干燥氣候條件下混凝土大壩下游面和溢流面結構研究

［俄羅斯］ А.Н.沃倫奇科夫 等

環(huán)境溫度變化相當大，是水工建筑物在干燥氣候條件下運行的特點。由國立水工建筑物設計院(Гидрпроект)設計，修建在安加拉(Ангара)河(克拉斯諾亞爾斯克邊疆區(qū))上的博古昌水電站(Богучанская ГЭС)，就是在這種條件下運行。

建筑規(guī)范規(guī)定，在進行水工建筑物的可靠性和安全性論證時，必須考慮溫度產生的影響。根據(jù)分類，對施工期和運行期的溫度影響進行了確定，認為外部空氣中，月平均溫度為平均變幅的溫度影響，屬于臨時性的，但影響時間持續(xù)較長?？諝庵械脑缕骄鶞囟冗_到最大變幅的年溫度影響，則屬于特別的溫度影響。

利用有限元方法解決熱傳導的不穩(wěn)定問題，從中可以獲得1月份混凝土大壩中溫度的分布情況，詳見圖1。溫度對大壩應力變形狀態(tài)產生影響的機理，在于大壩中心區(qū)域(此處溫度的季節(jié)性變幅不是很大)和與外部空氣接觸處的(此處的溫度變幅最大)大壩外表面之間所產生的溫度差。大壩核心部位的溫度變幅較小，而裸露的外表面，其溫度變幅最大。大壩表面趨于冷卻的混凝土，如果體積發(fā)生收縮，則將阻礙大壩核心部位進一步發(fā)熱。結果，相對于較熱的大壩中心的混凝土層來說，冷卻后的表層混凝土便會產生拉應力。拉應力在大壩表面延伸，如果拉應力大于混凝土應力的強度，那么，施工縫便會張開或形成新的裂縫。

圖1 混凝土大壩溢流段1月份的溫度分布狀況(在全年月平均溫度為平均變幅的情況下)

混凝土全年的熱應力狀態(tài)是變化不定的:裸露在外部空氣中的大壩表面在冬季會產生拉伸，在夏季反倒會產生收縮。

對于施工條件下的博古昌水電站來說，在年平均溫度為-3.2℃時，對于溫度變幅為平均變幅年而言，月平均氣溫的季節(jié)性變幅為47℃，對于為最大的溫度變幅年而言，月平均氣溫的季節(jié)性變幅為57℃。由圖1可見，大壩中心的混凝土溫度接近年平均溫度。1月份，大壩核心部位與下游面的溫度差達到25℃。

現(xiàn)代設計實踐中，在對建筑物及結構的可靠性和安全性進行論證時，主要是采用的大量連續(xù)介質的機械方法，這也是規(guī)范文件中規(guī)定的。在解決熱傳導問題時所獲得的溫度差，與其他荷載和影響(靜力影響、地震影響、動力影響)一起，被作為溫度的影響，應在基于“水工建筑物—基礎”體系的數(shù)學模型研究中加以考慮。對于指定的荷載及影響組合的建筑物的應力變形狀態(tài)，是采用有限元方法進行計算。在計算時，對大體積混凝土壩，是采用“SOLID”類型的體積有限元方法進行模擬計算?！癝OLID”一般為四方體或六面體，根據(jù)確定采用的計算法，可以為其設定有效的混凝土結構變形模數(shù)。

假定溫度影響分布在連續(xù)的混凝土中，上述應力變形狀態(tài)計算表明，大壩下游面產生的較大拉應力，無論是在混凝土的垂直方向，還是在水平方向上，都同時存在。為了使大壩下游面的強度得到保證，允許裂縫的開度達到0.3 mm，但是這樣就導致必須配置大量的鋼筋，如圖2所示，配筋量可達100～200 cm2/m2;或者沿整個壩面安裝鋼筋網(wǎng)(100～150 cm2/m)。圖2是鋼筋的面積分配情況，這是根據(jù)混凝土的應力狀態(tài)得出的。顯而易見，根據(jù)得到的結果，在下游面實施配筋，實際上是不可能的。

圖2 混凝土大壩的封閉壩段(從假定的連續(xù)混凝土中得出的水平與垂直方向配筋所需的面積)

