面板堆石壩面板實(shí)測(cè)應(yīng)變應(yīng)力性態(tài)研究

張 猛，朱錦杰

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122；2.國(guó)家水電站大壩安全和應(yīng)急工程技術(shù)中心，浙江杭州311122)

0 概 述

混凝土面板是面板堆石壩壩體防滲的主體結(jié)構(gòu)，布置在墊層的上游面，是壩體與庫水和大氣的界面?；炷撩姘鍛?yīng)滿足：①擋水防滲要求，具有低的滲透系數(shù)；②耐久性要求，有足夠的抗風(fēng)化、抗凍能力，在高寒地區(qū)抗凍性成為混凝土面板設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)之一；③為適應(yīng)壩體變形，要有足夠的柔性；④能承受一定的局部不均勻變形，有足夠的強(qiáng)度和抗裂能力。面板的厚度一般多是漸變的，厚度t=30+αH(cm)(其中，H為計(jì)算截面至面板頂部垂直距離，m；系數(shù)α一般取0.1～0.3)。為適應(yīng)壩體變形、氣溫變化并滿足施工要求，現(xiàn)代面板壩總是用垂直接縫將防滲面板分成若干條板。為監(jiān)測(cè)面板安全，通常會(huì)布置變形監(jiān)測(cè)和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)施。面板應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀器通常有應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)和鋼筋計(jì)。研究已建混凝土面板堆石壩面板的實(shí)測(cè)運(yùn)行性態(tài)，了解面板應(yīng)變應(yīng)力變化規(guī)律、分布特點(diǎn)及量值合理變化范圍，可為運(yùn)行期面板的安全運(yùn)行提供有益指導(dǎo)。

1 面板混凝土熱膨脹系數(shù)

國(guó)內(nèi)典型面板堆石壩面板混凝土熱膨脹系數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。由表1可知，同一大壩面板混凝土只要用同樣的骨料，盡管其他因素有差異，α值大致相同，波動(dòng)范圍不大?；炷翢崤蛎浵禂?shù)主要決定于骨料和水泥石[1]，一般以石英巖和砂巖骨料的混凝土α值較高。

表1 國(guó)內(nèi)典型面板堆石壩面板混凝土熱膨脹系數(shù)統(tǒng)計(jì)

無應(yīng)力計(jì)測(cè)值扣除溫度應(yīng)變后即為混凝土的自生體積變形和濕度變形。面板混凝土的自生體積變形和濕度變形有穩(wěn)定型、膨脹型和收縮型3種類型變化，收縮型混凝土一般易產(chǎn)生裂縫。

2 面板混凝土綜合應(yīng)變

2.1 面板應(yīng)變變化規(guī)律

面板應(yīng)變受溫度和水庫蓄水的影響較大，隨溫度和庫水位的升降而增減。水庫蓄水以后，面板壓應(yīng)變快速增大，之后主要與溫度呈正相關(guān)；位于面板上部(水面以上或淺水處)測(cè)點(diǎn)溫度受氣溫影響明顯，年變幅較大，表現(xiàn)為有拉有壓；位于面板下部(水面以下較深處)測(cè)點(diǎn)受氣溫影響較小，年變幅較小，一般表現(xiàn)為壓應(yīng)變。典型過程線見圖1。

圖1 面板典型測(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)變測(cè)值過程線

面板應(yīng)變除受溫度、庫水位等環(huán)境量因素影響外，一般還與壩高、河谷形狀、壩體填筑質(zhì)量等有關(guān)。大壩蓄水后，面板在堆石體自身流變和水荷載作用下產(chǎn)生法向撓度，同時(shí)面板沿軸向中間受壓，兩側(cè)受拉。大壩填筑完工初期，壩體沉降持續(xù)增大，面板拉、壓應(yīng)變也隨之增大；運(yùn)行多年后，隨著壩體沉降趨于穩(wěn)定，面板拉、壓應(yīng)變也趨于穩(wěn)定。

2.2 面板應(yīng)變分布特點(diǎn)及量值范圍

統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)21座已投入運(yùn)行的面板堆石壩面板實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)變特征值，典型面板混凝土應(yīng)變分布見圖2[3]，各工程面板最大壓應(yīng)變和最大拉應(yīng)變特征值見圖3及圖4。經(jīng)研究，面板應(yīng)變具有以下特點(diǎn)：

