堆石壩面板應(yīng)力應(yīng)變和周邊縫變形特性研究

□曹 輝（浙江省臨海市水利局）

0 引言

混凝土面板堆石壩是由堆石或礫石為支承體，上游混凝土面板為防滲體的土石壩。由于施工方便，地基適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)行安全性高，面板堆石壩備受我國(guó)水利工程界關(guān)注。根據(jù)2009年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)共建有壩高30 m以上混凝土面板堆石壩170座，其中水布埡壩高233m，為世界最高的面板堆石壩。

堆石體是面板堆石壩的主要承力結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)堆石體變形，需要在面板間和面板與趾板間設(shè)置垂直縫和周邊縫。根據(jù)已建工程運(yùn)行性態(tài)分析，面板斷裂、垂直縫和周邊縫張開(kāi)等是影響面板堆石壩正常運(yùn)行，甚至導(dǎo)致潰壩的主要原因。因此，對(duì)堆石壩面板和周邊縫、垂直縫變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和資料分析，掌握各種安全指標(biāo)量變過(guò)程，是面板堆石壩安全運(yùn)行的重要保障

1 安全監(jiān)測(cè)設(shè)施

1.1 應(yīng)變計(jì)

常用應(yīng)變計(jì)有差動(dòng)電阻式、振弦式、差動(dòng)電容式等，國(guó)內(nèi)較多采用差動(dòng)電阻式。差動(dòng)電阻式應(yīng)變計(jì)利用混凝土應(yīng)變引起電阻感應(yīng)組件發(fā)生相對(duì)位移，導(dǎo)致感應(yīng)組件上兩根電阻絲的電阻比發(fā)生變化的原理，通過(guò)計(jì)算得到應(yīng)變變化量。

式中：εm—混凝土應(yīng)變量 (10-6)；f—應(yīng)變計(jì)最小讀數(shù)(10-6/0.01%)；ΔZ—電阻比相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量；b—應(yīng)變計(jì)溫度修正系數(shù)(10-6/℃)；Δt—溫度相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量，溫度升高為正，降低為負(fù)，單位℃。

無(wú)應(yīng)力應(yīng)變計(jì)埋設(shè)在應(yīng)變計(jì)組附近，是計(jì)算混凝土應(yīng)力應(yīng)變必需的監(jiān)測(cè)資料，無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值包含溫度變形、自生體積變形和濕度變形。

式中：G（t）—自生體積變形；εw—濕度變形；α—溫度膨脹系數(shù)。

1.2 三向測(cè)縫計(jì)

三向測(cè)縫計(jì)主要用于混凝土面板堆石壩周邊縫觀測(cè)，一般由支架和3支測(cè)縫計(jì)組成，1支觀測(cè)沉降位移，2支觀測(cè)趨向河谷的位移。見(jiàn)圖1。

圖1 三向測(cè)縫計(jì)計(jì)算原理圖

先由觀測(cè)沉降的位移計(jì)算出趾板與面板相對(duì)沉降，再計(jì)算河谷位移的位移計(jì)t時(shí)刻在初始平面上投影長(zhǎng)度e、d，最后計(jì)算垂直和平行周邊縫位移x、y：

式中：S—固定鋼板AB間距離；St—趾板與面板相對(duì)沉降；e、d—觀測(cè)河谷位移的位移計(jì)t時(shí)刻在初始平面上投影長(zhǎng)度；x、y—t時(shí)刻C點(diǎn)的坐標(biāo)。

2 觀測(cè)資料分析

2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)施布置

某面板堆石壩最大壩高103.00m，壩頂高程255.80m，壩體填筑料分5個(gè)分區(qū)，鋼筋混凝土面板厚0.30～0.60m，面板上游面回填粉土和石渣蓋重。面板變形監(jiān)測(cè)采用差動(dòng)電阻式應(yīng)變計(jì)，共布置9組三向應(yīng)變計(jì)及無(wú)應(yīng)力計(jì)；周邊縫變形監(jiān)測(cè)采用TSJ型三向測(cè)縫計(jì)，共布置7組。

2.2 面板應(yīng)力應(yīng)變

2.2.1 無(wú)應(yīng)力計(jì)

