結構應力對混凝土壩應力變形狀態的影響

［俄羅斯］ А.Н.馬爾丘克等

結構應力對混凝土壩應力變形狀態的影響

［俄羅斯］ А.Н.馬爾丘克等

基于實地觀測結果，弄清楚了周邊地質環境的自重應力值對混凝土拱壩和靜態混凝土支撐壩無法確定的應力變形狀態形成過程所產生的影響，以及其在“壩－基礎－水庫”體系中所發揮的作用。對確定結構應力和對大壩靜、動態條件下的運行狀態實施監控過程中的應力進行計算方面，提出了合理化建議。

地殼;結構應力;混凝土壩;影響

1 背景

通過對不穩定結構區域(奇爾克伊克、薩彥－舒申斯克、結雅、米阿特林斯克、托克托古利斯卡亞、庫爾普塞斯卡亞、因古爾斯卡亞等地區)高水頭混凝土大壩的實地觀察和研究，發現這些大壩存在非設計應力變形狀態。為此，僅僅依據國內所積累的經驗和現有的文獻資料來解釋圍巖體和大壩的許多異常現象，竟然是不可能的。這些異常現象包括:應力成倍數地增加、變形、位移、拱壩上游面的拉應力、巖基和河岸混凝土接合處開裂、壩與岸邊接合處位移、拱壩的弦長發生變化、斷面向上游方向移動，而且與計算值相比，還存在其他一些設計偏差。

在瑞士，對莫武阿津(Мовуазен)拱壩，在法國對博爾(Вор)和季尼(Тинь)拱壩的大壩接合處的變形進行了首次專業技術觀測，以彈性論觀點來看，其結果令人意外:河岸出現了靠攏，而不是分離的現象。1979年，在新德里國際大壩委員會(ICOLD)第十三次代表大會上，P.列因(Лейн)以結構應力對大壩壩軸線變形影響為論點，作了大會交流發言。隨著地質力學、地球物理學、地震聲學以及混凝土建筑物和巖石等其他一些現代化研究方法的發展，確定大壩壩軸線上河岸巖體的結構應力狀態，已成為工程地質勘探中必要的組成部分。

2 實例

2.1 薩彥－舒申斯克水電站

1962～1963年，在莫斯科大學(МГУ)Г.С.佐洛塔廖娃(Золотарева)教授主持下，對薩彥 － 舒申斯克水電站高程320～330 m處大壩與岸邊接合處巖石塊體的應力狀態進行了勘測研究。根據研究數據，獲得了以下結構區域接觸部分的自重應力值:

(1)左岸。垂直自重應力為24.5～48.0 MPa，水平自重應力為24～36 MPa。

(2)右岸。垂直自重應力為 14.8～32.5 MPa，水平自重應力為 10.2 ～21.7 MPa。

薩彥－舒申斯克大壩基礎為德熱巴什科－德若依斯克復背斜層上堅硬的變質頁巖。左岸的垂直應力值較高，其原因可能是存在有陡峭的寒武紀花崗石侵入巖，該侵入巖沖破了元古代復背斜層上的頁巖，且繼承并保持著運動趨勢。由于巖石塊體的地質結構活性，有時也會出現水平自重應力大于垂直自重應力的情況，比如，托克托古利斯克和因古爾斯卡亞水電站的壩址區域。

電力部門地球力學監測中心(ЦСГНЭО)的專家們，以當時所采用的部分孔洞口減荷的方法作為例證，對莫斯科大學1963年獲得的研究結果提出了懷疑。ЦСГНЭО的專家們認為，在薩彥－舒申斯克大壩施工之前，比較切合實際的最大水平應力值約為18 MPa。1995年和2002年，監測中心的專家聯手俄羅斯科學院西伯利亞分院采礦工程研究所(ИГДСОРАН)的同行們，采用水力斷裂法，對高程467 m處的左岸廊道端部的水平結構應力進行了監測，獲得的監測值分別為9 MPa和6 MPa(見圖1)。這些監測值足以證明自1978年以來，在大壩運行的過程中結構應力發生減荷的事實。與此同時，壩體中拱的壓應力在增加，而且目前仍在繼續增加，盡管有效水頭降低了1 m。

