水布埡面板堆石壩面板變形及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)成果分析

丁 林，段國(guó)學(xué)，徐昆振

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北省武漢市 430010）

0 引言

1985年面板堆石壩技術(shù)進(jìn)入我國(guó)以來(lái)，由于其良好的經(jīng)濟(jì)型和適應(yīng)性，在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用[1]，水布埡水利樞紐混凝土面板堆石壩為目前世界上最高的混凝土面板堆石壩[2]，壩頂高程409.0m，壩頂長(zhǎng)度674.66m，最大壩高233.2m。大壩上游壩坡1:1.4，下游平均壩坡1:1.46。面板面積13.87萬(wàn)m2。壩址兩側(cè)岸坡高峻陡峭，谷坡總體上呈不對(duì)稱(chēng)“V”字形。工程自2001年開(kāi)始施工準(zhǔn)備，2002年10月下旬截流，2002年11月開(kāi)始主體工程施工，2007年7月第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2008年9月底工程完建，11月2日水庫(kù)水位達(dá)到399.51m，接近正常蓄水位400.00m。

從安全監(jiān)測(cè)的成果來(lái)看，水布埡面板壩壩體變形控制良好，面板應(yīng)力應(yīng)變和結(jié)構(gòu)縫變形在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，滲漏量較小，水布埡面板壩運(yùn)行是安全的。

本文主要分析了水布埡面板堆石壩截至2015年12月的面板變形、面板應(yīng)力應(yīng)變和結(jié)構(gòu)縫開(kāi)度監(jiān)測(cè)成果，總結(jié)了面板變形及受力規(guī)律，探討了板間縫處面板擠壓破損的原因，并對(duì)其發(fā)展情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 面板變形監(jiān)測(cè)成果

1.1 面板頂部水平位移和沉降

變形安全作為面板堆石壩的設(shè)計(jì)新理念之一[3]，為觀測(cè)面板頂部的順?biāo)飨蛩轿灰疲ㄏ蛳掠嗡轿灰疲?、壩軸向位移和沉降變形，在面板頂部高程402m處布設(shè)了1條視準(zhǔn)線和1條水準(zhǔn)測(cè)線（見(jiàn)圖1）。

圖1 面板頂部高程402m處視準(zhǔn)線向下游位移分布圖Figure 1 Distribution of displacement forward downstream at the top of the face slab with the elevation of 402m

2015年12月，實(shí)測(cè)面板頂部最大的向下游位移為73.5mm，壩高最大的中部面板向下游位移最大，兩岸的較小，向下游位移年增量逐年減小，如圖1所示。2015年中部位移最大的測(cè)點(diǎn)的年位移增量為7.6mm。

2015年12月面板L9和R3向右岸的位移分別為9.7mm和11.8mm，面板R6和R31向左岸的位移分別為7.0mm和-0.1mm。壩軸向水平位移監(jiān)測(cè)成果表明，左岸面板L9～中部偏右岸的面板R3面板頂部壩軸向均向右岸位移，右岸面板R6～R31面板頂部壩軸向均向左岸位移。面板兩端位移較小，中部偏右岸的面板R3面板向右岸位移最大，右岸面板R6向左岸位移最大，該范圍內(nèi)面板擠壓明顯，如圖2所示。

2015年12月，實(shí)測(cè)面板頂部最大的沉降為252.0mm，壩高最大的中部面板沉降最大，兩岸的較小，沉降年增量逐年減小，如圖3所示。2015年中部沉降最大的測(cè)點(diǎn)的年增量為10.1mm。

圖2 面板頂部高程402m處視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)壩軸向位移分布圖Figure 2 Distribution of displacement along the dam axis at the top of the face slab with the elevation of 402m

圖3 面板頂部高程404m處實(shí)測(cè)沉降分布圖Figure 3 Distribution of settlement at the top of the face slab with the elevation of 404m