圖2 典型面板混凝土應(yīng)變分布(單位：10-6)

圖3 國(guó)內(nèi)典型面板堆石壩面板順坡向及水平向最大壓應(yīng)變特征值

圖4 國(guó)內(nèi)典型面板堆石壩面板順坡向及水平向最大拉應(yīng)變特征值

(1)面板應(yīng)變一般以受壓為主。順坡向應(yīng)變一般中、下部受壓，水布埡(800×10-6)、三板溪(1 231×10-6)、天生橋一級(jí)(1 152×10-6)、灘坑(837×10-6)、龍首二級(jí)(954×10-6)、龍馬(1 328×10-6)、珊溪(1047×10-6)面板順坡向壓應(yīng)變較大，最大壓應(yīng)變均超過了800×10-6；上部受堆石體填筑質(zhì)量影響較大，壩體沉降量過大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)較大拉應(yīng)變，其中天生橋一級(jí)、陡嶺子大壩面板順坡向最大拉應(yīng)變超過500×10-6。水平向應(yīng)變一般是河床部位、面板中間部位受壓，岸坡部位受拉，拉應(yīng)變量值一般較小，但馬鹿塘二期大壩水平向最大拉應(yīng)變超過500×10-6；壓應(yīng)變量級(jí)大，三板溪、天生橋一級(jí)、馬鹿塘二期、龍馬大壩面板最大壓應(yīng)變均超過了800×10-6，最大分別曾達(dá)994×10-6、948×10-6、818×10-6、1143×10-6。面板的受力狀態(tài)與所處部位關(guān)系較大，其中，下部由于水壓作用處于三向受壓的有利狀態(tài)，而上部可能會(huì)出現(xiàn)一拉一壓的不利狀態(tài)，甚至?xí)斐苫炷翂杭羝茐摹?/p>

(2)面板在應(yīng)力狀態(tài)較差情況下綜合拉應(yīng)變一般不超過300×10-6，拉應(yīng)變達(dá)到500×10-6左右，面板局部可能會(huì)出現(xiàn)拉裂縫，如天生橋一級(jí)大壩三期面板頂部樁號(hào)0+245的SGP2、0+629的SGP14等測(cè)點(diǎn)處順坡向拉應(yīng)變較大(大于500×10-6)，部分混凝土被拉裂；陡嶺子大壩面板約269 m高程處出現(xiàn)連續(xù)同一高程水平裂縫，主要集中在左L1、右L1和右L2、右L5～L6塊面板，而左L1～右L6面板的順坡向拉應(yīng)力較大，最大值612×10-6?？偟膩碚f，壓應(yīng)變一般不超過800×10-6。當(dāng)壓應(yīng)變達(dá)到1 000×10-6左右時(shí)，面板存在局部壓壞的可能，如三板溪面板水平施工縫曾擠壓破損[4]，天生橋一級(jí)面板垂直縫擠壓破損[5]，龍馬面板垂直縫局部擠壓破損等。

3 面板混凝土應(yīng)力

3.1 面板混凝土應(yīng)力計(jì)算方法及參數(shù)取值

由單軸應(yīng)變推求混凝土應(yīng)力的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法比較復(fù)雜，目前常用的方法有變形法和松弛法，對(duì)國(guó)內(nèi)10座面板堆石壩(三板溪、天生橋一級(jí)、珊溪、公伯峽、引子渡、街面、芹山、那蘭、小山、松山)面板采用變形法來推求面板混凝土的應(yīng)力。

混凝土彈性模量主要與混凝土標(biāo)號(hào)有關(guān)，而徐變除外界因素外，主要與水泥、骨料、水灰比、灰漿率、外加劑和粉煤灰有關(guān)；變形法計(jì)算應(yīng)力的過程中，混凝土彈性模量、徐變一般取施工期試驗(yàn)值，或者根據(jù)面板混凝土施工配合比和參考類似工程取用。

3.2 面板應(yīng)力量值范圍及對(duì)安全的影響

DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：C30混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為1.43、14.3 MPa；C25混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為1.27、11.9 MPa。國(guó)內(nèi)10座面板堆石壩面板混凝土應(yīng)力特征值統(tǒng)計(jì)見表2。通過對(duì)應(yīng)力量值進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

