)變計(jì)一起工作時的測值作為基準(zhǔn)值[1]。對于單支應(yīng)變計(jì)當(dāng)電阻比(或頻率模數(shù))與溫度過程線發(fā)生轉(zhuǎn)折時表明應(yīng)變計(jì)開始工作,這時的觀測數(shù)據(jù)可作為基準(zhǔn)值[2]。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),選擇混凝土終凝前后的觀測值作為基準(zhǔn)值比較合適。當(dāng)混凝土達(dá)到終凝時,混凝土體系的結(jié)構(gòu)已基本穩(wěn)定,并具有一定的強(qiáng)度和剛度,能夠帶動應(yīng)變計(jì)正常工作。普通混凝土的終凝時間一般不超過10 h,和水泥品種、配比、氣溫等因素有關(guān)。對于浙江省的低彈?；炷练罎B墻而言,從杭州市青山水庫開始采用了泵送混凝土施工工藝,根據(jù)混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范的規(guī)定,泵送混凝土的終凝時間應(yīng)≤24 h,配合比中都加了外加劑。防滲墻應(yīng)變計(jì)自身有一定彈模 (多介于500～1500 MPa),只有當(dāng)混凝土凝固過程中彈模接近應(yīng)變計(jì)彈模才能帶動應(yīng)變計(jì)一起工作,因此應(yīng)變計(jì)取基準(zhǔn)值時間與混凝土彈模有關(guān)。常規(guī)混凝土彈模＞20000MPa,取基準(zhǔn)值時間一般為埋設(shè)后24～48 h,浙江省的低彈?；炷翉椖６嘟橛?000～6000 MPa,因此低彈模混凝土的應(yīng)變計(jì)取基準(zhǔn)值時間應(yīng)大于常規(guī)混凝土。

圖2給出了杭州市青山水庫防滲墻的典型應(yīng)變計(jì)初期溫度及電阻比過程線。從圖2中可看出,初期溫度與電阻比過程線發(fā)生轉(zhuǎn)折時間基本為應(yīng)變計(jì)埋設(shè)后的第3天。

綜合上述分析,建議浙江省低彈模混凝土防滲墻內(nèi)部應(yīng)變計(jì)的初始基準(zhǔn)值取48～72 h的讀數(shù)為宜。

圖2 防滲墻應(yīng)變計(jì)實(shí)測初期溫度及電阻比過程線圖

3 防滲墻溫度變化分布

圖3和圖4分別給出了杭州市青山水庫防滲墻 (壩0+204.00m)內(nèi)部溫度過程曲線和各時段防滲墻內(nèi)部溫度沿深度分布。

從圖3和圖4可知,防滲墻澆筑完成后由于水化熱的作用導(dǎo)致了溫度的上升,在開始澆筑后的第2天或第3天溫度達(dá)到最高,以后逐步下降,最后趨于穩(wěn)定,符合混凝土水化熱溫度變化規(guī)律。混凝土凝固后,防滲墻內(nèi)部溫度變化滯后外界氣溫,且埋設(shè)深度越大則滯后時間越長。

從圖3和圖4可知,防滲墻埋設(shè)深度越大,則防滲墻內(nèi)部溫度變化幅度越小。墻體10 m以下各點(diǎn)溫度隨埋深的變化幅度很小,溫度分布介于17.3～19.1℃,基本為恒定溫度。墻體頂部下游側(cè)溫度變化范圍介于11.4～30.9℃,墻體頂部上游側(cè)溫度變化范圍介于14.6～25.6℃;墻體頂部下游溫度變化幅度比上游側(cè)大,這與防滲墻墻前浸潤線高度比墻后浸潤線高有關(guān)。由上述分析可知,防滲墻溫度變化嚴(yán)重滯后于外界氣溫,溫度變化集中在墻體頂部一定范圍,且下游側(cè)溫度變化幅度比上游側(cè)大;墻體中下部溫度隨埋深的變化幅度很小,基本為恒定溫度。鑒于溫度影響僅局限于防滲墻頂部一定范圍,因此一般防滲墻應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算分析可忽略溫度影響。

