水庫大壩應(yīng)力變形及抗水力劈裂探討

薛哲 廣東珠榮工程設(shè)計有限公司

水庫大壩的建造和投入使用，需要技術(shù)人員進(jìn)行安全檢測與管理，以保證水庫大壩不會發(fā)生工程事故，同時要努力避免未來可能會出現(xiàn)的大壩裂縫問題[1]。目前我國很多水庫的大壩存在應(yīng)力變形以及抗水力劈裂的問題，對于此問題，業(yè)內(nèi)學(xué)者給出了很多的解決方式，本文將針對應(yīng)力變形產(chǎn)生的原因，結(jié)合蓄水問題，對水庫大壩的受力和工程結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行研究。

1.水庫初次快速蓄水對大壩應(yīng)力變形和抗水力劈裂的影響

1.1 國內(nèi)部分水庫施工蓄水過程

在建筑行業(yè)中修建水利大壩的施工蓄水過程有八個步驟，這八個步驟需要采用逐級加載的方式。首先第一個階段是對地基覆蓋層級兩岸的山體進(jìn)行蓄水，這個階段是整個蓄水過程是否順利的基礎(chǔ)，其他七個階段分別是在壩體橫截面填充至328米，336米，354米，373米，396米，412米，428米時。

1.2 有限元模型構(gòu)建

如圖1所示，對于大壩和水庫的有限元三維立體模型，在構(gòu)造上看起來并不復(fù)雜，但是如果加上材料和力矩這些要素就會變得難以計算。這時候如果用簡單的BIM技術(shù)很難對有限元模型進(jìn)行構(gòu)建和分析。對于這樣的模型構(gòu)建需要用到八個節(jié)點，六個平面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時還要應(yīng)對，隨時可能發(fā)生變化的氣候情況和山體變動。對大壩進(jìn)行應(yīng)力分析少不了要對壩體和基巖的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，力的作用離不開承載它的物質(zhì)。水的壓力以及在基面上所產(chǎn)生的應(yīng)力是很復(fù)雜的模型，尤其是在水平面不斷上升的時候，其力學(xué)系統(tǒng)的變化并不是線性的，而是各種非線性合力的組合。

圖1 大壩有限元三維立體模型

1.3 應(yīng)力變形特性分析及抗水力劈裂分析

應(yīng)力是物體由于外因變形時產(chǎn)生的內(nèi)力，在對于應(yīng)力的研究上，水庫大壩的力學(xué)文獻(xiàn)對其研究不夠深入。在每一個不同截面上的單位面積的內(nèi)力，都有著復(fù)雜的變化，對內(nèi)力進(jìn)行分析，應(yīng)該對應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力張量、平衡微分以及參與應(yīng)力消除的問題進(jìn)行考量。在水庫大壩的應(yīng)力分析方面，我們主要用到的是塑性力學(xué)的應(yīng)力張量，這樣的力一般是平均正應(yīng)力，應(yīng)力偏量張量不是很大，而且是唯一的。從上圖可以看出，在水面急劇上升的時候，劈裂滲透壓力是向上的，而水壓力是向下的，這樣就容易造成水壓楔劈效應(yīng)，水壓楔劈效應(yīng)是造成壩體斷裂和產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。在對壩體的應(yīng)力變形進(jìn)行數(shù)值分析時，要考慮滲透單元，對每一個滲透單元的裂縫和裂縫的尖端進(jìn)行定量分析。在壩體的頂端和高程部分要進(jìn)行最大沉降和最大水平位移的數(shù)值統(tǒng)計，從而分析工程的可行性以及產(chǎn)生裂縫的可能性，盡量降低工程風(fēng)險，提高大壩使用年限。

圖2 變形特性分析

2.蓄水速度對水庫大壩應(yīng)力變形特性的影響

對水庫大壩影響最大的應(yīng)力變形因素?zé)o疑是蓄水速度，由于水庫本身的戰(zhàn)略地位，其在面對水澇等自然災(zāi)害來臨時，往往需要面對很極限的應(yīng)力變化。在短時間內(nèi)的水位快速變化，會對壩體的結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的沖擊。蓄水速度過快，會在大壩本身產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，這種應(yīng)力在實驗室里很難模擬出來，只能在每一個小的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)進(jìn)行仿真模擬。水庫大壩由于本身的設(shè)計思路和應(yīng)用方向不同，在面對不同情況的自然災(zāi)害時，如果缺乏有效的應(yīng)對措施，則在對大壩造成沖擊的時候，會對周圍的居民生活造成影響。