布拉茨克(Братская)、烏斯季伊利姆(Усть-Ильмская)，以及其他一些運行在干燥氣候條件下的水電站，在當時設計時，并未考慮到在對混凝土建筑物的應力變形狀態(tài)進行計算時，應直接記入溫度的影響因素。因為當時計算機的計算能力以及相應的用于數(shù)學模擬的計算程序都有限。因此，圖2中高水平的配筋方式還未被設計出來。

水工建筑物在干燥氣候條件下良好運行的經(jīng)驗表明，所設計和配置的結構鋼筋完全能夠使建筑物的安全性和可靠性得到保證。因此，沒有必要為了承受較大的拉應力，像圖2所示的那樣，而借助鋼筋的力量來保證裂縫開度在0.3 mm以內。

實際上，大壩的大體積混凝土不是連續(xù)介質，在實施混凝土澆筑時，通常均設有橫向和縱向的施工縫。根據(jù)計算結果，應當說，在干燥氣候條件下，混凝土的有效變形模數(shù)會出現(xiàn)衰減。當然，其衰減程度似乎更多地是取決于施工縫。

施工縫的設置，使大體積混凝土塊有了變形的自由度，而且與連續(xù)的不斷開的介質相比，拉應力也會大大減小。相應地，設置的施工縫間隙越小，混凝土中的拉應力就會越小，以及施工縫的開度也就會越小，這樣一來，傳導給鋼筋的應力也越小。

在對溫度影響進行計算時，考慮到了混凝土的極限拉伸性，即當達到該極限拉伸性時，裂隙的形成便會終止，而且不再發(fā)展，混凝土也能夠承受已規(guī)定的拉應力級別。

必須指出的是，鋼和混凝土都具有相同的溫度膨脹系數(shù)。當溫度變形超過混凝土的極限拉伸性時，僅僅依靠加筋來防止鋼筋混凝土中裂隙的形成是不可能的。配筋的主要目的在于限制裂縫的開度，其中也包括杜絕大型裂縫的形成。

在考慮計算鋼筋混凝土的變形性時，要借助于有效的混凝土結構變形模數(shù) Ebd。設αΔT＞εlim，在這種條件下，能夠承受裂縫形成的混凝土中的溫度應力將在0至混凝土抗拉強度之間。那么，在這種情況下，按照下式即可以計算出鋼筋的應力:

式中，α為混凝土線性膨脹系數(shù);ΔT為溫度差;εlim為混凝土極限拉伸性;Ebd為混凝土有效結構變形模數(shù);Ab為混凝土斷面面積，亦即便于在大體積混凝土計算中采用的單位面積(1 m×1 m);As為Ab斷面面積中的鋼筋面積。

在鋼筋彈性模數(shù)比為Es/Ebd＞10的條件下，可以認定，混凝土中產生裂縫時，鋼筋中的應力將達到規(guī)定的標準的鋼筋抗拉強度。

可以說，超出混凝土極限拉伸性的結構變形，表現(xiàn)在施工縫的開度上，確定鋼筋面積和施工縫的間距，可以評估溫度縫開度數(shù)值的大小。博古昌水電站溫度差計算和鋼筋混凝土特性計算結果見表1。

表1 根據(jù)博古昌水電站條件下的施工縫間距及配筋量所做的溫度施工縫寬度評估

所做的大壩應力變形狀態(tài)分析，包含對各種形式的施工縫開度方案進行三維計算，以及借助于模擬試驗來完成對大壩應力變形狀態(tài)的計算，即完成對大壩下游部位的縱、橫施工縫系列進行的模擬實驗。由圖3可以看出，當下游階梯溢流面的水平施工縫之間的開度為1.5 m時，拉應力和配筋的需求量都會大幅降低。未對大壩上游部位的施工縫做模擬試驗，其配筋計算特性同圖2。

圖3 混凝土大壩溢流段(1～3號墩)根據(jù)施工縫開度所計算出的水平與垂直配筋所需面積

對比圖2和圖3，可以得出以下結論，下游面的布置形式(封閉壩段平整，溢流壩段為階梯式)，一般不會對大壩的溫度應力狀態(tài)特性產生明顯的影響。

對重力壩下游面的混凝土產生溫度裂縫的原因進行了分析，結果表明，配筋只具有一種功能，即限制施工縫的開裂寬度。因此，即使是完全不配筋，也能達到這種效果(縫的間距、寬度和開度)。也就是說，只需將混凝土的拉應力降低到混凝土抗拉強度的水平，便可使施工縫得以穩(wěn)定。

