重力壩壩蹄壓應(yīng)力的分析

重力壩壩蹄壓應(yīng)力的分析

1壩底應(yīng)力觀測(cè)資料黃龍灘水庫位于漢江支流下游，控制面積140.140km2，總蓄水12.28.108m3，混凝土壩高107m，壩長371m，共22.壩段，其中8號(hào)13號(hào)為溢流壩段，2號(hào)75mw，年蒸發(fā)量7.59gwh。大壩于1970年開始澆筑,1974年元月下閘蓄水。壩址處呈“U”型河谷,壩基巖石為古老結(jié)晶片巖、正付片巖穿插分布,壩址處無重大地質(zhì)構(gòu)造。但基礎(chǔ)巖石軟硬不均,個(gè)別壩段有擠壓破碎帶通過,節(jié)理裂隙發(fā)育,工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜。黃龍灘大壩高度超過百米,地質(zhì)情況也較差,為及時(shí)了解大壩的實(shí)踐工作性態(tài),指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工,保證大壩安全運(yùn)行,對(duì)觀測(cè)工作很重視。共埋設(shè)各種內(nèi)部觀測(cè)儀器353支,觀測(cè)項(xiàng)目有壩體、壩基應(yīng)變、應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、壓力鋼管應(yīng)力,壩體及基巖溫度,庫水溫度,壩體接縫開合度等。內(nèi)部觀測(cè)儀器集中布置在3號(hào)、6號(hào)、11號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、17號(hào)、18號(hào)壩段,以及壓力鋼管的有關(guān)部位。11號(hào)壩段為最高的溢流壩段,處于河床的中央,埋設(shè)的儀器最多。自下而上設(shè)置6個(gè)觀測(cè)斷面,共埋設(shè)應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、測(cè)縫計(jì)、鋼筋計(jì)等各類儀器158支,其中應(yīng)變計(jì)79支。特別是在壩基部位156.0m高程埋設(shè)了較多的儀器,計(jì)有應(yīng)變計(jì)7組29支。這些儀器均已工作了20余年,積累了大量的原始觀測(cè)資料,為分析壩基部位的應(yīng)力變化提供了依據(jù)。在計(jì)算分析應(yīng)變計(jì)觀測(cè)資料的過程中,發(fā)現(xiàn)黃龍灘大壩壩踵部位應(yīng)力變化有些“反?！?。一般來講,大壩畜水后,隨著水位的升高,溫度的降低,傾覆力矩增加,壩踵壓應(yīng)力,特別是豎向壓應(yīng)力應(yīng)當(dāng)減小。然而,黃龍灘大壩在蓄水后壩踵壓應(yīng)力不是減小,反而呈顯著增長,在開始蓄水的頭三年,1974年～1976年,壓應(yīng)力增長了約0.60MPa,見圖1。蓄水后壩踵壓應(yīng)力增大不是黃龍灘大壩特有的現(xiàn)象,據(jù)有關(guān)資料介紹,國內(nèi)外一些重力壩也有類似情況。但對(duì)這一現(xiàn)象的解釋目前還不令人滿意。有的認(rèn)為是混凝土的濕漲所致,有的認(rèn)為與帷幕灌漿有關(guān),有的認(rèn)為是壩區(qū)溫度變化的影響等等,眾說紛紜,莫衷一是。“壩踵壓應(yīng)力增大”這一現(xiàn)象,已成為大壩觀測(cè)資料分析中最令人困惑的問題之一;而對(duì)于分析大壩的實(shí)際工作性態(tài)而言,它又是必須妥為解決的問題。鑒于保證壩踵及上游面不出現(xiàn)拉應(yīng)力,是設(shè)計(jì)中一個(gè)很重要的控制指標(biāo),因此對(duì)這一現(xiàn)象的研究,并尋求令人滿意的解釋,無疑對(duì)壩工實(shí)踐有著重要意義。2壩底基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力增長規(guī)律一般而言,大壩各種性態(tài)變化主要與本身及其所處的客觀環(huán)境有關(guān),蓄水后壩踵壓應(yīng)力增大也應(yīng)從大壩的設(shè)計(jì)施工條件,管理運(yùn)用情況上去找根據(jù)。對(duì)于黃龍灘大壩,我們認(rèn)為主要與上游水位變化,壩體的溫度狀態(tài)以及壩基部位橫縫灌漿有關(guān)。首先,蓄水后大壩的運(yùn)行條件和受力情況有了改變。上游水位升高降低了壩體溫度、增加了傾覆力矩,使壩踵的豎向壓應(yīng)力減小,拉應(yīng)力增加(設(shè)計(jì)上以壩踵不出現(xiàn)拉應(yīng)力為控制條件)。但是,水位上升也改變了壩體受力的邊界條件,使原來的自由邊界承受一定的壓強(qiáng),原已在水下的邊界壓強(qiáng)增加,對(duì)壩踵及接近上游面的局部范圍內(nèi)壓應(yīng)力增長有一定的影響。黃龍灘大壩上游面呈1∶0.25的斜面,水位上升可使表面壓強(qiáng)Pz(上、下游方向)及Py(垂直方面)同時(shí)增加,此種作用較為顯著。其次,溫度變化對(duì)混凝土的應(yīng)力影響甚大,特別是對(duì)大體積混凝土。壩踵應(yīng)力不僅與測(cè)點(diǎn)本身溫度有關(guān),而且與整個(gè)壩體的溫度變化有關(guān)。蓄水后的一段時(shí)間內(nèi),壩體中部溫度高于周邊溫度,產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。