重力坝坝蹄压应力的分析

重力坝坝蹄压应力的分析

1坝底应力观测资料黄龙滩水库位于汉江支流下游，控制面积140.140km2，总蓄水12.28.108m3，混凝土坝高107m，坝长371m，共22.坝段，其中8号13号为溢流坝段，2号75mw，年蒸发量7.59gwh。大坝于1970年开始浇筑,1974年元月下闸蓄水。坝址处呈“U”型河谷,坝基岩石为古老结晶片岩、正付片岩穿插分布,坝址处无重大地质构造。但基础岩石软硬不均,个别坝段有挤压破碎带通过,节理裂隙发育,工程地质条件较为复杂。黄龙滩大坝高度超过百米,地质情况也较差,为及时了解大坝的实践工作性态,指导设计施工,保证大坝安全运行,对观测工作很重视。共埋设各种内部观测仪器353支,观测项目有坝体、坝基应变、应力、钢筋应力、压力钢管应力,坝体及基岩温度,库水温度,坝体接缝开合度等。内部观测仪器集中布置在3号、6号、11号、13号、14号、17号、18号坝段,以及压力钢管的有关部位。11号坝段为最高的溢流坝段,处于河床的中央,埋设的仪器最多。自下而上设置6个观测断面,共埋设应变计、温度计、测缝计、钢筋计等各类仪器158支,其中应变计79支。特别是在坝基部位156.0m高程埋设了较多的仪器,计有应变计7组29支。这些仪器均已工作了20余年,积累了大量的原始观测资料,为分析坝基部位的应力变化提供了依据。在计算分析应变计观测资料的过程中,发现黄龙滩大坝坝踵部位应力变化有些“反常”。一般来讲,大坝畜水后,随着水位的升高,温度的降低,倾覆力矩增加,坝踵压应力,特别是竖向压应力应当减小。然而,黄龙滩大坝在蓄水后坝踵压应力不是减小,反而呈显著增长,在开始蓄水的头三年,1974年～1976年,压应力增长了约0.60MPa,见图1。蓄水后坝踵压应力增大不是黄龙滩大坝特有的现象,据有关资料介绍,国内外一些重力坝也有类似情况。但对这一现象的解释目前还不令人满意。有的认为是混凝土的湿涨所致,有的认为与帷幕灌浆有关,有的认为是坝区温度变化的影响等等,众说纷纭,莫衷一是。“坝踵压应力增大”这一现象,已成为大坝观测资料分析中最令人困惑的问题之一;而对于分析大坝的实际工作性态而言,它又是必须妥为解决的问题。鉴于保证坝踵及上游面不出现拉应力,是设计中一个很重要的控制指标,因此对这一现象的研究,并寻求令人满意的解释,无疑对坝工实践有着重要意义。2坝底基础结构应力增长规律一般而言,大坝各种性态变化主要与本身及其所处的客观环境有关,蓄水后坝踵压应力增大也应从大坝的设计施工条件,管理运用情况上去找根据。对于黄龙滩大坝,我们认为主要与上游水位变化,坝体的温度状态以及坝基部位横缝灌浆有关。首先,蓄水后大坝的运行条件和受力情况有了改变。上游水位升高降低了坝体温度、增加了倾覆力矩,使坝踵的竖向压应力减小,拉应力增加(设计上以坝踵不出现拉应力为控制条件)。但是,水位上升也改变了坝体受力的边界条件,使原来的自由边界承受一定的压强,原已在水下的边界压强增加,对坝踵及接近上游面的局部范围内压应力增长有一定的影响。黄龙滩大坝上游面呈1∶0.25的斜面,水位上升可使表面压强Pz(上、下游方向)及Py(垂直方面)同时增加,此种作用较为显著。其次,温度变化对混凝土的应力影响甚大,特别是对大体积混凝土。坝踵应力不仅与测点本身温度有关,而且与整个坝体的温度变化有关。蓄水后的一段时间内,坝体中部温度高于周边温度,产生较大的温度应力。随着坝体的降温,应力重分配,坝体中部压应力减小,周边压应力增加。黄龙滩大坝高度超过百米,体积大,由于当时施工条件的限制,混凝土温控措施不力,水化热温升过高(有的部位达40℃以上)。大坝中部温度较高,在很长一段时间内处于降温过程,与坝踵压应力持续增长也有一定关系。第三,设计要求基础面以上20m～30m范围内横缝作灌浆处理,使各坝段的基础部分连成整体,增加坝体稳定。