高混凝土壩長期變形特性計算模型及監控方法

萬 晶

(江西省水利投資集團有限公司，南昌 330000)

隨著社會的快速發展，世界上各個國家和地區的水利資源正在不斷的被開發和利用，一些水工建筑物攔水大壩的數量都在不斷的增加，其建設的規模也越來越大。我國的水電事業也取得了輝煌的成果，到目前為止大約建造了8.6萬座堤壩，并且形成了大大小小的不同的水庫群。這些偉大的國民水利工程為我國國民經濟的發展起到了巨大的推動作用，產生了巨大的社會經濟效益。但是隨著堤壩數量的不斷增加，高混凝土壩的前期施工質量、后期運行管理、老化等問題都嚴重威脅著大壩的安全，這種不安全因素不但制約了工程效益的發展，還同時給下游的人民帶來嚴重的威脅。

1 我國高混凝土壩工程建設的現實狀況

混凝土壩在建造完成服役的過程中往往承受各方面的環境影響，比如一些突發性的災害或者惡劣環境的腐蝕等，這也是對其前期的設計、施工及后期的維護管理都有著嚴峻的考驗。隨著混凝土壩服役時間的推移，很多混凝土壩都出現了不同程度的病變或者老化問題，這也降低了壩體結構的抵抗力，增大了發生事故的風險，大大縮減了大壩的服役時間。而混凝土壩的在服役過程中最直觀的工作性態反映就是變形，為了保障高混凝土壩安全運行，應該采取相應的措施來加強高混凝土壩變形的性態計算分析，對安全進行監控等方面的模型及方法進行研究分析。

隨著我國科學技術的不斷創新和發展，我國混凝土壩筑壩技術也取得了十足的發展，而在材料的容許應力、筑壩高度的增加及壩址地形地質條件的放寬等方面的發展都是大壩未來發展的趨勢。我國在1989年就已經建成了178m高的龍羊峽重力拱壩；在2000年的時候就已經取得重要突破完成了240m的二灘拱壩；而后更是完成了305m的錦屏一級拱壩，這也是目前世界上最高的拱壩。

2 國內外高混凝土壩變形引發的事故分析

通過國內外一些工程實踐表明，混凝土壩受到上游巨大水推力的長時間影響，將會發生明顯的變形，這就說明混凝土壩的結構變形具有時變效應，因此就增加了重大的安全隱患。另外很多混凝土壩的運行環境不盡相同，很多都處在比較復雜的環境中，這使得筑壩材料受到了各方面因素環境影響，其物理特性發生緩慢變化。比如在運行的初始階段因為壩體內部水泥會有一個持續的水化過程，所以壩體綜合彈性模量在這個過程中是處于增長的狀態，并且可以持續穩定大約5-10a，然后就開始出現緩慢的衰減，尤其是后期在環境及負荷等多方面因素綜合影響下，壩體及壩基的各方面功能都出現了非常明顯的衰退，導致了壩體的變形。

國內方面因為壩體變形導致影響工程安全運行的事故很多，比如瀾滄江上建造的漫灣水電站，由于收到左側山坡結構面差異的影響，導致抗剪強度大大降低，使得上部的巖體出現了張拉裂縫，最終發生大滑坡直接損失上億元。龍羊峽的重力壩壩肩出現斷層對工程的安全性產生了非常大的影響，最終也是經過各種分析研究采取加固措施，花費了上億元。

國外比較重大的時變滑坡事故工程如意大利的Vaiont拱壩，在1960年就完成了蓄水功能，在后期受到庫水的長期影響，3a后壩體整體位移達到400cm左右，在1963年因為惡劣天氣的影響，暴雨導致了大約3億m3的滑坡體突然進入水庫產生超過壩頂100m左右的涌浪，直接導致了下游很多城鎮被水沖毀，死亡3000多人。另一典型事故就是在1951年開始修建的意大利Beauregard拱壩，由于大壩兩岸的巖體存在較大的差異，導致后期蓄水后左邊的河床內部發生滑動，拱壩受到擠壓壩體傾倒變形，下游的底部開裂，而上游的上部開裂，面對這種危險形式，當地專家進行分析研究采取將拱壩內部水位控制在1710m，將其變成了徑流式的水電站，然而后期檢測發現山體滑動仍在繼續，仍然存在安全風險[1]。

3 高混凝土壩長期變形特性的計算模型及研究分析

目前對于混凝土壩的長期變形研究方向主要有2個：①混凝土壩在服役過程中土壩的老化問題；②混凝土壩固有的時效變形問題。

3.1 混凝土徐變的特性以及計算模型研究的現狀分析

根據相關試驗我們可以發現，如果應力一直是常量，大壩的混凝土在長時間受到荷載的影響后變形會根據時間的推移而不斷增大，我們把這種情況叫做徐變。混凝土徐變主要是在受到了高應力的影響之后，混凝土會產生一些細小的裂痕，還有一些徐變的發生是因為硬化水泥漿體因為受到了骨料水泥漿這件黏著力的影響。通常，混凝土的徐變是瞬時彈性變形的2-4倍?；炷列熳冎饕譃榭苫謴托熳円约安豢苫謴托熳儍煞N，前者占到的比例是5%-50%，當應力比較小的時候混凝土的徐變速度會越來越小，反之，當應力比較大的時候混凝土的徐變速度則一直變大直到破損。