隨著壩體的降溫,應(yīng)力重分配,壩體中部壓應(yīng)力減小,周邊壓應(yīng)力增加。黃龍灘大壩高度超過百米,體積大,由于當(dāng)時(shí)施工條件的限制,混凝土溫控措施不力,水化熱溫升過高(有的部位達(dá)40℃以上)。大壩中部溫度較高,在很長一段時(shí)間內(nèi)處于降溫過程,與壩踵壓應(yīng)力持續(xù)增長也有一定關(guān)系。第三,設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)面以上20m～30m范圍內(nèi)橫縫作灌漿處理,使各壩段的基礎(chǔ)部分連成整體,增加壩體穩(wěn)定。壩址處為“U”型河谷,11號(hào)壩段位于河床中央,基礎(chǔ)開挖高程最低。灌漿后,各壩段互相作用,形成所謂“反拱基礎(chǔ)梁”,在位于河床中央的11號(hào)壩段產(chǎn)生了垂直向下的作用力,這是壩踵壓應(yīng)力增長的又一主要原因。灌漿時(shí)間為1970年～1976年,恰好與測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力快速增長的時(shí)間一致,證明了這一點(diǎn)。為了進(jìn)一步說明水位、溫度、灌漿等因素的影響,我們對(duì)壩基部位的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行了回歸分析?；貧w因子的選擇:a.水頭:取水頭H的1～3次方;b.壩溫:應(yīng)力變化與整個(gè)壩體的溫度有關(guān),取上游面壩體溫度T上、壩中溫度T中、下游面壩體溫度T下為代表。壩中溫度不僅取當(dāng)日溫度T0中、還取前30天、前60天、前90天的平均溫度T30中,T60中,T90中為因子;c.氣溫:取當(dāng)天、前30天、前60天的平均氣溫T0氣,T30氣,T60氣為因子;d.壩高:取計(jì)算日的實(shí)際澆筑高度Hd;e.灌漿:灌漿時(shí)間自1970年冬季至1976年春季,長達(dá)6年。灌漿影響主要與灌漿進(jìn)程、灌漿強(qiáng)度等因素有關(guān),為簡單計(jì),假定其影響在灌漿時(shí)間內(nèi)呈直線變化,灌漿影響函數(shù)可以表示為: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為灌漿開始時(shí)間,即1970年12月11日;Tj灌漿結(jié)束時(shí)間,即1976年3月3日;f.時(shí)效:時(shí)效函數(shù)取為lg{(1+t)/(1+t0)}。綜上所述,可組成如下回歸模型:σ=a0+a1H+a2H2+a3H3+a4T上+a5T0中+a6T30中+a7T60中+a8T90中+a9T下+a10T0氣+a11T30氣+a12T60氣+a13Hd+a14g(t)+a15lg{(1+t)(1+t0)}+a13Ηd+a14g(t)+a15lg{(1+t)(1+t0)}用逐步回歸法對(duì)壩踵測(cè)點(diǎn)e21～e25進(jìn)行了計(jì)算,該測(cè)點(diǎn)位于156.0m高程,距上游壩面2.5m,自1970年12月11日至1993年12月9日,共有594測(cè)次,測(cè)值比較正常?；貧w結(jié)果比較理想,復(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.924,見圖1。從回歸結(jié)果可知,影響應(yīng)力變化的主要因素有:水位(a2=5.83×10-5)、測(cè)點(diǎn)溫度(a4=-7.06×10-2)、壩中溫度(a5=-4.98×10-2、a8=6.21×10-2)、氣溫(a12=-5.01×10-3)、壩高(a13=-6.10×10-5)、灌漿(a14=-1.70)、時(shí)效(a15=-3.31×10-1)等,其中尤以灌漿影響最為顯著。豎向壓應(yīng)力σy在灌漿期間(1970年12月11日至1976年3月3日)增長了-1.84MPa,由于灌漿的影響增長了-1.70MPa,占90%以上。灌漿在壩基部位形成了“反拱基礎(chǔ)梁”,其作用不僅使壩踵壓應(yīng)力明顯增長,還應(yīng)使壩基整個(gè)斷面壓應(yīng)力均勻增長。11號(hào)壩段156m高程共有7組應(yīng)力測(cè)點(diǎn),除一組損壞外,其它各組工作均較正常。圖2為其實(shí)測(cè)豎向應(yīng)力分布。圖中繪制了兩個(gè)時(shí)刻的應(yīng)力分布,各測(cè)點(diǎn)的豎向應(yīng)力在1974年1月9日下閘蓄水以后,增長確實(shí)比較均勻,壩趾處增幅更大是庫水壓力作用所致。3壩壓力應(yīng)力的成因a.為了增強(qiáng)壩體的抗滑穩(wěn)定性,有些重力壩壩基部位橫縫進(jìn)行了灌漿處理,使各壩段互相作用,連成整體,形成了一道所謂“反拱基礎(chǔ)梁”。由于它的存在,改變了壩基部位的受力情況及其應(yīng)力狀態(tài),這些重力壩蓄水初期,壩踵豎向壓應(yīng)力不是隨水位的抬高減小,反而增加的現(xiàn)象,與其有直接關(guān)系。本文以黃龍灘大壩實(shí)測(cè)應(yīng)力為例,對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了探討,并作了定性、定量分析。b.壩基部位橫縫灌漿是本壩壩踵壓應(yīng)力增長的主要原因之一,文中提出的一種灌漿影響函數(shù),對(duì)描述灌漿過程