施工人員需對施工過程中的不確定因素和施工完成后的日常維修和管理等做好預(yù)備方案，保證水庫大壩的使用年限和修建安全。對于不同的水庫限制其蓄水速度要根據(jù)實際情況，應(yīng)該先對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況和大壩周圍的建筑以及身體情況進(jìn)行摸排勘察。對水庫大壩附近的巖石情況進(jìn)行排查至關(guān)重要，勘察人員需要勘測區(qū)域內(nèi)的地形地貌，選擇比較狹小的V型谷或者U型的基巖河谷作為修建地址。這個原因是由于U型谷或V型谷的巖石結(jié)構(gòu)比較致密，能夠有效節(jié)省修建基層的混凝土重力壩，而且這樣的骨型能夠?qū)λ鳟a(chǎn)生比較好的緩沖效果，對蓄水速度的限制并不高。巖石結(jié)構(gòu)的抗水性能堅硬程度以及滲水性能需要有科學(xué)的評估方法，如果能夠選擇花崗巖為基巖結(jié)構(gòu)是最好的。當(dāng)然在一些巖石豐富的地貌附近，也容易產(chǎn)生風(fēng)化巖石的現(xiàn)象，這時大壩的建設(shè)需要考慮加入混凝土，以防止壩體不穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生。一般來說，壩址需要選擇在擁有隔水層的橫谷，便于在水流經(jīng)過時起到阻礙作用，而上游段的巖石結(jié)構(gòu)也是水流緩沖作用的重要一環(huán)，便于對水流進(jìn)行集中，使水庫大壩發(fā)揮應(yīng)有的作用。蓄水速度在不同季節(jié)也要受到一定的影響，在冬季由于溫度使巖石和金屬的影響小，物理性質(zhì)相對穩(wěn)定，唯一需要考慮的問題在于水庫結(jié)冰。但在夏季溫度較高時，金屬材料容易發(fā)生膨脹現(xiàn)象，這將對蓄水速度產(chǎn)生較大影響。

3.壩體混凝土結(jié)構(gòu)受應(yīng)力影響產(chǎn)生裂縫

由于現(xiàn)代水利工程中所用的大壩建筑材料是混凝土與鋼筋，或者土石壩結(jié)構(gòu)，這些材料在不發(fā)生重大自然災(zāi)害的情況下，能夠保持其穩(wěn)定性，但用久之后難免會產(chǎn)生質(zhì)量問題。這樣的裂縫產(chǎn)生，主要是由塑性收縮和溫差導(dǎo)致的，在一些特殊情況下，還會產(chǎn)生安定性裂縫。由于混凝土在凝固的過程中會產(chǎn)生散熱現(xiàn)象，對比較大塊的混凝土來講，在極端外界環(huán)境影響下，會產(chǎn)生一定的收縮應(yīng)力，這樣的應(yīng)力在超過混凝土本身承受能力時，會造成斷裂現(xiàn)象。由于水庫大壩的組成結(jié)構(gòu)包含金屬材料和非金屬材料，在兩種材料結(jié)合的部分，金屬材料的分子特性致密，且存在各向同性的性質(zhì)，這種性質(zhì)與鋼筋混凝土內(nèi)部混亂的結(jié)構(gòu)不同，因此兩者相交的界面上雙方受到同樣的內(nèi)力，但內(nèi)力的作用效果有所不同。

對于原材料使用鋼筋混凝土而不使用其他材料，在經(jīng)濟(jì)學(xué)上是無法解決的。有很多材料用于建造水庫大壩比混凝土要好，但是價格卻十分昂貴。解決此問題可以從優(yōu)化混凝土的材料配比方面出發(fā)，將農(nóng)村的爐灰或者一些砂石摻入，能夠有效的改善混凝土的硬度和可塑性以及能夠有效地抗腐蝕。對于水庫大壩應(yīng)力變形，有一部分因素是因為混凝土的塑性收縮。由于混凝土的基層和模板之間的可塑性不是很好，或者噴灑的養(yǎng)護(hù)劑不夠均勻，在遇到大風(fēng)天氣和比較暴烈的日光時，對混凝土的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)會造成一定的影響，由于材料中會有呈弱酸性的硅酸鹽水泥，容易對一些材料造成腐蝕，從而引起裂縫。呈現(xiàn)裂縫的本質(zhì)也是因為應(yīng)力不均勻同時作用在混凝土上的應(yīng)力超出地基的承受能力。目前用于解決這種問題的方式是采取化學(xué)材料的嵌縫和水泥灌漿。在空氣溫度和濕度比較適宜的情況下，對產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。灌漿加固與化學(xué)材料嵌縫不一樣的地方在于，化學(xué)材料嵌縫是在施工過程中進(jìn)行的，而灌漿加固是在容易產(chǎn)生裂縫的位置進(jìn)行后續(xù)的預(yù)防處理。灌漿的流程比較復(fù)雜，需要鑿槽、鉆孔、沖洗等。

4.總結(jié)

對水庫大壩應(yīng)力變形及抗水力劈裂進(jìn)行探討，從水庫初次快速蓄水對大壩應(yīng)力變形和抗水力劈裂的影響、蓄水速度對水庫大壩應(yīng)力變形特性的影響、壩體混凝土結(jié)構(gòu)受應(yīng)力影響產(chǎn)生裂縫這三個方面進(jìn)行分析，指出了目前在水庫大壩修建和使用中應(yīng)力變形的原因和抗水力劈裂的一些方式，希望本文的研究和探討能夠?qū)λ畮齑髩蔚陌踩院褪褂媚晗拮龀鲆欢ǖ呢暙I(xiàn)。