結(jié)構(gòu)應(yīng)力對混凝土壩應(yīng)力變形狀態(tài)的影響

［俄羅斯］ А.Н.馬爾丘克等

結(jié)構(gòu)應(yīng)力對混凝土壩應(yīng)力變形狀態(tài)的影響

［俄羅斯］ А.Н.馬爾丘克等

基于實地觀測結(jié)果，弄清楚了周邊地質(zhì)環(huán)境的自重應(yīng)力值對混凝土拱壩和靜態(tài)混凝土支撐壩無法確定的應(yīng)力變形狀態(tài)形成過程所產(chǎn)生的影響，以及其在“壩－基礎(chǔ)－水庫”體系中所發(fā)揮的作用。對確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力和對大壩靜、動態(tài)條件下的運行狀態(tài)實施監(jiān)控過程中的應(yīng)力進行計算方面，提出了合理化建議。

地殼;結(jié)構(gòu)應(yīng)力;混凝土壩;影響

1 背景

通過對不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)區(qū)域(奇爾克伊克、薩彥－舒申斯克、結(jié)雅、米阿特林斯克、托克托古利斯卡亞、庫爾普塞斯卡亞、因古爾斯卡亞等地區(qū))高水頭混凝土大壩的實地觀察和研究，發(fā)現(xiàn)這些大壩存在非設(shè)計應(yīng)力變形狀態(tài)。為此，僅僅依據(jù)國內(nèi)所積累的經(jīng)驗和現(xiàn)有的文獻資料來解釋圍巖體和大壩的許多異?，F(xiàn)象，竟然是不可能的。這些異?，F(xiàn)象包括:應(yīng)力成倍數(shù)地增加、變形、位移、拱壩上游面的拉應(yīng)力、巖基和河岸混凝土接合處開裂、壩與岸邊接合處位移、拱壩的弦長發(fā)生變化、斷面向上游方向移動，而且與計算值相比，還存在其他一些設(shè)計偏差。

在瑞士，對莫武阿津(Мовуазен)拱壩，在法國對博爾(Вор)和季尼(Тинь)拱壩的大壩接合處的變形進行了首次專業(yè)技術(shù)觀測，以彈性論觀點來看，其結(jié)果令人意外:河岸出現(xiàn)了靠攏，而不是分離的現(xiàn)象。1979年，在新德里國際大壩委員會(ICOLD)第十三次代表大會上，P.列因(Лейн)以結(jié)構(gòu)應(yīng)力對大壩壩軸線變形影響為論點，作了大會交流發(fā)言。隨著地質(zhì)力學(xué)、地球物理學(xué)、地震聲學(xué)以及混凝土建筑物和巖石等其他一些現(xiàn)代化研究方法的發(fā)展，確定大壩壩軸線上河岸巖體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，已成為工程地質(zhì)勘探中必要的組成部分。

2 實例

2.1 薩彥－舒申斯克水電站

1962～1963年，在莫斯科大學(xué)(МГУ)Г.С.佐洛塔廖娃(Золотарева)教授主持下，對薩彥 － 舒申斯克水電站高程320～330 m處大壩與岸邊接合處巖石塊體的應(yīng)力狀態(tài)進行了勘測研究。根據(jù)研究數(shù)據(jù)，獲得了以下結(jié)構(gòu)區(qū)域接觸部分的自重應(yīng)力值:

(1)左岸。垂直自重應(yīng)力為24.5～48.0 MPa，水平自重應(yīng)力為24～36 MPa。

(2)右岸。垂直自重應(yīng)力為 14.8～32.5 MPa，水平自重應(yīng)力為 10.2 ～21.7 MPa。

薩彥－舒申斯克大壩基礎(chǔ)為德熱巴什科－德若依斯克復(fù)背斜層上堅硬的變質(zhì)頁巖。左岸的垂直應(yīng)力值較高，其原因可能是存在有陡峭的寒武紀花崗石侵入巖，該侵入巖沖破了元古代復(fù)背斜層上的頁巖，且繼承并保持著運動趨勢。由于巖石塊體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)活性，有時也會出現(xiàn)水平自重應(yīng)力大于垂直自重應(yīng)力的情況，比如，托克托古利斯克和因古爾斯卡亞水電站的壩址區(qū)域。

電力部門地球力學(xué)監(jiān)測中心(ЦСГНЭО)的專家們，以當時所采用的部分孔洞口減荷的方法作為例證，對莫斯科大學(xué)1963年獲得的研究結(jié)果提出了懷疑。ЦСГНЭО的專家們認為，在薩彥－舒申斯克大壩施工之前，比較切合實際的最大水平應(yīng)力值約為18 MPa。1995年和2002年，監(jiān)測中心的專家聯(lián)手俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院采礦工程研究所(ИГДСОРАН)的同行們，采用水力斷裂法，對高程467 m處的左岸廊道端部的水平結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行了監(jiān)測，獲得的監(jiān)測值分別為9 MPa和6 MPa(見圖1)。這些監(jiān)測值足以證明自1978年以來，在大壩運行的過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生減荷的事實。與此同時，壩體中拱的壓應(yīng)力在增加，而且目前仍在繼續(xù)增加，盡管有效水頭降低了1 m。