圖3 防滲墻內(nèi)部溫度過程曲線圖

圖4 防滲墻內(nèi)部溫度沿深度分布圖

4 防滲墻應(yīng)力應(yīng)變變化分布

為了獲得防滲墻混凝土應(yīng)力應(yīng)變,須取得混凝土的溫度線膨脹系數(shù)。將無應(yīng)力計(jì)埋設(shè)在應(yīng)變計(jì) (組)的附近,用來測量混凝土的自由體積變形。無應(yīng)力計(jì)應(yīng)變觀測值代表了測點(diǎn)處混凝土的自由應(yīng)變ε0,其中包括溫度變形、自生體積變形和濕度變形,可以表示為ε0=αCΔT0+G(t)+εw

[2-3]。選擇降溫階段的觀測資料,認(rèn)為此時混凝土內(nèi)部濕度基本不變 (即 G(t)+εw≈0),此時 ε0=αCΔT0,通過無應(yīng)力計(jì)的應(yīng)變和溫度觀測值,計(jì)算出混凝土溫度線膨脹系數(shù)αC。由應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)觀測值和混凝土的溫度線膨脹系數(shù)αC,通過計(jì)算獲得防滲墻混凝土應(yīng)力應(yīng)變。

圖5給出了青山水庫防滲墻(壩0+204.00 m)自由應(yīng)變ε0與溫度關(guān)系曲線。從圖5可看出,各年的混凝土溫度線膨脹系數(shù)是不同的,一般取多年的平均值;考慮到該防滲墻混凝土的各年變化度較大,綜合后取 ac=9×10-6(℃)。

圖5 混凝土自由應(yīng)變與溫度關(guān)系曲線圖

圖6給出了青山水庫防滲墻(壩0+204.00 m)應(yīng)力應(yīng)變時間過程曲線。

圖6 青山水庫防滲墻應(yīng)力應(yīng)變過程曲線圖

從圖6可看出,在蓄水前由于施工、混凝土溫度變化等原因,應(yīng)力應(yīng)變變化都較為劇烈,但是總體上仍然呈現(xiàn)出壓應(yīng)變增加的趨勢,并且這種趨勢前期變化較快,后來越來越小。這是由于前期混凝土在溫度、水位、自重等因素的作用下,發(fā)生了較快的變形,導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變相應(yīng)增加速度較快,但是隨著防滲墻的穩(wěn)定和與周圍土體的協(xié)調(diào),這種變化會逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7給出了青山水庫防滲墻(壩0+204.00,0+321.00 m)應(yīng)力應(yīng)變分布曲線。

圖7 青山水庫防滲墻應(yīng)力應(yīng)變分布圖

從圖7可看出,防滲墻拉應(yīng)變主要出現(xiàn)在初期防滲墻上部10～15 m范圍內(nèi),隨著防滲墻自身溫度逐漸降低和庫水位上升,防滲墻應(yīng)變逐漸向壓應(yīng)變轉(zhuǎn)化,并逐漸趨于穩(wěn)定。

由上述分析可知,在蓄水前由于施工、混凝土溫度變化等原因,應(yīng)變計(jì)變化都較為劇烈,防滲墻拉應(yīng)變主要出現(xiàn)在初期防滲墻上部范圍內(nèi),隨著防滲墻內(nèi)部溫度逐漸穩(wěn)定和庫水位上升,防滲墻應(yīng)變逐漸向壓應(yīng)變轉(zhuǎn)化,并逐漸趨于穩(wěn)定。

5 防滲墻應(yīng)力應(yīng)變回歸分析

防滲墻應(yīng)力應(yīng)變主要與水壓力、溫度、自重、濕漲等因素有關(guān)。相對于壩體而言,防滲墻的滲透系數(shù)較小,水壓力荷載將作用在防滲墻上,這無疑是防滲墻產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變的重要因素。在防滲墻澆筑初期,由于水化熱的作用,溫度應(yīng)力較大,有時可能會使混凝土產(chǎn)生裂縫,但后來隨著水化熱的減小,這種應(yīng)力作用會逐漸減小。在大壩的正常運(yùn)行期,溫度應(yīng)力主要是由于外界氣溫變化引起,壩體內(nèi)部溫度變化不大,溫度應(yīng)力主要產(chǎn)生在壩頂附近。壩體在自重和豎向荷載的作用下會產(chǎn)生應(yīng)力,自重應(yīng)力主要取決于壩高,在防滲墻澆筑完畢穩(wěn)定后,自重應(yīng)力一般不再變化。相關(guān)研究資料表明,當(dāng)壩體混凝土含水率增加到一定值時,濕漲應(yīng)力是一個常量。影響防滲墻內(nèi)部應(yīng)力的另一個主要因素是壩體與防滲墻的彈性模量不同,容易造成壩體與防滲墻的不均勻沉降,使得防滲墻與壩體之間產(chǎn)生摩擦力,當(dāng)兩者彈模相差較大時,摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力要遠(yuǎn)大于自重產(chǎn)生的應(yīng)力[4]。通過以上的分析可以看出,除水壓力和溫度是經(jīng)常變化外,其他因素在壩體穩(wěn)定后變化基本很小。對于除險加固工程來說,壩體和防滲墻工后不久將穩(wěn)定。因此,下文著重分析大壩正常運(yùn)行期間水壓力、溫度與防滲墻應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系。

