面板堆石壩面板實測應變應力性態(tài)研究

張 猛，朱錦杰

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122；2.國家水電站大壩安全和應急工程技術中心，浙江杭州311122)

0 概 述

混凝土面板是面板堆石壩壩體防滲的主體結構，布置在墊層的上游面，是壩體與庫水和大氣的界面。混凝土面板應滿足：①擋水防滲要求，具有低的滲透系數(shù)；②耐久性要求，有足夠的抗風化、抗凍能力，在高寒地區(qū)抗凍性成為混凝土面板設計的主要指標之一；③為適應壩體變形，要有足夠的柔性；④能承受一定的局部不均勻變形，有足夠的強度和抗裂能力。面板的厚度一般多是漸變的，厚度t=30+αH(cm)(其中，H為計算截面至面板頂部垂直距離，m；系數(shù)α一般取0.1～0.3)。為適應壩體變形、氣溫變化并滿足施工要求，現(xiàn)代面板壩總是用垂直接縫將防滲面板分成若干條板。為監(jiān)測面板安全，通常會布置變形監(jiān)測和應力應變監(jiān)測設施。面板應力應變監(jiān)測儀器通常有應變計、無應力計和鋼筋計。研究已建混凝土面板堆石壩面板的實測運行性態(tài)，了解面板應變應力變化規(guī)律、分布特點及量值合理變化范圍，可為運行期面板的安全運行提供有益指導。

1 面板混凝土熱膨脹系數(shù)

國內(nèi)典型面板堆石壩面板混凝土熱膨脹系數(shù)統(tǒng)計見表1。由表1可知，同一大壩面板混凝土只要用同樣的骨料，盡管其他因素有差異，α值大致相同，波動范圍不大。混凝土熱膨脹系數(shù)主要決定于骨料和水泥石[1]，一般以石英巖和砂巖骨料的混凝土α值較高。

表1 國內(nèi)典型面板堆石壩面板混凝土熱膨脹系數(shù)統(tǒng)計

無應力計測值扣除溫度應變后即為混凝土的自生體積變形和濕度變形。面板混凝土的自生體積變形和濕度變形有穩(wěn)定型、膨脹型和收縮型3種類型變化，收縮型混凝土一般易產(chǎn)生裂縫。

2 面板混凝土綜合應變

2.1 面板應變變化規(guī)律

面板應變受溫度和水庫蓄水的影響較大，隨溫度和庫水位的升降而增減。水庫蓄水以后，面板壓應變快速增大，之后主要與溫度呈正相關；位于面板上部(水面以上或淺水處)測點溫度受氣溫影響明顯，年變幅較大，表現(xiàn)為有拉有壓；位于面板下部(水面以下較深處)測點受氣溫影響較小，年變幅較小，一般表現(xiàn)為壓應變。典型過程線見圖1。

圖1 面板典型測點混凝土應變測值過程線

面板應變除受溫度、庫水位等環(huán)境量因素影響外，一般還與壩高、河谷形狀、壩體填筑質量等有關。大壩蓄水后，面板在堆石體自身流變和水荷載作用下產(chǎn)生法向撓度，同時面板沿軸向中間受壓，兩側受拉。大壩填筑完工初期，壩體沉降持續(xù)增大，面板拉、壓應變也隨之增大；運行多年后，隨著壩體沉降趨于穩(wěn)定，面板拉、壓應變也趨于穩(wěn)定。

2.2 面板應變分布特點及量值范圍

統(tǒng)計了國內(nèi)21座已投入運行的面板堆石壩面板實測混凝土應變特征值，典型面板混凝土應變分布見圖2[3]，各工程面板最大壓應變和最大拉應變特征值見圖3及圖4。經(jīng)研究，面板應變具有以下特點：

圖2 典型面板混凝土應變分布(單位：10-6)

圖3 國內(nèi)典型面板堆石壩面板順坡向及水平向最大壓應變特征值

圖4 國內(nèi)典型面板堆石壩面板順坡向及水平向最大拉應變特征值

(1)面板應變一般以受壓為主。順坡向應變一般中、下部受壓，水布埡(800×10-6)、三板溪(1 231×10-6)、天生橋一級(1 152×10-6)、灘坑(837×10-6)、龍首二級(954×10-6)、龍馬(1 328×10-6)、珊溪(1047×10-6)面板順坡向壓應變較大，最大壓應變均超過了800×10-6；上部受堆石體填筑質量影響較大，壩體沉降量過大時，可能會出現(xiàn)較大拉應變，其中天生橋一級、陡嶺子大壩面板順坡向最大拉應變超過500×10-6。水平向應變一般是河床部位、面板中間部位受壓，岸坡部位受拉，拉應變量值一般較小，但馬鹿塘二期大壩水平向最大拉應變超過500×10-6；壓應變量級大，三板溪、天生橋一級、馬鹿塘二期、龍馬大壩面板最大壓應變均超過了800×10-6，最大分別曾達994×10-6、948×10-6、818×10-6、1143×10-6。面板的受力狀態(tài)與所處部位關系較大，其中，下部由于水壓作用處于三向受壓的有利狀態(tài)，而上部可能會出現(xiàn)一拉一壓的不利狀態(tài)，甚至會造成混凝土壓剪破壞。