1.2 面板撓度

0+212m和0+356m監(jiān)測(cè)斷面面板上各布有1條撓度測(cè)線，共計(jì)70個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用固定式測(cè)斜儀的方法觀測(cè)，其觀測(cè)精度較低，大部分測(cè)點(diǎn)失效，無(wú)法得到準(zhǔn)確的撓度觀測(cè)成果。

另外，在0+212m監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)了一條光纖陀螺儀撓度測(cè)線，其實(shí)測(cè)的面板最大撓度為1193mm，撓度最大的部位位于高程360m的三期面板中部，約在壩高的4/5處。

由鋼絲位移計(jì)和水管式沉降儀緊靠面板處測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)位移推算的面板最大總撓度為918mm；水布埡面板壩實(shí)測(cè)最大內(nèi)部分層沉降為2610mm，據(jù)此估算最大撓度為653mm；三維有限元計(jì)算的面板撓度在600～790mm之間。

分析表明，由光纖陀螺儀觀測(cè)的面板撓度遠(yuǎn)大于根據(jù)壩體實(shí)測(cè)沉降、堆石體壓縮模量的估算撓度和根據(jù)堆石體實(shí)測(cè)變形推算的撓度，說(shuō)明光纖陀螺儀觀測(cè)的面板撓度可信度較低。

2 面板應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)成果

2.1 面板鋼筋應(yīng)力

在河床中部最大壩高處的面板R2、左岸面板L4、右岸面板R11和R22的結(jié)構(gòu)鋼筋上布設(shè)了鋼筋計(jì)，鋼筋計(jì)按壩軸向和面板順坡向兩個(gè)方向布置，大多數(shù)布置在面板的迎水面，少部分布置在背水面。最大壩高處面板R2的實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力沿高程分布如圖4所示，2015年12月24日面板實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力分布如圖5所示，典型測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力過(guò)程線如圖6～圖8所示。

圖4 最大壩高處面板R2實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力沿高程的分布Figure 4 Stress distribution along the elevation of re-bar of the face slab R2

圖5 2015年12月24日面板實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力分布圖Figure 5 Distribution of the rebar stress of the face slab, Dec 24th, 2015

圖6 左岸面板L4實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力過(guò)程線Figure 6 Curves of rebar stress of the face slab L4 at left bank

圖7 右岸面板R11實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力過(guò)程線Figure 7 Curves of rebar stress of the face slab R11 at right bank

圖8 右岸面板R22實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力過(guò)程線Figure 8 Curves of rebar stress of the face slab R22 at right bank

水庫(kù)蓄水前測(cè)得壩軸向鋼筋應(yīng)力在-42.2～23.6MPa之間，順坡向鋼筋應(yīng)力在-62.1～13.2MPa之間；水庫(kù)蓄水后測(cè)得壩軸向鋼筋應(yīng)力在-71.1～22.8MPa之間，平均-18.3MPa，順坡向鋼筋應(yīng)力在-142.5～25.1MPa之間，平均-44.4MPa。蓄水后鋼筋應(yīng)力大多為壓應(yīng)力，順坡向鋼筋壓應(yīng)力比壩軸向大，面板中下部鋼筋壓應(yīng)力比上部大。

2015年12月，測(cè)得壩軸向鋼筋應(yīng)力在-98.9～34.9MPa之間，其中，面板L4、R2、R11的壩軸向鋼筋主要受壓，與剛蓄水后的2007年9月測(cè)值相比，大部分測(cè)點(diǎn)軸向壓應(yīng)力仍有所增大，最大壓應(yīng)力增量達(dá)61.2MPa；右壩肩面板R22軸向鋼筋主要受拉，但拉應(yīng)力均在35MPa以?xún)?nèi)，應(yīng)力水平較低；順坡向鋼筋應(yīng)力在-147.1～36.9MPa之間，大部分測(cè)點(diǎn)受壓。