圖1 1995年和2002年測得的薩彥－舒申斯克水電站左岸壩與岸邊接合處巖體中的水平結構自重應力的變化狀態(а)和測點分布(б)

相對于基本荷載的矢量來說，其主要矢量的方向是確定結構應力對建筑物應力變形狀態影響的主要因素。俄羅斯科學院西伯利亞分院地殼研究所(ИЗКСОРАН)對壩址所在區域局部結構應力場的結構進行了重新研究，由其研究數據可以看出，正常情況下，壓力的主矢量是朝著河床方向，拉應力的主矢量是順著河床方向，而在靜水壓力的作用下，則是向著大壩方向(圖2)。這樣，雖然結構的壓應力可以提高大壩的抗剪穩定性，但是，可能會使下游面混凝土中拱的壓力增加到不能接受的程度(2007年，監控點的拱的壓應力達到了19.5 MPa)。埋設在河岸處的一些測縫儀和拱壩弦長的測量數據表明，河岸監控點之間距離縮小的速度放緩，這一點符合拱應力的變化特性(見圖3)。左岸同一高程處的位移特征與右岸的相似，只是不可逆分量小一些，為0.7 mm，而右岸則是因為拱的應力較高，所以為0.9 mm。

圖2 薩彥－舒申斯克水電站壩址區局部結構應力場主軸線示意

圖3 根據變形計和測縫儀測量指標繪制的薩彥－舒申斯克水電站右岸壩與岸邊接合處沿巖石－混凝土接觸點水平位移與上游水位的關系曲線

局部結構應力場的主拉應力矢量決定著大壩有可能向下游位移，而且，俄羅斯科學院西伯利亞分院采礦工程研究所已經確定，基礎中存在諸如已準備好向左側位移的巖石斷層。在薩彥－舒申斯克大壩以設計狀態投入運行的最初幾年，利用大地測量方法對建筑物進行了監測，監測結果是:河岸廊道的末段移動了20～30 mm，水電站大壩接縫閉合，下游大壩周邊水準導線的基準點上升了15～20 mm，距大壩1 km處約為5 mm。這是由于大壩承受的靜水壓力作用，因而沿河床發生的明顯位移。在與基礎的接觸面上，這種位移大約為20～30 mm，縱向復蓋深達60 m。在40 m深處，反向鉛錘錨碇出現了無阻尼的位移。

在結構應力影響方面，最有說服力的例子是，在大壩接觸部分的下面，拱的壓應力為穩定增長，這一區域的溫度狀態為恒溫，外部人為干擾和地震影響明顯較小。

比如，在右岸10號壩段高程430 m處的上游面，當上游水位為539 m時，應力從1997年的 5.2 MPa增加到了2007年的 5.9 MPa;在對稱的55號壩段，從7.4 MPa增加到了8.4 MPa。高程320 m 處的18號河床壩段，應力從3 MPa增加到了 3.3 MPa。大壩的下游面應力增加的更厲害:左岸3號壩段高程512 m處，應力從1997年的16 MPa增加到2007年的19.5 MPa;18號壩段的接觸部分，從5 MPa增加到8.3 MPa;關鍵壩段的接觸部分，從 1.8 MPa增加3.7 MPa。右岸45號壩段的接觸部分，應力從 1997年的 4.9 MPa增加到 2001年的 5.3 MPa;與左岸3號壩段對稱的64號壩段，拱壓應力從1997年的 2.4 MPa增加到2001年的 3.9 MPa。在這個范圍，壩與岸接合處和壩體中的應力仍然沒有穩定。穩定狀態不至于會出現在地質結構不穩定，而且按1997年編制的特別建筑工程區劃分圖(ОСР－97)確定的具有9級地震危險程度的區域。