(2)面板在應力狀態(tài)較差情況下綜合拉應變一般不超過300×10-6，拉應變達到500×10-6左右，面板局部可能會出現(xiàn)拉裂縫，如天生橋一級大壩三期面板頂部樁號0+245的SGP2、0+629的SGP14等測點處順坡向拉應變較大(大于500×10-6)，部分混凝土被拉裂；陡嶺子大壩面板約269 m高程處出現(xiàn)連續(xù)同一高程水平裂縫，主要集中在左L1、右L1和右L2、右L5～L6塊面板，而左L1～右L6面板的順坡向拉應力較大，最大值612×10-6。總的來說，壓應變一般不超過800×10-6。當壓應變達到1 000×10-6左右時，面板存在局部壓壞的可能，如三板溪面板水平施工縫曾擠壓破損[4]，天生橋一級面板垂直縫擠壓破損[5]，龍馬面板垂直縫局部擠壓破損等。

3 面板混凝土應力

3.1 面板混凝土應力計算方法及參數(shù)取值

由單軸應變推求混凝土應力的理論基礎和計算方法比較復雜，目前常用的方法有變形法和松弛法，對國內(nèi)10座面板堆石壩(三板溪、天生橋一級、珊溪、公伯峽、引子渡、街面、芹山、那蘭、小山、松山)面板采用變形法來推求面板混凝土的應力。

混凝土彈性模量主要與混凝土標號有關，而徐變除外界因素外，主要與水泥、骨料、水灰比、灰漿率、外加劑和粉煤灰有關；變形法計算應力的過程中，混凝土彈性模量、徐變一般取施工期試驗值，或者根據(jù)面板混凝土施工配合比和參考類似工程取用。

3.2 面板應力量值范圍及對安全的影響

DL/T 5057—2009《水工混凝土結構設計規(guī)范》中規(guī)定：C30混凝土抗拉、抗壓強度設計值分別為1.43、14.3 MPa；C25混凝土抗拉、抗壓強度設計值分別為1.27、11.9 MPa。國內(nèi)10座面板堆石壩面板混凝土應力特征值統(tǒng)計見表2。通過對應力量值進行研究，得出如下結論：

表2 國內(nèi)典型面板堆石壩面板混凝土應力特征值

(1)采用C30等級的松山大壩面板，松山大壩面板最大壓應力為15.46 MPa，超過規(guī)范要求的抗壓強度設計值14.3 MPa，但超限不多，只要結構上沒有明顯缺陷，一般不會引起面板的擠壓破壞；采用C30等級的三板溪大壩面板分三期施工，壓應力分布在一期面板和二期面板中下部，順坡向大于水平向，極大值分別為27.5、22.8 MPa，均超過混凝土抗壓強度設計值14.3 MPa，對385 m高程水平施工縫面形成較大壓力，這也導致了一、二期面板水平施工縫的擠壓破損。

(2)采用C25等級的8座大壩面板：①面板拉、壓應力均以天生橋一級大壩為最大，其水平向、順坡向最大壓應力分別為20.21、26.9 MPa，最大主壓應力達到24.05 MPa，均超過了C25混凝土抗壓強度設計值11.9 MPa，較大的壓應力導致了面板中間垂直縫擠壓破壞；面板個別部位最大拉應力超過10 MPa，該處混凝土已被拉裂。②珊溪大壩雖然一期面板中下部順坡向應力較大，最大達21.6 MPa，超過現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的混凝土強度允許值17 MPa，但未超過混凝土試驗或實測強度，根據(jù)面板混凝土抽樣檢查(125組)結果，28 d抗壓強度最大值47.8 MPa，最小值為33.6 MPa，平均為42.8 MPa，而且一期面板中下部位處于較好受力狀態(tài)，為三向受壓，主應力的方向大致為順坡、水平向及垂直于面板的水壓力，每一向的抗壓強度隨另二向壓應力增加而增加，且極限壓應變可大大增加，所以，目前尚不致于由于應力過大會造成面板混凝土受擠壓而破壞[6]。③除天生橋一級、珊溪大壩外，其余6座大壩(公伯峽、引子渡、街面、芹山、那蘭、小山)面板最大壓應力均小于C25混凝土抗壓強度設計值，面板不會出現(xiàn)擠壓破壞；面板局部，如面板上部水平向左右岸附近及面板中間上部順坡向出現(xiàn)拉應力，超過C25混凝土軸心抗拉強度，可能出現(xiàn)裂縫等情況，但面板配筋會限制裂縫的發(fā)展，日常維護處理及時能保證面板運行安全。