對于大壩應力變形狀態(tài)來說，由于混凝土具有的熱物理學性能，溫度比降隨著在表面的消退，也會快速減小，溫度的影響在幾米深處即會消失，這一點至關重要。研究表明，在博古昌水電站大壩未配筋的斷面上，所設置的水平施工縫深度為3～4 m。這并未給包括上游面區(qū)域在內的總體應力變形狀態(tài)，以及大壩和壩基的穩(wěn)定性，造成實質性的影響。

應當根據(jù)下游面的功能和用途，來看待與溫度影響有關的混凝土大壩下游面的配筋特性。

1 壩下游面

配筋僅僅是為了滿足結構方案的需要，也就是說，在有施工縫開裂的情況下，為了保證下游面的完整性，以及壩體的強度和穩(wěn)定性，可以根據(jù)表1確定施工縫開度的寬度。一般情況下，對于結構性的配筋，其施工縫的寬度會超過《建筑標準與規(guī)范》(СНиП)要求的寬度(0.25～0.30 mm)。但是，施工縫的寬度不會影響到大壩的可靠性和安全性。這是因為下游面的配筋不具有力的作用，而分縫施工卻具有臨時性的特征，因為在寒冷的冬季，腐蝕活性最小。因此，如果經(jīng)過計算，配筋只會引起溫度的影響，那么可以考慮在封閉壩段的下游面混凝土中配置結構性鋼筋。在寒冷的冬季，與規(guī)范的允許值相比，施工縫的寬度允許達到最高值。配筋的密集，并不會提高大壩的可靠性和安全性。

2 大壩階梯溢流面

從實用方面來看，大壩階梯溢流面施工縫的開度大小具有較大的意義。因此，經(jīng)過包括對施工縫的計算在內進行的計算，結果表明，對于溢流面，必須配筋(圖3)。由于結構原因，下游面配筋數(shù)量最多的是在穿越水流的方向上。這是因為與水平線上的垂直施工縫之間的距離相比，垂直線上的水平施工縫之間的距離要小。

從上述對混凝土溫度影響機理進行的研究結果來看，在干燥氣候條件下運行的大體積混凝土壩，對于其下游面(封閉壩段或溢流壩段)的結構來說，應當適當縮小各方向的不同類型施工縫之間的距離(垂直與水平的塊體施工縫、分割壩段的叉狀切割縫)。

必須注意施工縫的結構形式。如果配筋不穿過施工縫，那么，下游面的混凝土塊體就具有最大的變形自由度(其結果是混凝土塊體的應力最小)。然而，從施工角度來看，這些在施工縫密集的部位是不可能做到的。因此，只推薦將這種方案在溢流面采用，因為最重要的是裂縫的形成能夠得到控制。圖4為所推薦方案的配筋示意。

圖4 階梯溢流面配筋示意

3 鋼筋混凝土結構連接部位的配筋

如上所述，在一定的結構區(qū)域形成補充應力的同時，溫度也會對建筑物的應力變形狀態(tài)產生較大的影響。同時，眾所周知的是，任何一個施工斷面上累積的力的作用都將是零。溫度的影響將會導致裂縫形成，而任何一條裂縫都會導致應力在其自己的作用區(qū)域進行重新分布，這種重新分布可能帶有局部特性，也可能會導致結構本身的特性發(fā)生改變，并改變結構的靜態(tài)工作方式，最終使連續(xù)的結構分割成若干個部分等。由于靜態(tài)應力，比如，在拉力的作用下，已改變的結構會發(fā)生破壞。因此，為了保證結構的可靠性和安全性，重要的是，在裂縫產生時，就應消除結構的靜態(tài)作用方式發(fā)生改變的可能性。

對伸向位于大壩下游面的橋式壩段的懸臂梁進行了研究，懸臂梁的配筋見圖5。在對懸臂梁進行計算時，其方法與連續(xù)結構的計算方法一樣，在計算過程中，考慮到了水平施工縫的開度情況，水平施工縫適宜于用作下游面大體積混凝土的段間接縫。正如計算結果所表明的，縫的開度將導致對所需要的配筋進行重新分配，結果，致使上游面的懸臂梁上產生一些拉應力區(qū)段。