防滲墻應(yīng)變計(jì)的實(shí)測資料表明,其主要受溫度和庫水位及應(yīng)力應(yīng)變時效特性等影響。防滲墻應(yīng)力應(yīng)變的回歸模型可概括為[5]:

式中:ε為防滲墻應(yīng)力應(yīng)變,且拉應(yīng)變?yōu)檎?壓應(yīng)變?yōu)樨?fù);T為應(yīng)變計(jì)測量點(diǎn)溫度(℃);HW為庫水位(m);θ為蓄水初期開始的天數(shù)除以100;ai(i=0、1、2、3、4、)為回歸系數(shù)。

基于公式 (1),表2給出青山水庫防滲墻(壩0+204.00 m)上游側(cè)應(yīng)力應(yīng)變觀測值模擬回歸系數(shù)。圖8給出了青山水庫防滲墻(壩0+204.00 m)上游側(cè)應(yīng)力應(yīng)變模擬曲線。

從表2和圖8可看出,防滲墻應(yīng)力應(yīng)變與溫度、庫水位和應(yīng)力應(yīng)變時效特性等因素的相關(guān)性較好。防滲墻頂部壓應(yīng)變與溫度呈正相關(guān),尤其是應(yīng)變計(jì)II-2測點(diǎn)的相關(guān)度最顯著;中上部應(yīng)力應(yīng)變與庫水位相關(guān)性較小;下部應(yīng)力應(yīng)變(如應(yīng)變計(jì)II-24～I(xiàn)I-28)受庫水位影響較大,與庫水位的回歸系數(shù)為正值且比較大。

由上述分析可知,防滲墻頂部應(yīng)變受溫度影響較大,受庫水位影響較小;防滲墻下部應(yīng)變受溫度影響很小,主要受庫水位影響。

表2 青山水庫防滲墻應(yīng)力應(yīng)變模擬回歸系數(shù)表

圖8 防滲墻應(yīng)力應(yīng)變擬合曲線圖

6 結(jié)論與建議

通過杭州市青山水庫防滲墻應(yīng)變監(jiān)測資料分析,初步得出了低彈?；炷练罎B墻溫度和應(yīng)變變化規(guī)律,具體如下:

(1)根據(jù)青山水庫防滲墻應(yīng)變計(jì)觀測資料分析,并考慮低彈?；炷聊踢^程較長,選擇混凝土彈模大于應(yīng)變計(jì)自身彈模時的測值作為基準(zhǔn)值,建議浙江省低彈模混凝土防滲墻應(yīng)變計(jì)的初始基準(zhǔn)值取48～72 h左右時的讀數(shù)為宜。

(2)防滲墻頂部一定范圍內(nèi)受外界氣溫變化的影響較大,且墻體頂部溫度變化嚴(yán)重滯后于外界氣溫變化;墻體中下部溫度隨埋深的變化幅度很小,基本為恒定溫度。

(3)防滲墻應(yīng)變在前期由于混凝土凝固、水化熱、庫水位、與周圍土體的協(xié)調(diào)等作用下變化較快,后來這種趨勢慢慢減緩。拉應(yīng)變主要出現(xiàn)于初期防滲墻上部,隨著墻體溫度穩(wěn)定和庫水位升高,逐漸向壓應(yīng)變轉(zhuǎn)化,并逐漸趨于穩(wěn)定。

(4)防滲墻頂部一定范圍應(yīng)力應(yīng)變受溫度影響較大,防滲墻下部應(yīng)力應(yīng)變受庫水位影響較大。鑒于溫度影響僅局限于防滲墻頂部,故一般防滲墻應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算分析可忽略溫度影響。

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