坝址处为“U”型河谷,11号坝段位于河床中央,基础开挖高程最低。灌浆后,各坝段互相作用,形成所谓“反拱基础梁”,在位于河床中央的11号坝段产生了垂直向下的作用力,这是坝踵压应力增长的又一主要原因。灌浆时间为1970年～1976年,恰好与测点压应力快速增长的时间一致,证明了这一点。为了进一步说明水位、温度、灌浆等因素的影响,我们对坝基部位的测点应力进行了回归分析。回归因子的选择:a.水头:取水头H的1～3次方;b.坝温:应力变化与整个坝体的温度有关,取上游面坝体温度T上、坝中温度T中、下游面坝体温度T下为代表。坝中温度不仅取当日温度T0中、还取前30天、前60天、前90天的平均温度T30中,T60中,T90中为因子;c.气温:取当天、前30天、前60天的平均气温T0气,T30气,T60气为因子;d.坝高:取计算日的实际浇筑高度Hd;e.灌浆:灌浆时间自1970年冬季至1976年春季,长达6年。灌浆影响主要与灌浆进程、灌浆强度等因素有关,为简单计,假定其影响在灌浆时间内呈直线变化,灌浆影响函数可以表示为:g(t)=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪0‚t＜Tkt−TkTj−Tk‚Tk＜t＜Tj1,t＞Tjg(t)={0‚t＜Τkt-ΤkΤj-Τk‚Τk＜t＜Τj1,t＞Τj式中Tk为灌浆开始时间,即1970年12月11日;Tj灌浆结束时间,即1976年3月3日;f.时效:时效函数取为lg{(1+t)/(1+t0)}。综上所述,可组成如下回归模型:σ=a0+a1H+a2H2+a3H3+a4T上+a5T0中+a6T30中+a7T60中+a8T90中+a9T下+a10T0气+a11T30气+a12T60气+a13Hd+a14g(t)+a15lg{(1+t)(1+t0)}+a13Ηd+a14g(t)+a15lg{(1+t)(1+t0)}用逐步回归法对坝踵测点e21～e25进行了计算,该测点位于156.0m高程,距上游坝面2.5m,自1970年12月11日至1993年12月9日,共有594测次,测值比较正常。回归结果比较理想,复相关系数达0.924,见图1。从回归结果可知,影响应力变化的主要因素有:水位(a2=5.83×10-5)、测点温度(a4=-7.06×10-2)、坝中温度(a5=-4.98×10-2、a8=6.21×10-2)、气温(a12=-5.01×10-3)、坝高(a13=-6.10×10-5)、灌浆(a14=-1.70)、时效(a15=-3.31×10-1)等,其中尤以灌浆影响最为显著。竖向压应力σy在灌浆期间(1970年12月11日至1976年3月3日)增长了-1.84MPa,由于灌浆的影响增长了-1.70MPa,占90%以上。灌浆在坝基部位形成了“反拱基础梁”,其作用不仅使坝踵压应力明显增长,还应使坝基整个断面压应力均匀增长。11号坝段156m高程共有7组应力测点,除一组损坏外,其它各组工作均较正常。图2为其实测竖向应力分布。图中绘制了两个时刻的应力分布,各测点的竖向应力在1974年1月9日下闸蓄水以后,增长确实比较均匀,坝趾处增幅更大是库水压力作用所致。3坝压力应力的成因a.为了增强坝体的抗滑稳定性,有些重力坝坝基部位横缝进行了灌浆处理,使各坝段互相作用,连成整体,形成了一道所谓“反拱基础梁”。由于它的存在,改变了坝基部位的受力情况及其应力状态,这些重力坝蓄水初期,坝踵竖向压应力不是随水位的抬高减小,反而增加的现象,与其有直接关系。本文以黄龙滩大坝实测应力为例,对这一现象进行了探讨,并作了定性、定量分析。b.坝基部位横缝灌浆是本坝坝踵压应力增长的主要原因之一,文中提出的一种灌浆影响函数,对描述灌浆过程