混凝土澆筑后存在自生體積和溫度變形，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，自生體積變形趨于平緩，溫度開(kāi)始下降，無(wú)應(yīng)力計(jì)應(yīng)變和溫度測(cè)值過(guò)程線見(jiàn)圖2。

圖2 無(wú)應(yīng)力計(jì)應(yīng)變過(guò)程線圖

根據(jù)降溫階段短時(shí)間間隔內(nèi)應(yīng)變和溫度斜率，本工程面板混凝土溫度膨脹系數(shù)平均值7.50×10-6/℃，無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值扣除溫度應(yīng)變即為混凝土的自生體積變形和濕度變形。

2.2.2 三向應(yīng)變計(jì)

由于蓄水期和運(yùn)行期損壞，目前除應(yīng)變計(jì)只有3組能正常進(jìn)行觀測(cè)，其余應(yīng)力應(yīng)變計(jì)均已損壞。面板順坡向最大拉應(yīng)變1118.20 με（S3），最大壓應(yīng)變 95.90 με（S1）；面板水平向最大拉應(yīng)變104.20με（S3），最大壓應(yīng)變592.90με（S3）。

根據(jù)應(yīng)變觀測(cè)資料分析，河床壩段面板應(yīng)變主要為壓應(yīng)變，岸坡壩段面板應(yīng)變主要為拉應(yīng)變，應(yīng)變極值基本在混凝土正常范圍內(nèi)。2005年，右岸壩肩測(cè)點(diǎn)S3順坡向應(yīng)變突增，超過(guò)混凝土極限拉應(yīng)變，經(jīng)檢查該部位未出現(xiàn)裂縫，該應(yīng)變計(jì)可能損壞。見(jiàn)圖3。

圖3 三向應(yīng)變計(jì)應(yīng)變過(guò)程線圖

2.3 周邊縫變形

本工程周邊縫最大沉降和剪切變形出現(xiàn)在右側(cè)岸坡較陡部位（TSJ7），最大張開(kāi)變形出現(xiàn)在壩頂河床部位（TSJ3）。實(shí)測(cè)周邊縫最大沉降變形31.88 mm，最大剪切變形為20.41 mm，最大張開(kāi)度10.06mm。

根據(jù)周邊縫觀測(cè)資料分析，本工程周邊縫相對(duì)沉降變形較大，剪切和開(kāi)度相對(duì)較小。周邊縫變形大部分在蓄水過(guò)程中產(chǎn)生，且測(cè)點(diǎn)埋設(shè)高程越低，沉降位移越大，現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)測(cè)值基本趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

該工程河床壩段面板應(yīng)變主要為壓應(yīng)變，岸坡壩段面板應(yīng)變主要為拉應(yīng)變。右壩肩部位面板水平向最大拉應(yīng)變較大，經(jīng)檢查未見(jiàn)裂縫，該測(cè)點(diǎn)可能損壞。周邊縫最大沉降和剪切變形出現(xiàn)在右側(cè)岸坡較陡部位，最大張開(kāi)變形出現(xiàn)在壩頂河床部位，與國(guó)內(nèi)外其他面板堆石壩周邊縫變形相當(dāng)。本工程堆石體變形分布規(guī)律正常，面板和周邊縫各項(xiàng)控制指標(biāo)基本在正常范圍內(nèi)，大壩整體工作性態(tài)較好。

[1]張光斗,王光倫.水工建筑物[M].北京:水利電力出版社,1994.

[2]蔣頌濤,韓正海,李忠定.混凝土面板壩設(shè)計(jì)與施工[M].北京:水利電力出版社,1991.

[3]傅志安,鳳家驥.混凝土面板堆石壩[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1993.

[4]楊澤艷,周建平,蔣國(guó)澄,劉斯密，等.中國(guó)混凝土面板堆石壩的發(fā)展[J]. 水力發(fā)電，2011，37(2)：18-23.

[5]曹克明,汪易森,徐建軍,等.混凝土面板堆石壩[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

[6]楊啟貴,劉寧,孫役,等.水布埡面板堆石壩筑壩技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010.

[7]顧沖時(shí),吳中如.大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應(yīng)用[M].南京:河海大學(xué)出版社,2006.