2.2 托克托古利斯卡亞水電站

吉爾吉斯斯坦納倫(Нарын)河上托克托古利斯卡亞水電站“大壩—基礎—水庫”體系中的應力場相當重要。勘探期間，上部石灰石巖體的自重應力為6.5 MPa，中部的為7 MPa，下部壓應力矢量沿法線往河床方向達到17 MPa。左岸壩段混凝土中測得的同一個方向的最大壓應力為3.8 MPa。這說明，在高程900 m和837 m之間水庫的可變水位區，岸邊與巖體接合部位存在的結構應力出現了局部減荷。從較高的左岸一側，發現存在蠕變應力，而且該現象在周邊較穩定的大壩壩段間的接縫中已有顯現。右岸上游面裂縫開度達0.4 mm。直線鉛錘測量指標表明，壩段微傾斜于右岸，該結果也證實了左岸一側確實出現了蠕變(圖4)。

采用索式伸長儀，對壩頂上方右岸斜坡進行了觀測，結果顯示，存在不可逆的垂直移動元素，這可能是結構壓應力和揚壓力導致的結果。以下狀態也能證實該結果:沉降恢復過程緩慢(2004年，恢復了4.8～5.1 mm);滲漏量從1994年的87 L/s降到2000年的52 L/s。值得引起注意的是，基礎裂縫的淤化也會對滲漏量減小起到影響作用。由于該地區靠近塔拉斯－費爾干納(Таласо －ферганского)和納倫 －奇奇干(Нарыно － Чичканского)一級斷裂區，且地震活動頻繁，所以致使壩址所在區域的應力場不恒定。對此，有一種相當可行的措施，就是將大壩壩段間的接縫設計為楔形，以便使荷載傳遞到河岸。

圖4 根據直線鉛錘測量指標(Y軸)，托克托古利斯卡亞大壩沿軸線的最大位移(2004年)及旁側滲漏壓力分布(2005年)

一些具有危險性和不穩定特性趨勢的巖體，對大壩應力變形狀態產生的影響最大。比如，在奇爾克伊克(Чиркейская)水電站，荷載從較高的左岸具有不穩定特性趨勢的巖體傳給了大壩，內含粘土層的碳酸鹽頁巖巖體(哈杜姆斯克背斜層)產生錯位，斜層向河床和上游傾斜。結果，壩體中的應力出現了不對稱、沿蠕變矢量傾斜式分布，通過采用地震透視法證實了這一狀況(圖6)。而且，壩頂微凹凸，旁側的滲漏量分布極不均勻，大約92%是經過右岸。

左岸具有不穩定特性趨勢的巖體甚至對夾在峽谷中的大壩堵塞物移動產生影響。1 a(2006～2007年)中，左岸的標記向下游方向移動了1.2 m。然而，這些情況并沒有威脅到平穩運行中的大壩強度和穩定性，因為蘇拉克(Сулак)河的峽谷中塞滿了大體積混凝土塊。只有在發生10級最大計算地震的情況下，才可能會受到影響。

2.3 其他觀測研究

米阿特林水電站拱壩壩址處的情況比較復雜，因為右岸發生了體積為3 000萬m3的坍塌。坍塌體往大壩方向移動了7 m多，受切向應力的影響，又轉向基巖和大壩的右岸。壩拱產生凹凸，大壩關鍵壩段的頂部偏向上游8 cm，而根據計算數值，應向下游偏7 cm。左岸下游的下面部分的拱應力超過了15 MPa。此外，坍方的移動也促使右岸基巖中裂縫的開裂，并在正常蓄水位和裂縫填料流失的情況下，促使形成繞流滲漏，在這種狀態下，迫使大壩在低水頭條件下運行。

設計時，計算過平面問題的結雅水電站支墩壩，因受地勢較高右岸(地處地震活動頻繁的圖庫林戈拉(Тукурингра)山脈)的蠕變壓力影響，出現了體積應力狀態。支墩由腔室蓋板和電站部分的水輪機輸水管聯接在一起，需要經受橫向變形的考驗。根據西伯利亞水工科學研究院(СибВНИИГ)的數據資料，支墩頭部的應力應達到17 MPa的壓應力水平。由于根據設計方案地震危險度從6度提高到了9度(根據OCP－97)，從而使狀態變得更加復雜。