高程335m以上測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨溫度變化明顯些，下部庫(kù)水溫變化較小，面板鋼筋應(yīng)力受溫度的影響也小些。

2007—2015年面板部分板間縫出現(xiàn)表層破損，位于河床中部面板L4、R2、R11的壩軸向壓應(yīng)力在水庫(kù)蓄水后有所增大，是導(dǎo)致板間縫局部擠壓破損的主要原因。

2.2 面板混凝土應(yīng)力

在河床中部最大壩高處的面板R2、左岸面板L4、右岸面板R11和R22的迎水面結(jié)構(gòu)鋼筋層布置共布置了29組二向應(yīng)變計(jì)組和3組三向應(yīng)變計(jì)組，其中三向應(yīng)變計(jì)組分別布設(shè)在面板R2、L4、R11的趾板附近。最大壩高處面板R2的實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力沿高程分布見(jiàn)圖9，2015年12月13日面板實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力分布見(jiàn)圖10，典型測(cè)點(diǎn)面板混凝土應(yīng)力過(guò)程線如圖11～圖13所示。

圖9 最大壩高處面板R2實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力沿高程的分布Figure 9 Stress distribution along the elevation of the concrete of the face slab R2

水庫(kù)蓄水前測(cè)得壩軸向應(yīng)力在-7.8～0.0MPa之間， 順坡向應(yīng)力在-9.8～-0.5MPa之間，均為壓應(yīng)力；水庫(kù)蓄水后測(cè)得壩軸向應(yīng)力在-23.4～3.0MPa之間，平均-6.6MPa，順坡向應(yīng)力在-22.8～1.7MPa之間，平均-8.4MPa。蓄水后大多產(chǎn)生壓應(yīng)力增加，較大的壓應(yīng)力在面板中部。

2015年12月測(cè)得壩軸向應(yīng)力在-24.5～3.8MPa之間，面板R11高程302m處壓應(yīng)力最大，面板R11高程280m處拉應(yīng)力最大。面板L4、R2、R11的壩軸向主要受壓，與剛蓄水后的測(cè)值相比，大部分測(cè)點(diǎn)壩軸向壓應(yīng)力仍有所增大，最大壓應(yīng)力增量達(dá)12.7MPa（面板R2高程346.2m處）；右壩肩面板R22壩軸向應(yīng)力在-4.2～0.8MPa之間，應(yīng)力水平較低。

2015年12月測(cè)得順坡向應(yīng)力在-23.3～2.8MPa之間，面板R2高程258.5m處壓應(yīng)力最大，面板L4高程210.8m處拉應(yīng)力最大。面板L4、R2、R11的順坡向主要受壓，與剛蓄水后的測(cè)值相比，其順坡向應(yīng)力增量在-2.3～2.4MPa之間，應(yīng)力有所調(diào)整；右壩肩面板R22順坡向應(yīng)力在-2.8～-0.1MPa之間，應(yīng)力水平較低。

2007—2015年面板部分板間縫出現(xiàn)表層破損，位于河床中部面板L4、R2、R11的壩軸向壓應(yīng)力在水庫(kù)蓄水后有所增大，是導(dǎo)致板間縫局部擠壓破損的主要原因。

3 結(jié)構(gòu)縫變形監(jiān)測(cè)成果

3.1 面板板間縫開(kāi)度

實(shí)測(cè)水庫(kù)蓄水前各測(cè)點(diǎn)開(kāi)度約在-0.9～2.6mm之間，開(kāi)度較大的測(cè)點(diǎn)位于壩肩板間縫上。水庫(kù)蓄水后壩肩部位的板間縫開(kāi)度明顯增加，而河床部位的板間縫壓縮明顯。其中，河床中部板間縫受壓明顯的4個(gè)測(cè)點(diǎn)開(kāi)度過(guò)程線見(jiàn)圖14，壩肩板間縫張開(kāi)最大的4個(gè)測(cè)點(diǎn)開(kāi)度過(guò)程線見(jiàn)圖15，2015年12月16日板間縫實(shí)測(cè)開(kāi)度分布見(jiàn)圖16。