圖1 1995年和2002年測得的薩彥－舒申斯克水電站左岸壩與岸邊接合處巖體中的水平結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力的變化狀態(tài)(а)和測點分布(б)

相對于基本荷載的矢量來說，其主要矢量的方向是確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力對建筑物應(yīng)力變形狀態(tài)影響的主要因素。俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院地殼研究所(ИЗКСОРАН)對壩址所在區(qū)域局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力場的結(jié)構(gòu)進行了重新研究，由其研究數(shù)據(jù)可以看出，正常情況下，壓力的主矢量是朝著河床方向，拉應(yīng)力的主矢量是順著河床方向，而在靜水壓力的作用下，則是向著大壩方向(圖2)。這樣，雖然結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力可以提高大壩的抗剪穩(wěn)定性，但是，可能會使下游面混凝土中拱的壓力增加到不能接受的程度(2007年，監(jiān)控點的拱的壓應(yīng)力達到了19.5 MPa)。埋設(shè)在河岸處的一些測縫儀和拱壩弦長的測量數(shù)據(jù)表明，河岸監(jiān)控點之間距離縮小的速度放緩，這一點符合拱應(yīng)力的變化特性(見圖3)。左岸同一高程處的位移特征與右岸的相似，只是不可逆分量小一些，為0.7 mm，而右岸則是因為拱的應(yīng)力較高，所以為0.9 mm。

圖2 薩彥－舒申斯克水電站壩址區(qū)局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力場主軸線示意

圖3 根據(jù)變形計和測縫儀測量指標繪制的薩彥－舒申斯克水電站右岸壩與岸邊接合處沿巖石－混凝土接觸點水平位移與上游水位的關(guān)系曲線

局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力場的主拉應(yīng)力矢量決定著大壩有可能向下游位移，而且，俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院采礦工程研究所已經(jīng)確定，基礎(chǔ)中存在諸如已準備好向左側(cè)位移的巖石斷層。在薩彥－舒申斯克大壩以設(shè)計狀態(tài)投入運行的最初幾年，利用大地測量方法對建筑物進行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果是:河岸廊道的末段移動了20～30 mm，水電站大壩接縫閉合，下游大壩周邊水準導(dǎo)線的基準點上升了15～20 mm，距大壩1 km處約為5 mm。這是由于大壩承受的靜水壓力作用，因而沿河床發(fā)生的明顯位移。在與基礎(chǔ)的接觸面上，這種位移大約為20～30 mm，縱向復(fù)蓋深達60 m。在40 m深處，反向鉛錘錨碇出現(xiàn)了無阻尼的位移。

在結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響方面，最有說服力的例子是，在大壩接觸部分的下面，拱的壓應(yīng)力為穩(wěn)定增長，這一區(qū)域的溫度狀態(tài)為恒溫，外部人為干擾和地震影響明顯較小。

比如，在右岸10號壩段高程430 m處的上游面，當上游水位為539 m時，應(yīng)力從1997年的 5.2 MPa增加到了2007年的 5.9 MPa;在對稱的55號壩段，從7.4 MPa增加到了8.4 MPa。高程320 m 處的18號河床壩段，應(yīng)力從3 MPa增加到了 3.3 MPa。大壩的下游面應(yīng)力增加的更厲害:左岸3號壩段高程512 m處，應(yīng)力從1997年的16 MPa增加到2007年的19.5 MPa;18號壩段的接觸部分，從5 MPa增加到8.3 MPa;關(guān)鍵壩段的接觸部分，從 1.8 MPa增加3.7 MPa。右岸45號壩段的接觸部分，應(yīng)力從 1997年的 4.9 MPa增加到 2001年的 5.3 MPa;與左岸3號壩段對稱的64號壩段，拱壓應(yīng)力從1997年的 2.4 MPa增加到2001年的 3.9 MPa。在這個范圍，壩與岸接合處和壩體中的應(yīng)力仍然沒有穩(wěn)定。穩(wěn)定狀態(tài)不至于會出現(xiàn)在地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，而且按1997年編制的特別建筑工程區(qū)劃分圖(ОСР－97)確定的具有9級地震危險程度的區(qū)域。