表2 國(guó)內(nèi)典型面板堆石壩面板混凝土應(yīng)力特征值

(1)采用C30等級(jí)的松山大壩面板，松山大壩面板最大壓應(yīng)力為15.46 MPa，超過規(guī)范要求的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值14.3 MPa，但超限不多，只要結(jié)構(gòu)上沒有明顯缺陷，一般不會(huì)引起面板的擠壓破壞；采用C30等級(jí)的三板溪大壩面板分三期施工，壓應(yīng)力分布在一期面板和二期面板中下部，順坡向大于水平向，極大值分別為27.5、22.8 MPa，均超過混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值14.3 MPa，對(duì)385 m高程水平施工縫面形成較大壓力，這也導(dǎo)致了一、二期面板水平施工縫的擠壓破損。

(2)采用C25等級(jí)的8座大壩面板：①面板拉、壓應(yīng)力均以天生橋一級(jí)大壩為最大，其水平向、順坡向最大壓應(yīng)力分別為20.21、26.9 MPa，最大主壓應(yīng)力達(dá)到24.05 MPa，均超過了C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa，較大的壓應(yīng)力導(dǎo)致了面板中間垂直縫擠壓破壞；面板個(gè)別部位最大拉應(yīng)力超過10 MPa，該處混凝土已被拉裂。②珊溪大壩雖然一期面板中下部順坡向應(yīng)力較大，最大達(dá)21.6 MPa，超過現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的混凝土強(qiáng)度允許值17 MPa，但未超過混凝土試驗(yàn)或?qū)崪y(cè)強(qiáng)度，根據(jù)面板混凝土抽樣檢查(125組)結(jié)果，28 d抗壓強(qiáng)度最大值47.8 MPa，最小值為33.6 MPa，平均為42.8 MPa，而且一期面板中下部位處于較好受力狀態(tài)，為三向受壓，主應(yīng)力的方向大致為順坡、水平向及垂直于面板的水壓力，每一向的抗壓強(qiáng)度隨另二向壓應(yīng)力增加而增加，且極限壓應(yīng)變可大大增加，所以，目前尚不致于由于應(yīng)力過大會(huì)造成面板混凝土受擠壓而破壞[6]。③除天生橋一級(jí)、珊溪大壩外，其余6座大壩(公伯峽、引子渡、街面、芹山、那蘭、小山)面板最大壓應(yīng)力均小于C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，面板不會(huì)出現(xiàn)擠壓破壞；面板局部，如面板上部水平向左右岸附近及面板中間上部順坡向出現(xiàn)拉應(yīng)力，超過C25混凝土軸心抗拉強(qiáng)度，可能出現(xiàn)裂縫等情況，但面板配筋會(huì)限制裂縫的發(fā)展，日常維護(hù)處理及時(shí)能保證面板運(yùn)行安全。

4 面板鋼筋應(yīng)力

面板鋼筋計(jì)一般按順坡向和水平向布置，有的大壩面板也只在順坡向布置。經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)20座面板堆石壩面板鋼筋應(yīng)力實(shí)測(cè)成果進(jìn)行研究，可知：

(1)面板鋼筋應(yīng)力的變化規(guī)律、分布規(guī)律同面板應(yīng)變類似。

(2)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)20座面板堆石壩面板鋼筋順坡向應(yīng)力特征值見圖5。由圖5可知，鋼筋順坡向最大壓應(yīng)力超過200 MPa的有3座壩，分別為三板溪(245.6 MPa)[7]、龍首二級(jí)(201.39 MPa)、龍馬(218.6 MPa)，最大壓應(yīng)力在100～200 MPa之間的有8座，其余9座最大壓應(yīng)力均在100 MPa以內(nèi)；天生橋一級(jí)鋼筋最大拉應(yīng)力為518.7 MPa、龍馬鋼筋最大拉應(yīng)力為363 MPa，已超量程，其余18座大壩中，有3座大壩(灘坑133.25 MPa、龍首二級(jí)167.24 MPa、那蘭190.72 MPa)面板鋼筋最大拉應(yīng)力超過100 MPa，有15座大壩鋼筋最大拉應(yīng)力小于100 MPa。壩高越高，鋼筋最大拉、壓應(yīng)力普遍偏大，但由于鋼筋應(yīng)力的影響因素較多，其與壩高并非為線性關(guān)系。