應當引起注意的是，穿過懸臂梁的鋼筋AZ(圖5，в)。它所引起的溫度變形并不是在懸臂梁本身(懸臂梁上實際上不存在溫度差，因為其各個面都是裸露的)，而是在其嵌固端的Z方向(橫向水流方向)上，也就是大壩的下游面發(fā)生變形。懸臂梁猶如一個剛性構件，承擔著下游面混凝土的抗拉應力，因為該應力本身又會引發(fā)懸臂梁的拉應力。

類似的應力狀態(tài)還發(fā)生在垂直方向的大壩下游面，垂直方向的懸臂梁如同下游面的加強肋，一旦懸臂梁上出現(xiàn)有垂直拉應力，就必需沿其嵌固端配置大量的垂直鋼筋(圖5Б)。

圖5 橋式壩段懸臂梁所需的鋼筋

通過對各種情況進行分析，針對在干燥氣候條件下運行的混凝土重力壩下游面結構的設計，提出如下建議。

(1)對于封閉壩段的下游面，如果經(jīng)靜力荷載計算，結果認為不需要配筋的部位，則應當配置結構性鋼筋。在這種情況下，可以根據(jù)表1對縱向和橫向的塊體間的接縫開度進行季節(jié)性調節(jié)。接縫之間的距離過大(超過1.5～3.0 m)，就有可能使塊體產生裂縫。但是，縫的開度和裂隙的形成不會對“大壩—基礎”系列的強度和穩(wěn)定性產生影響。

(2)對溢流面的配筋設計應先進行計算。計算時，應考慮到所有類型施工縫的實際形狀和所需要的裂縫開度程度。正如對方案進行分析研究的結果一樣，對下游面配筋時，各塊體之間的鋼筋無需實施搭接。

(3)在與鋼筋混凝土結構連接處的大壩下游面實施配筋時，應根據(jù)該區(qū)域大壩混凝土的密實性進行計算。在具有相應的計算可能性的條件下，配筋的確定，應考慮大壩和鋼筋混凝土結構中施工縫的開度，以及所允許的裂縫開度的程度。同時，結合區(qū)域的鋼筋混凝土結構和大壩的靜態(tài)作用方式不應改變。

表1中所列出的所有類型的施工縫的間距，在任何情況下都應適當?shù)乜s小。

在對應力變形狀態(tài)進行計算時，必須對溫度的影響進行計算，這樣就需要運用包括“混凝土—混凝土”接點形式在內的數(shù)學模型，用于計算其在溫度影響下的開度。毫無疑問，這樣就會使研制數(shù)學模型的工作量加大，但同時也將會為更有效的、具有運用前景的數(shù)學模擬實驗工藝的研制創(chuàng)造前提條件，這些包括基于圖表處理程序的計算速度加快，開發(fā)具有自動化設計體系的積分計算程序等。

4 結語

曾經(jīng)多次指出，俄羅斯現(xiàn)行的《建筑標準與規(guī)范》實際上已經(jīng)過時了，而且在制訂時，有關“水工建筑物-基礎”系列的應力變形狀態(tài)的研究，有許多可能的和特別的研究方法均未能包含進去(比如，計算圖表的繪制方法等)。盡管規(guī)范文件中也有對建筑物進行整體計算等方面的要求，但是，制定這些要求的基礎，是建立在當時使用的建筑力學與材料強度的計算方法之上的。

《建筑標準與規(guī)范》自20世紀80年代中期頒布實施以來，已完成的大量工程計算實踐已經(jīng)發(fā)生了實質性的變化。在后來的校訂中，包括在由俄羅斯統(tǒng)一電力系統(tǒng)電力和電氣化股份公司牽頭，組織修訂出版的企業(yè)標準中，所涉及的水工建筑物可靠性和安全性論證的章節(jié)，事實上，幾乎是未經(jīng)修改地照搬了原《建筑標準與規(guī)范》。因此，最有益的做法是，著手對由設計和科研機構研制的有關水工建筑物可靠性與安全性的設計方案與科學論證方面的提議進行整理并出版，比如說，將其列入《建筑標準與規(guī)范》的參考資料中。這樣，可以有效地使俄羅斯水工建筑物設計與計算領域所積累的寶貴經(jīng)驗得以歸總，并使其得到更有效地推廣運用。