實地觀察結果分析表明，沃格特(фогт)著作中關于大壩與河岸接合處柔韌性的論點遠遠不會總是正確的。對于結構的自重應力高、建造復雜的背斜式巖體建筑物來說，這個論點不可能被接受。河岸對大壩的影響機理，可以通過下面2個主要因素進行闡述:

(1)根據捷爾扎吉－金尼克假設，由于水飽和和繞流滲漏原因，在巖層中的抗剪強度降低的情況下，由于巖體自身而產生的泊松變形;

(2)因上游水位發生變化、斜坡的凍融、日光加熱及廖賓德爾(Ребиндр)效應(水飽和時，巖土的粘著力下降)，而使河岸巖體中結構的自重應力發生減荷。

水庫庫底下沉、基礎變形模數降低以及局部地震活性，同樣也會促使河岸位移。根據捷爾扎吉－金尼克的假設，對奇爾克伊和薩彥－舒申斯克水電站大壩的河岸接合一側的水平壓應力增加值進行了驗算。驗算結果表明，與巖石應力變形狀態測量值相符的計算值，都是可以接受的。這些附加應力值可根據下式確定:

式中，Δσh為距較高河岸一側日照地表h深處巖石的靜荷載應力;ΔW為來自較高河岸一側的繞流滲漏靜水壓力;α2為壓力傳遞效率系數，取決于巖體裂隙度，α2=0.5…0.8;μ 為泊松系數。

在這種情況下，需要根據距接合處的高程來確定岸邊接合的比選高度。應當注意到，正是由于在上游水位發生變動以及發生的繞流滲漏的作用下，而導致這類岸邊塊體體積的密實度弱化和減荷。對于根據公式(1)所得到的應力Δσz，應該再增加一個通過實驗確定的結構的減荷應力σT。對于特殊荷載的組合，由于最大設計地震作用所產生的地震應力σC，則應根據標準確定。這樣，由來自河岸邊的地球力學的影響而產生的極限可能，可通過下面的公式確定:

根據公式(2)，即可求出岸邊與壩接合處的監測量。在查勘期間，務必要確定大壩接合處的結構應力以及這些應力的局部主要矢量。根據編制的現行有效的大壩測量體系，可以獲得考慮到了地球力學影響的建筑物的應力變形狀態總體狀態圖。可以通過采用水力斷裂法、應力補償法以及回歸分析法，對巖土中結構的自重應力進行反復的系統性的測定，在極端上游水位和荷載特殊組合期間，必須通過采用大地測量的方法，對斜坡位移進行監控，并測量拱壩的壩弦和支撐壩壩址處岸邊之間的距離。非常重要的一點是，對巖石－混凝土接合部位、河床及河岸邊要采用合適的測量工具，并對各種檢測儀和目測觀察的測量結果進行綜合分析。

3 結語

(1)在結構不穩定和地震頻發地區，結構應力對混凝土大壩的應力變形狀態會產生相當大的影響，其影響程度取決于基礎的堅固性、斷層度、地貌以及結構特點。

(2)在設計階段，應根據捷爾扎吉－金尼克的假設，可以考慮將結構應力的影響適當地看作是其最小的可能值。在技術方案中，必需考慮到對建筑物結構應采取的補償措施，以便最大限度地減小結構應力的負面影響，并充分利用這一應力來提高大壩的穩定性及其強度。

(3)如果高水頭大壩在結構不穩定的地區運行，那么，應當對壩址區域的局部結構應力場實行監測，并根據監測系統監測到的數據，對可能會出現的具有危險性的快速和緩慢的結構運動做出較為精確的預測。

梅 莉 譯自俄刊《水工建設》2011年第10期

趙秋云 校

TV642

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1006-0081(2012)09-0021-04

2012-06-26