2.2 托克托古利斯卡亞水電站

吉爾吉斯斯坦納倫(Нарын)河上托克托古利斯卡亞水電站“大壩—基礎(chǔ)—水庫”體系中的應(yīng)力場相當重要?？碧狡陂g，上部石灰石巖體的自重應(yīng)力為6.5 MPa，中部的為7 MPa，下部壓應(yīng)力矢量沿法線往河床方向達到17 MPa。左岸壩段混凝土中測得的同一個方向的最大壓應(yīng)力為3.8 MPa。這說明，在高程900 m和837 m之間水庫的可變水位區(qū)，岸邊與巖體接合部位存在的結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)了局部減荷。從較高的左岸一側(cè)，發(fā)現(xiàn)存在蠕變應(yīng)力，而且該現(xiàn)象在周邊較穩(wěn)定的大壩壩段間的接縫中已有顯現(xiàn)。右岸上游面裂縫開度達0.4 mm。直線鉛錘測量指標表明，壩段微傾斜于右岸，該結(jié)果也證實了左岸一側(cè)確實出現(xiàn)了蠕變(圖4)。

采用索式伸長儀，對壩頂上方右岸斜坡進行了觀測，結(jié)果顯示，存在不可逆的垂直移動元素，這可能是結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力和揚壓力導(dǎo)致的結(jié)果。以下狀態(tài)也能證實該結(jié)果:沉降恢復(fù)過程緩慢(2004年，恢復(fù)了4.8～5.1 mm);滲漏量從1994年的87 L/s降到2000年的52 L/s。值得引起注意的是，基礎(chǔ)裂縫的淤化也會對滲漏量減小起到影響作用。由于該地區(qū)靠近塔拉斯－費爾干納(Таласо －ферганского)和納倫 －奇奇干(Нарыно － Чичканского)一級斷裂區(qū)，且地震活動頻繁，所以致使壩址所在區(qū)域的應(yīng)力場不恒定。對此，有一種相當可行的措施，就是將大壩壩段間的接縫設(shè)計為楔形，以便使荷載傳遞到河岸。

圖4 根據(jù)直線鉛錘測量指標(Y軸)，托克托古利斯卡亞大壩沿軸線的最大位移(2004年)及旁側(cè)滲漏壓力分布(2005年)

一些具有危險性和不穩(wěn)定特性趨勢的巖體，對大壩應(yīng)力變形狀態(tài)產(chǎn)生的影響最大。比如，在奇爾克伊克(Чиркейская)水電站，荷載從較高的左岸具有不穩(wěn)定特性趨勢的巖體傳給了大壩，內(nèi)含粘土層的碳酸鹽頁巖巖體(哈杜姆斯克背斜層)產(chǎn)生錯位，斜層向河床和上游傾斜。結(jié)果，壩體中的應(yīng)力出現(xiàn)了不對稱、沿蠕變矢量傾斜式分布，通過采用地震透視法證實了這一狀況(圖6)。而且，壩頂微凹凸，旁側(cè)的滲漏量分布極不均勻，大約92%是經(jīng)過右岸。

左岸具有不穩(wěn)定特性趨勢的巖體甚至對夾在峽谷中的大壩堵塞物移動產(chǎn)生影響。1 a(2006～2007年)中，左岸的標記向下游方向移動了1.2 m。然而，這些情況并沒有威脅到平穩(wěn)運行中的大壩強度和穩(wěn)定性，因為蘇拉克(Сулак)河的峽谷中塞滿了大體積混凝土塊。只有在發(fā)生10級最大計算地震的情況下，才可能會受到影響。

2.3 其他觀測研究

米阿特林水電站拱壩壩址處的情況比較復(fù)雜，因為右岸發(fā)生了體積為3 000萬m3的坍塌。坍塌體往大壩方向移動了7 m多，受切向應(yīng)力的影響，又轉(zhuǎn)向基巖和大壩的右岸。壩拱產(chǎn)生凹凸，大壩關(guān)鍵壩段的頂部偏向上游8 cm，而根據(jù)計算數(shù)值，應(yīng)向下游偏7 cm。左岸下游的下面部分的拱應(yīng)力超過了15 MPa。此外，坍方的移動也促使右岸基巖中裂縫的開裂，并在正常蓄水位和裂縫填料流失的情況下，促使形成繞流滲漏，在這種狀態(tài)下，迫使大壩在低水頭條件下運行。

設(shè)計時，計算過平面問題的結(jié)雅水電站支墩壩，因受地勢較高右岸(地處地震活動頻繁的圖庫林戈拉(Тукурингра)山脈)的蠕變壓力影響，出現(xiàn)了體積應(yīng)力狀態(tài)。支墩由腔室蓋板和電站部分的水輪機輸水管聯(lián)接在一起，需要經(jīng)受橫向變形的考驗。根據(jù)西伯利亞水工科學(xué)研究院(СибВНИИГ)的數(shù)據(jù)資料，支墩頭部的應(yīng)力應(yīng)達到17 MPa的壓應(yīng)力水平。由于根據(jù)設(shè)計方案地震危險度從6度提高到了9度(根據(jù)OCP－97)，從而使狀態(tài)變得更加復(fù)雜。