其中，左壩肩L7～L10、右壩肩R15～R24面板板間縫的開(kāi)度達(dá)0.9～14.5mm，蓄水前后開(kāi)度增量約在0.5～12.2mm之間，右壩肩R21～R22板間縫高程324m處開(kāi)度最大；河床部位R2～R12板間縫開(kāi)度為-3.6～-1.2mm（壓縮），蓄水前后開(kāi)度增量約在-4.4～-0.6mm之間，板間縫R2～R3高程285m和R9～R10高程346m處壓縮最大，其開(kāi)度分別為-3.5mm和-3.6mm。2007年水庫(kù)蓄水后，壩肩部位的板間縫開(kāi)度仍有所增大，而河床部位的板間縫壓縮亦有所增大，2013年之后開(kāi)度已趨于穩(wěn)定。2015年12月，各測(cè)點(diǎn)開(kāi)度在-4.6～18.1mm之間，右壩肩R21～R22板間縫高程324m處開(kāi)度最大，河床R2～R3高程285m壓縮最大。從開(kāi)度分布看，水庫(kù)蓄水后靠壩肩部位的板間縫主要是張開(kāi)，河床中部的板間縫主要是壓縮。

3.2 周邊縫變形

圖10 2015年12月13日面板實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力分布圖Figure 10 Distribution of the concrete stress of the face slab, Dec 13th, 2015

圖11 左岸面板L4實(shí)測(cè)壩軸向應(yīng)力過(guò)程線Figure 11 Curves of dam axis concrete stress of the face slab L4 at left bank

圖12 河床面板R2實(shí)測(cè)壩軸向應(yīng)力過(guò)程線Figure 12 Curves of dam axis concrete stress of the face slab R2 in middle of the river

圖13 右岸面板R11實(shí)測(cè)壩軸向應(yīng)力過(guò)程線Figure 13 Curves of dam axis concrete stress of the face slab R11 at right bank

圖14 河床中部板間縫受壓明顯的4個(gè)測(cè)點(diǎn)開(kāi)度過(guò)程線Figure 14 Curves of joint opening of 4 measuring points with obvious pressure in middle of the river

圖16 2015年12月16日板間縫實(shí)測(cè)開(kāi)度分布圖Figure 16 Distribution of the joint opening between the face slabs, Dec 16th, 2015

周邊縫變形主要發(fā)生在水庫(kù)蓄水過(guò)程中，2007年水庫(kù)蓄水后測(cè)值均趨于收斂。面板R21周邊縫變形實(shí)測(cè)值最大，2015年12月其實(shí)測(cè)開(kāi)度為7.2mm，面板沿趾板向下的剪切位移為3.5mm，面板沉降為9.1mm（見(jiàn)圖17）。不考慮堆石體流變效應(yīng)的不同模型三維有限元靜力計(jì)算的水布埡面板壩蓄水期周邊縫開(kāi)度在24～58mm之間、剪切位移在16～40mm之間、沉降在17～59mm之間，實(shí)測(cè)值比計(jì)算值小。

4 面板板間縫破損原因及趨勢(shì)分析

圖17 岸面板R21高程286m周邊縫SJ01-11實(shí)測(cè)變形過(guò)程線Figure 17 Deformation curves of SJ01-11 in the face slab R21 with the elevation of 286m

2007年4月水庫(kù)蓄水后，2007年7月至2015年8月陸續(xù)發(fā)現(xiàn)板間縫兩邊面板表層混凝土（主要為表層的鋼筋保護(hù)層混凝土）擠壓破損情況，破損范圍主要集中在河床中部的L2～R12，特別是L2-L1、R4-R5板間縫。面板破損處均在發(fā)現(xiàn)后及時(shí)進(jìn)行了修補(bǔ)。從破損的范圍看，主要集中在河床中部的壓性縫上。