圖5 國(guó)內(nèi)典型面板堆石壩面板順坡向鋼筋應(yīng)力特征值

(3)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)15座面板堆石壩面板鋼筋水平向應(yīng)力特征值見圖6。由圖6可知，有6座大壩鋼筋最大壓應(yīng)力在100～200 MPa之間，最大為194.7 MPa(天生橋一級(jí))，9座鋼筋最大壓應(yīng)力小于100 MPa；最大鋼筋拉應(yīng)力中，除天生橋一級(jí)(217.0 MPa)、龍馬(338 MPa)、魚塘(136.20 MPa)外，其余12座大壩面板鋼筋最大拉應(yīng)力均小于100 MPa。

圖6 國(guó)內(nèi)典型面板堆石壩面板水平向鋼筋應(yīng)力特征值

5 結(jié) 論

經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)已投入運(yùn)行的20多座面板堆石壩面板實(shí)測(cè)應(yīng)變應(yīng)力性態(tài)進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

(1)面板混凝土熱膨脹系數(shù)。量值大小主要決定于骨料和水泥石，一般以石英巖和砂巖骨料的混凝土α值較高，以石灰?guī)r為骨料的較低。同一大壩面板混凝土只要用同樣的骨料，面板混凝土熱膨脹系數(shù)α值大致相同，波動(dòng)范圍不大。

(2)面板混凝土綜合應(yīng)變。除受溫度、庫水位等環(huán)境量因素影響外，一般還與壩高、河谷形狀、壩體填筑質(zhì)量等有關(guān)。進(jìn)入運(yùn)行期后，面板綜合應(yīng)變以受壓為主，順坡向應(yīng)變一般中、下部受壓，水平向應(yīng)變一般是河床部位、面板中間部位受壓。面板綜合拉應(yīng)變一般應(yīng)不超過300×10-6，達(dá)到500×10-6左右，面板局部可能出現(xiàn)拉裂縫；壓應(yīng)變一般應(yīng)不超過800×10-6，達(dá)到1 000×10-6左右，面板存在局部壓壞的可能。故可將拉應(yīng)變不超過300×10-6、壓應(yīng)變不超過800×10-6作為面板混凝土綜合應(yīng)變的合理范圍參考值，將拉應(yīng)變500×10-6、壓應(yīng)變1 000×10-6作為面板混凝土局部受損破壞的經(jīng)驗(yàn)警戒值。

(3)面板混凝土應(yīng)力。面板混凝土局部拉應(yīng)力超標(biāo)，可能出現(xiàn)裂縫等情況，但面板配有鋼筋會(huì)限制裂縫的發(fā)展，只要及時(shí)維護(hù)處理，能保證面板運(yùn)行安全。面板混凝土最大壓應(yīng)力小于設(shè)計(jì)值，或雖超過設(shè)計(jì)值，但未超過混凝土試驗(yàn)或?qū)崪y(cè)強(qiáng)度，面板不會(huì)出現(xiàn)擠壓破壞；面板混凝土壓應(yīng)力超設(shè)計(jì)值較多，易對(duì)面板接觸縫形成較大壓力而致使其擠壓破損，如三板溪、天生橋一級(jí)面板混凝土順坡向、水平向最大壓應(yīng)力均超過設(shè)計(jì)值50%以上，導(dǎo)致三板溪一、二期面板水平施工縫出現(xiàn)擠壓破損，天生橋一級(jí)面板中間垂直縫出現(xiàn)擠壓破壞。

(4)面板鋼筋應(yīng)力。主要與溫度呈負(fù)相關(guān)，分布規(guī)律與面板應(yīng)變類似。壩高越高，鋼筋最大拉、壓應(yīng)力普遍偏大，但由于鋼筋應(yīng)力的影響因素較多，其與壩高并非為線性關(guān)系。除部分處于高應(yīng)力狀態(tài)下的大壩面板如三板溪、龍馬、天生橋一級(jí)等外，面板鋼筋最大拉、壓應(yīng)力一般均不超過200 MPa?？蓪ⅰ?00 MPa作為面板鋼筋應(yīng)力的合理范圍參考值。