水庫(kù)大壩應(yīng)力變形及抗水力劈裂探討

薛哲 廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司

水庫(kù)大壩的建造和投入使用，需要技術(shù)人員進(jìn)行安全檢測(cè)與管理，以保證水庫(kù)大壩不會(huì)發(fā)生工程事故，同時(shí)要努力避免未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)的大壩裂縫問(wèn)題[1]。目前我國(guó)很多水庫(kù)的大壩存在應(yīng)力變形以及抗水力劈裂的問(wèn)題，對(duì)于此問(wèn)題，業(yè)內(nèi)學(xué)者給出了很多的解決方式，本文將針對(duì)應(yīng)力變形產(chǎn)生的原因，結(jié)合蓄水問(wèn)題，對(duì)水庫(kù)大壩的受力和工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題進(jìn)行研究。

1.水庫(kù)初次快速蓄水對(duì)大壩應(yīng)力變形和抗水力劈裂的影響

1.1 國(guó)內(nèi)部分水庫(kù)施工蓄水過(guò)程

在建筑行業(yè)中修建水利大壩的施工蓄水過(guò)程有八個(gè)步驟，這八個(gè)步驟需要采用逐級(jí)加載的方式。首先第一個(gè)階段是對(duì)地基覆蓋層級(jí)兩岸的山體進(jìn)行蓄水，這個(gè)階段是整個(gè)蓄水過(guò)程是否順利的基礎(chǔ)，其他七個(gè)階段分別是在壩體橫截面填充至328米，336米，354米，373米，396米，412米，428米時(shí)。

1.2 有限元模型構(gòu)建

如圖1所示，對(duì)于大壩和水庫(kù)的有限元三維立體模型，在構(gòu)造上看起來(lái)并不復(fù)雜，但是如果加上材料和力矩這些要素就會(huì)變得難以計(jì)算。這時(shí)候如果用簡(jiǎn)單的BIM技術(shù)很難對(duì)有限元模型進(jìn)行構(gòu)建和分析。對(duì)于這樣的模型構(gòu)建需要用到八個(gè)節(jié)點(diǎn)，六個(gè)平面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)還要應(yīng)對(duì)，隨時(shí)可能發(fā)生變化的氣候情況和山體變動(dòng)。對(duì)大壩進(jìn)行應(yīng)力分析少不了要對(duì)壩體和基巖的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，力的作用離不開(kāi)承載它的物質(zhì)。水的壓力以及在基面上所產(chǎn)生的應(yīng)力是很復(fù)雜的模型，尤其是在水平面不斷上升的時(shí)候，其力學(xué)系統(tǒng)的變化并不是線性的，而是各種非線性合力的組合。

圖1 大壩有限元三維立體模型

1.3 應(yīng)力變形特性分析及抗水力劈裂分析

應(yīng)力是物體由于外因變形時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)力，在對(duì)于應(yīng)力的研究上，水庫(kù)大壩的力學(xué)文獻(xiàn)對(duì)其研究不夠深入。在每一個(gè)不同截面上的單位面積的內(nèi)力，都有著復(fù)雜的變化，對(duì)內(nèi)力進(jìn)行分析，應(yīng)該對(duì)應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力張量、平衡微分以及參與應(yīng)力消除的問(wèn)題進(jìn)行考量。在水庫(kù)大壩的應(yīng)力分析方面，我們主要用到的是塑性力學(xué)的應(yīng)力張量，這樣的力一般是平均正應(yīng)力，應(yīng)力偏量張量不是很大，而且是唯一的。從上圖可以看出，在水面急劇上升的時(shí)候，劈裂滲透壓力是向上的，而水壓力是向下的，這樣就容易造成水壓楔劈效應(yīng)，水壓楔劈效應(yīng)是造成壩體斷裂和產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。在對(duì)壩體的應(yīng)力變形進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，要考慮滲透單元，對(duì)每一個(gè)滲透單元的裂縫和裂縫的尖端進(jìn)行定量分析。在壩體的頂端和高程部分要進(jìn)行最大沉降和最大水平位移的數(shù)值統(tǒng)計(jì)，從而分析工程的可行性以及產(chǎn)生裂縫的可能性，盡量降低工程風(fēng)險(xiǎn)，提高大壩使用年限。

圖2 變形特性分析

2.蓄水速度對(duì)水庫(kù)大壩應(yīng)力變形特性的影響

對(duì)水庫(kù)大壩影響最大的應(yīng)力變形因素?zé)o疑是蓄水速度，由于水庫(kù)本身的戰(zhàn)略地位，其在面對(duì)水澇等自然災(zāi)害來(lái)臨時(shí)，往往需要面對(duì)很極限的應(yīng)力變化。在短時(shí)間內(nèi)的水位快速變化，會(huì)對(duì)壩體的結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的沖擊。蓄水速度過(guò)快，會(huì)在大壩本身產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，這種應(yīng)力在實(shí)驗(yàn)室里很難模擬出來(lái)，只能在每一個(gè)小的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)進(jìn)行仿真模擬。水庫(kù)大壩由于本身的設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用方向不同，在面對(duì)不同情況的自然災(zāi)害時(shí)，如果缺乏有效的應(yīng)對(duì)措施，則在對(duì)大壩造成沖擊的時(shí)候，會(huì)對(duì)周?chē)木用裆钤斐捎绊憽?/p>