水布埡面板壩壩址河谷狹窄，兩岸建基面陡峻,因壩體沉降及庫(kù)水作用導(dǎo)致兩岸面板向中間擠壓，河床中部面板壩軸向出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力。

從實(shí)測(cè)的成果看，水庫(kù)蓄水前后左岸L4、河床中部R2和右岸R22面板壩軸向的鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)力增量均為壓應(yīng)力增量，蓄水后基本為壓應(yīng)力。至2015年12月13日壩軸向鋼筋最大壓應(yīng)力達(dá)-98.9MPa，壩軸向混凝土最大壓應(yīng)力達(dá)24.5MPa（面板R11高程302m處壓應(yīng)力最大）。

板間縫處因縫間接觸不均勻和不平順的影響，加之壩體及面板不均勻沉降（河床中部大，兩岸?。┦购哟仓胁堪彘g縫在迎水面處擠壓更明顯，板間縫在迎水面處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，其應(yīng)力集中部位的壩軸向應(yīng)力遠(yuǎn)比面板中部應(yīng)變計(jì)實(shí)測(cè)的應(yīng)力大。因此，當(dāng)面板中部鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)實(shí)測(cè)的壩軸向應(yīng)力較大時(shí)，板間縫因擠壓和應(yīng)力集中的作用出現(xiàn)破損的可能性就較大，板間縫局部應(yīng)力集中是導(dǎo)致板間縫擠壓破損的主要原因。

面板壩軸向壓應(yīng)力主要發(fā)生在2007年的水庫(kù)蓄水過(guò)程中，蓄水之后面板壩軸向壓應(yīng)力年增量逐漸減小。從壩體實(shí)測(cè)分層沉降看，沉降主要發(fā)生在壩體填筑和水庫(kù)蓄水過(guò)程中，之后沉降逐漸趨于收斂，2015年各測(cè)點(diǎn)的沉降年擬合值年增量降至10mm以?xún)?nèi)，可以認(rèn)為未來(lái)板間縫擠壓破損的可能性較小，實(shí)際上2015年之后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的破損情況。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）水布埡面板堆石壩壩高最大的中部面板向下游位移最大，兩岸的較小。左岸面板L9～中部偏右岸的面板R3面板頂部壩軸向均向右岸位移，右岸面板R6～R31面板頂部壩軸向均向左岸位移。壩高最大的中部面板沉降最大，兩岸的較小。實(shí)測(cè)面板頂部最大的向下游位移為73.5mm，面板頂部最大的沉降為252.0mm。

（2）面板呈現(xiàn)雙向拉壓的復(fù)雜受力狀態(tài)，壩肩面板屬于軸向受拉區(qū)，河床面板屬于軸向受壓區(qū)，面板順坡向以受壓為主。面板應(yīng)力主要發(fā)生在施工及水庫(kù)蓄水過(guò)程中。2015年12月面板壩軸向鋼筋應(yīng)力在-98.9～34.9MPa之間，壩軸向混凝土應(yīng)力在-24.5～3.8MPa之間，河床中部面板的壩軸向壓應(yīng)力最大。

（3）壩肩部位面板板間縫主要為張開(kāi)變形，最大開(kāi)度約18mm；河床部位面板板間縫主要為壓縮變形，最大壓縮變形約為5mm；周邊縫相對(duì)變形約在10mm以?xún)?nèi)?？p間變形主要發(fā)生在施工及水庫(kù)蓄水過(guò)程中。

（4）2007—2015年期間，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)板間縫兩邊面板表層混凝土擠壓破損情況，從破損的范圍看，主要集中在河床中部的壓性縫上。主要是壩軸向壓應(yīng)力過(guò)大，加之板間縫局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的。2015年之后隨著壩體變形及面板應(yīng)力的逐漸穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)板間縫處面板破損情況。