從20a前美國材料試驗學會第一次對混凝土徐變進行相關報道，在以往的一百多年里，無論是我們國家還是國外的一些學者都一直在對混凝土徐變進行深入研究，目前的用來表達徐變程度的模型主要有雙曲線型、指數型、冪函數型、對數型、雙冪函數型等等。但是目前的這些模型都具有雙面性，有的不太符合實驗最終結果，有的又太繁瑣使用的時候不夠方便，后來朱伯芳提出一種新的模型：多項指數函數型，這種模型的好處使用起來比較方便，尤其是利用有限元法來計算應力，這樣就不用一一對所有應力進行記錄，可以在很大程度上降低計算存儲量，在現實生活中受到了十分重視和大量使用。

3.2 基巖的蠕變特性以及計算模型研究的現狀分析

通過一些實驗我們也會發現，無論是壩基巖體還是軟弱結構面，他們的變形都跟時間的推移有著密切的關系，一般情況下，在受到定常荷載的影響后，變形會隨著時間的推移不斷地增加，我們把這種現象稱之為蠕變。在受到長時間荷載的影響之后，巖石里面的礦物晶體構造不斷地發生變化，這樣應力也一直在發生改變[2]。目前有很多大壩或者地下洞或者高邊坡發生事故，都是因為壩基巖體和軟弱結構面在長時間變形以后從而發生的，這些事故發生往往不是在剛開始受到定常荷載影響以后就馬上發生的，因此這兩個因素在很大意義上決定著大壩工程的長期安全性。

在20世紀30年代，很多外國學者開始研究巖石蠕變的特性，像1939年Griggs在室內常溫的環境下利用一些云母、石灰石以及一些簡單的晶體進行嘗試，之后20a后法國Malpasset也做過蠕變試驗，包括像1963年意大利國家的Vaiont也嘗試過，但是他們兩人的試驗并沒有成功而且對大壩造成了嚴重的破壞，并導致了巨大的經濟損失，這兩次試驗在世界上影響深遠，后來，對于巖石蠕變特性的研究受到了各項工程的廣泛關注。

目前計算巖石蠕變的模型主要包括三種：經驗模型、元件模型以及理論模型。第一種模型一般是在某種特殊指定情況下對巖石流變進行實驗，然后利用一些函數把實驗得到的結果結合起來最終得到的一種模型。像Maxwell模型、西元模型、Kelvin模型這些都屬于元件模型，因為元件模型很難反映出巖石的加速突變，所以后來一些學者指出可以用非線性元件。理論模型雖然能夠描述巖石的非線性流變特點，但是因為其待定參數數量較大，目前在現實生活中很少被使用。

3.3 高混凝土壩老化理論的研究現狀分析

高混凝土壩結構老化管理的核心是研究其老化的機理。建筑大壩的材料物理力學性能的改變導致高混凝土大壩在后期運行期間內部的結構變形，即所謂的時變效應是引起變形的重要原因之一。在研究高混凝土大壩凍融損傷方面主要研究其凍融損傷的機理，但是目前沒有一個完善的理論可以完全解釋高混凝土凍融損傷的復雜性機理。在高混凝土溫度損傷方面主要研究高混凝土壩在施工時溫度裂縫的問題，但是由于混凝土是有多相復合材料組成，每種材料的成分都具有不同的熱膨脹性，這樣就在均勻溫度變化下出現不同的熱變形，經研究發現高混凝土壩的強度隨熱循環的次數增加而出現逐漸降低的現象。

4 混凝土壩長期變形的安全監控模型以及預警研究分析

對于高混凝土壩空間變形預警能力不夠的問題，我們可以設定一個高混凝土壩變形預警指標來確保高混凝土壩的安全性、防止事故的發生。現在實際上已經有很多學者在研究高混凝土壩變形預警指標，目前遇到的主要困難是不容易發現可以描述空間的整體變形形態的科學表達式。根據有關規律，如果我們在分析系統時以高混凝土壩變形點作為特征點，那么高混凝土大壩的整個變形形態就可以用特征點的集合演變方程進行體現，然后我們可以虛擬設定高混凝土壩的整個變形形態的“變形熵”預警指標，變形熵通過熵的形式可以描述高混凝土大壩整體變形的有序度，結構如圖1所示。

圖1 變形熵描述高混凝土大壩整體變形的有序度

5 總 結

綜上所述，長期變形特性是高混凝土壩工程安全的重要表現，受到前期施工質量、后期運行維護、服役外圍環境、服役地質情況等各方面因素的綜合影響，具有了明顯的時空非線性變化特性[3]。通過研究高混凝土壩長期變形特性計算分析以及監控方法，綜合各方面學科知識，深入的研究揭示了不同因素協同作用下高混凝土壩的變形演化機理，從而讓我們可以科學的建造高混凝土壩，保障其運行的安全可靠，及時的對高混凝土壩進行健康診斷，為后期特高壩的建造積累經驗和技術。

[1]顧沖時,蘇懷智,王少偉.高混凝土壩長期變形特性計算模型及監控方法研究進展[J].水力發電學報,2016,35(05):1-14.

[2]雷鵬,常曉林,肖峰,張貴金,蘇懷智.高混凝土壩空間變形預警指標研究[J].中國科學:技術科學,2011,41(07):992-999.

[3]胡靈芝.混凝土壩變形安全監控時變模型及其應用研究[D].南京：河海大學,2005.