施工人員需對(duì)施工過(guò)程中的不確定因素和施工完成后的日常維修和管理等做好預(yù)備方案，保證水庫(kù)大壩的使用年限和修建安全。對(duì)于不同的水庫(kù)限制其蓄水速度要根據(jù)實(shí)際情況，應(yīng)該先對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況和大壩周?chē)慕ㄖ约吧眢w情況進(jìn)行摸排勘察。對(duì)水庫(kù)大壩附近的巖石情況進(jìn)行排查至關(guān)重要，勘察人員需要勘測(cè)區(qū)域內(nèi)的地形地貌，選擇比較狹小的V型谷或者U型的基巖河谷作為修建地址。這個(gè)原因是由于U型谷或V型谷的巖石結(jié)構(gòu)比較致密，能夠有效節(jié)省修建基層的混凝土重力壩，而且這樣的骨型能夠?qū)λ鳟a(chǎn)生比較好的緩沖效果，對(duì)蓄水速度的限制并不高。巖石結(jié)構(gòu)的抗水性能堅(jiān)硬程度以及滲水性能需要有科學(xué)的評(píng)估方法，如果能夠選擇花崗巖為基巖結(jié)構(gòu)是最好的。當(dāng)然在一些巖石豐富的地貌附近，也容易產(chǎn)生風(fēng)化巖石的現(xiàn)象，這時(shí)大壩的建設(shè)需要考慮加入混凝土，以防止壩體不穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生。一般來(lái)說(shuō)，壩址需要選擇在擁有隔水層的橫谷，便于在水流經(jīng)過(guò)時(shí)起到阻礙作用，而上游段的巖石結(jié)構(gòu)也是水流緩沖作用的重要一環(huán)，便于對(duì)水流進(jìn)行集中，使水庫(kù)大壩發(fā)揮應(yīng)有的作用。蓄水速度在不同季節(jié)也要受到一定的影響，在冬季由于溫度使巖石和金屬的影響小，物理性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，唯一需要考慮的問(wèn)題在于水庫(kù)結(jié)冰。但在夏季溫度較高時(shí)，金屬材料容易發(fā)生膨脹現(xiàn)象，這將對(duì)蓄水速度產(chǎn)生較大影響。

3.壩體混凝土結(jié)構(gòu)受應(yīng)力影響產(chǎn)生裂縫

由于現(xiàn)代水利工程中所用的大壩建筑材料是混凝土與鋼筋，或者土石壩結(jié)構(gòu)，這些材料在不發(fā)生重大自然災(zāi)害的情況下，能夠保持其穩(wěn)定性，但用久之后難免會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題。這樣的裂縫產(chǎn)生，主要是由塑性收縮和溫差導(dǎo)致的，在一些特殊情況下，還會(huì)產(chǎn)生安定性裂縫。由于混凝土在凝固的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生散熱現(xiàn)象，對(duì)比較大塊的混凝土來(lái)講，在極端外界環(huán)境影響下，會(huì)產(chǎn)生一定的收縮應(yīng)力，這樣的應(yīng)力在超過(guò)混凝土本身承受能力時(shí)，會(huì)造成斷裂現(xiàn)象。由于水庫(kù)大壩的組成結(jié)構(gòu)包含金屬材料和非金屬材料，在兩種材料結(jié)合的部分，金屬材料的分子特性致密，且存在各向同性的性質(zhì)，這種性質(zhì)與鋼筋混凝土內(nèi)部混亂的結(jié)構(gòu)不同，因此兩者相交的界面上雙方受到同樣的內(nèi)力，但內(nèi)力的作用效果有所不同。

對(duì)于原材料使用鋼筋混凝土而不使用其他材料，在經(jīng)濟(jì)學(xué)上是無(wú)法解決的。有很多材料用于建造水庫(kù)大壩比混凝土要好，但是價(jià)格卻十分昂貴。解決此問(wèn)題可以從優(yōu)化混凝土的材料配比方面出發(fā)，將農(nóng)村的爐灰或者一些砂石摻入，能夠有效的改善混凝土的硬度和可塑性以及能夠有效地抗腐蝕。對(duì)于水庫(kù)大壩應(yīng)力變形，有一部分因素是因?yàn)榛炷恋乃苄允湛s。由于混凝土的基層和模板之間的可塑性不是很好，或者噴灑的養(yǎng)護(hù)劑不夠均勻，在遇到大風(fēng)天氣和比較暴烈的日光時(shí)，對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)會(huì)造成一定的影響，由于材料中會(huì)有呈弱酸性的硅酸鹽水泥，容易對(duì)一些材料造成腐蝕，從而引起裂縫。呈現(xiàn)裂縫的本質(zhì)也是因?yàn)閼?yīng)力不均勻同時(shí)作用在混凝土上的應(yīng)力超出地基的承受能力。目前用于解決這種問(wèn)題的方式是采取化學(xué)材料的嵌縫和水泥灌漿。在空氣溫度和濕度比較適宜的情況下，對(duì)產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。灌漿加固與化學(xué)材料嵌縫不一樣的地方在于，化學(xué)材料嵌縫是在施工過(guò)程中進(jìn)行的，而灌漿加固是在容易產(chǎn)生裂縫的位置進(jìn)行后續(xù)的預(yù)防處理。灌漿的流程比較復(fù)雜，需要鑿槽、鉆孔、沖洗等。

4.總結(jié)

對(duì)水庫(kù)大壩應(yīng)力變形及抗水力劈裂進(jìn)行探討，從水庫(kù)初次快速蓄水對(duì)大壩應(yīng)力變形和抗水力劈裂的影響、蓄水速度對(duì)水庫(kù)大壩應(yīng)力變形特性的影響、壩體混凝土結(jié)構(gòu)受應(yīng)力影響產(chǎn)生裂縫這三個(gè)方面進(jìn)行分析，指出了目前在水庫(kù)大壩修建和使用中應(yīng)力變形的原因和抗水力劈裂的一些方式，希望本文的研究和探討能夠?qū)λ畮?kù)大壩的安全性和使用年限做出一定的貢獻(xiàn)。