實地觀察結(jié)果分析表明，沃格特(фогт)著作中關(guān)于大壩與河岸接合處柔韌性的論點遠遠不會總是正確的。對于結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)力高、建造復(fù)雜的背斜式巖體建筑物來說，這個論點不可能被接受。河岸對大壩的影響機理，可以通過下面2個主要因素進行闡述:

(1)根據(jù)捷爾扎吉－金尼克假設(shè)，由于水飽和和繞流滲漏原因，在巖層中的抗剪強度降低的情況下，由于巖體自身而產(chǎn)生的泊松變形;

(2)因上游水位發(fā)生變化、斜坡的凍融、日光加熱及廖賓德爾(Ребиндр)效應(yīng)(水飽和時，巖土的粘著力下降)，而使河岸巖體中結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)力發(fā)生減荷。

水庫庫底下沉、基礎(chǔ)變形模數(shù)降低以及局部地震活性，同樣也會促使河岸位移。根據(jù)捷爾扎吉－金尼克的假設(shè)，對奇爾克伊和薩彥－舒申斯克水電站大壩的河岸接合一側(cè)的水平壓應(yīng)力增加值進行了驗算。驗算結(jié)果表明，與巖石應(yīng)力變形狀態(tài)測量值相符的計算值，都是可以接受的。這些附加應(yīng)力值可根據(jù)下式確定:

式中，Δσh為距較高河岸一側(cè)日照地表h深處巖石的靜荷載應(yīng)力;ΔW為來自較高河岸一側(cè)的繞流滲漏靜水壓力;α2為壓力傳遞效率系數(shù)，取決于巖體裂隙度，α2=0.5…0.8;μ 為泊松系數(shù)。

在這種情況下，需要根據(jù)距接合處的高程來確定岸邊接合的比選高度。應(yīng)當注意到，正是由于在上游水位發(fā)生變動以及發(fā)生的繞流滲漏的作用下，而導(dǎo)致這類岸邊塊體體積的密實度弱化和減荷。對于根據(jù)公式(1)所得到的應(yīng)力Δσz，應(yīng)該再增加一個通過實驗確定的結(jié)構(gòu)的減荷應(yīng)力σT。對于特殊荷載的組合，由于最大設(shè)計地震作用所產(chǎn)生的地震應(yīng)力σC，則應(yīng)根據(jù)標準確定。這樣，由來自河岸邊的地球力學(xué)的影響而產(chǎn)生的極限可能，可通過下面的公式確定:

根據(jù)公式(2)，即可求出岸邊與壩接合處的監(jiān)測量。在查勘期間，務(wù)必要確定大壩接合處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及這些應(yīng)力的局部主要矢量。根據(jù)編制的現(xiàn)行有效的大壩測量體系，可以獲得考慮到了地球力學(xué)影響的建筑物的應(yīng)力變形狀態(tài)總體狀態(tài)圖?？梢酝ㄟ^采用水力斷裂法、應(yīng)力補償法以及回歸分析法，對巖土中結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)力進行反復(fù)的系統(tǒng)性的測定，在極端上游水位和荷載特殊組合期間，必須通過采用大地測量的方法，對斜坡位移進行監(jiān)控，并測量拱壩的壩弦和支撐壩壩址處岸邊之間的距離。非常重要的一點是，對巖石－混凝土接合部位、河床及河岸邊要采用合適的測量工具，并對各種檢測儀和目測觀察的測量結(jié)果進行綜合分析。

3 結(jié)語

(1)在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和地震頻發(fā)地區(qū)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力對混凝土大壩的應(yīng)力變形狀態(tài)會產(chǎn)生相當大的影響，其影響程度取決于基礎(chǔ)的堅固性、斷層度、地貌以及結(jié)構(gòu)特點。

(2)在設(shè)計階段，應(yīng)根據(jù)捷爾扎吉－金尼克的假設(shè)，可以考慮將結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響適當?shù)乜醋魇瞧渥钚〉目赡苤?。在技術(shù)方案中，必需考慮到對建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)采取的補償措施，以便最大限度地減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力的負面影響，并充分利用這一應(yīng)力來提高大壩的穩(wěn)定性及其強度。

(3)如果高水頭大壩在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的地區(qū)運行，那么，應(yīng)當對壩址區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力場實行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，對可能會出現(xiàn)的具有危險性的快速和緩慢的結(jié)構(gòu)運動做出較為精確的預(yù)測。

梅 莉 譯自俄刊《水工建設(shè)》2011年第10期

趙秋云 校

TV642

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1006-0081(2012)09-0021-04

2012-06-26