4 面板鋼筋應力

面板鋼筋計一般按順坡向和水平向布置，有的大壩面板也只在順坡向布置。經(jīng)過對國內(nèi)20座面板堆石壩面板鋼筋應力實測成果進行研究，可知：

(1)面板鋼筋應力的變化規(guī)律、分布規(guī)律同面板應變類似。

(2)統(tǒng)計國內(nèi)20座面板堆石壩面板鋼筋順坡向應力特征值見圖5。由圖5可知，鋼筋順坡向最大壓應力超過200 MPa的有3座壩，分別為三板溪(245.6 MPa)[7]、龍首二級(201.39 MPa)、龍馬(218.6 MPa)，最大壓應力在100～200 MPa之間的有8座，其余9座最大壓應力均在100 MPa以內(nèi)；天生橋一級鋼筋最大拉應力為518.7 MPa、龍馬鋼筋最大拉應力為363 MPa，已超量程，其余18座大壩中，有3座大壩(灘坑133.25 MPa、龍首二級167.24 MPa、那蘭190.72 MPa)面板鋼筋最大拉應力超過100 MPa，有15座大壩鋼筋最大拉應力小于100 MPa。壩高越高，鋼筋最大拉、壓應力普遍偏大，但由于鋼筋應力的影響因素較多，其與壩高并非為線性關系。

圖5 國內(nèi)典型面板堆石壩面板順坡向鋼筋應力特征值

(3)統(tǒng)計國內(nèi)15座面板堆石壩面板鋼筋水平向應力特征值見圖6。由圖6可知，有6座大壩鋼筋最大壓應力在100～200 MPa之間，最大為194.7 MPa(天生橋一級)，9座鋼筋最大壓應力小于100 MPa；最大鋼筋拉應力中，除天生橋一級(217.0 MPa)、龍馬(338 MPa)、魚塘(136.20 MPa)外，其余12座大壩面板鋼筋最大拉應力均小于100 MPa。

圖6 國內(nèi)典型面板堆石壩面板水平向鋼筋應力特征值

5 結 論

經(jīng)過對國內(nèi)已投入運行的20多座面板堆石壩面板實測應變應力性態(tài)進行研究，得到以下結論：

(1)面板混凝土熱膨脹系數(shù)。量值大小主要決定于骨料和水泥石，一般以石英巖和砂巖骨料的混凝土α值較高，以石灰?guī)r為骨料的較低。同一大壩面板混凝土只要用同樣的骨料，面板混凝土熱膨脹系數(shù)α值大致相同，波動范圍不大。

(2)面板混凝土綜合應變。除受溫度、庫水位等環(huán)境量因素影響外，一般還與壩高、河谷形狀、壩體填筑質量等有關。進入運行期后，面板綜合應變以受壓為主，順坡向應變一般中、下部受壓，水平向應變一般是河床部位、面板中間部位受壓。面板綜合拉應變一般應不超過300×10-6，達到500×10-6左右，面板局部可能出現(xiàn)拉裂縫；壓應變一般應不超過800×10-6，達到1 000×10-6左右，面板存在局部壓壞的可能。故可將拉應變不超過300×10-6、壓應變不超過800×10-6作為面板混凝土綜合應變的合理范圍參考值，將拉應變500×10-6、壓應變1 000×10-6作為面板混凝土局部受損破壞的經(jīng)驗警戒值。

(3)面板混凝土應力。面板混凝土局部拉應力超標，可能出現(xiàn)裂縫等情況，但面板配有鋼筋會限制裂縫的發(fā)展，只要及時維護處理，能保證面板運行安全。面板混凝土最大壓應力小于設計值，或雖超過設計值，但未超過混凝土試驗或實測強度，面板不會出現(xiàn)擠壓破壞；面板混凝土壓應力超設計值較多，易對面板接觸縫形成較大壓力而致使其擠壓破損，如三板溪、天生橋一級面板混凝土順坡向、水平向最大壓應力均超過設計值50%以上，導致三板溪一、二期面板水平施工縫出現(xiàn)擠壓破損，天生橋一級面板中間垂直縫出現(xiàn)擠壓破壞。

(4)面板鋼筋應力。主要與溫度呈負相關，分布規(guī)律與面板應變類似。壩高越高，鋼筋最大拉、壓應力普遍偏大，但由于鋼筋應力的影響因素較多，其與壩高并非為線性關系。除部分處于高應力狀態(tài)下的大壩面板如三板溪、龍馬、天生橋一級等外，面板鋼筋最大拉、壓應力一般均不超過200 MPa。可將±200 MPa作為面板鋼筋應力的合理范圍參考值。