混凝土面板堆石壩面板開裂過程研究綜述

摘要：混凝土面板是以堆石體為支撐結構，它承擔著向下游堆石體傳遞水壓力及大壩防滲的重任，對大壩的安全與工程的運行起著決定性的作用。本文總結近年學者對混凝土面板堆石壩面板開裂過程研究現狀，試圖尋找此類研究的方向和問題。

關鍵詞：混凝土面板堆石壩 開裂過程 研究綜述

1 研究意義

現代混凝土堆石壩的發展趨勢是壩越建越高、工程規模越來越大。眾所周知，混凝土面板是面板堆石壩的防滲主體，面板的開裂與否直接關系到工程的安全。

盡管混凝土面板堆石壩的安全性較高，但仍有許多工程出現了事故，如我國西北口面板堆石壩的面板出現了大量的結構性裂縫；哥倫比亞的格里拉斯面板堆石壩的周邊縫止水結構發生嚴重破壞；我國溝后砂礫石面板堆石壩發生了潰決等等。這些事故發生的主要原因是面板在支撐體（堆石體）的變形及混凝土的溫度應力雙重作用下發生了開裂，以面板為主體的防滲系統的失效導致壩體在滲流場與應力場的共同作用下產生了破壞。因此，充分了解施工期與運行期面板的應力變形狀態，研究混凝土面板堆石壩面板開裂機理及破壞過程，具有重要的實際應用價值。

2 國內外研究進展

2.1 面板開裂影響因素研究現狀 混凝土面板是以堆石體為支撐結構，它承擔著向下游堆石體傳遞水壓力及大壩防滲的重任，對大壩的安全與工程的運行起著決定性的作用。從空間結構看，面板的長度較長，寬度較小，而厚度相對來說很小，是一塊長條形的薄板，因此，受環境溫度的影響較大，尤其是高壩及處于高寒地區的混凝土面板堆石壩，在氣溫驟變條件下，面板內將產生拉應變，再加上壩體的沉降及其它不確定性因素，面板很容易出現裂縫。從國內外修建的面板堆石壩看，面板開裂的情況比較普遍，個別的壩還相當嚴重，因此，面板的抗裂問題是面板堆石壩的重要課題。國內外研究表明：混凝面板的溫度應力、外界荷載（主要為水荷載）以及堆石體變形是面板開裂的主導因素。

①混凝土力學特性及荷載對面板開裂的影響。混凝土面板開裂問題，實質上是面板中的破壞力與抵抗力之間的較量。破壞力主要指的是由外因及內因引起的面板應力，抵抗力則指的是面板混凝土的強度。面板應力主要受混凝土的力學性能、面板的自重、外部荷載以及壩高、河谷形狀等因素的影響。②堆石體變形對面板開裂的影響。混凝土面板以堆石體為支撐結構，因此，面板的應力變形除了受混凝土力學特性及荷載對面板開裂的影響外，還受堆石體變形的影響。尤其是運行期，在水壓力的作用下，面板開裂與否主要由堆石體變形決定，因此，堆石體變形的影響因素亦是混凝土面板變形特性的影響因素。大量監測數據及數值計算結果表明，在堆石體的流變、濕化變形以及庫水位升降的影響下，堆石體的變形呈現出隨時間而變化的趨勢，則混凝土面板的應力變形也隨之變化。混凝土面板堆石壩的壩體是分層碾壓填筑的，在自重及碾壓力的作用下，堆石體會產生豎直和水平位移，澆筑在墊層上的面板變形如果不能適應壩體的變形，就會出現墊層料脫空，此時，面板失去了壩體的支撐作用，在水壓力的作用下，其應力變形特性會發生變化，主要表現為：脫空部位的面板被壓向墊層料，在水壓力及墊層反力的作用下，內部產生較大的應力，當應力超過混凝土的強度則會產生裂縫，發生開裂破壞。

2.2 混凝土面板堆石壩面板開裂過程研究現狀 ①混凝土的斷裂過程。混凝土材料的拉伸、壓縮和彎曲等力學性能是混凝土結構設計的重要依據，而試驗則是揭示混凝土力學性能的主要方法。從國內外的試驗資料可知：混凝土是典型的非均勻材料，其中含有夾碴、氣泡、孔穴等，其變形、強度以及破壞過程均與裂紋的擴展有關。混凝土的裂紋可以分為兩大類：一類是隨機分布的微裂紋，微裂紋的存在決定了混凝土的抗壓與抗拉強度；另一類是宏觀裂紋，它使得混凝土的力學性質呈現各向異性。混凝土的破壞是由混凝土的微裂紋與宏觀裂紋共同作用，一方面微裂紋的存在影響宏觀裂紋的萌生，另一方面微裂紋對主裂紋產生屏蔽和劣化的雙重作用。混凝土的破壞過程實質上是其中微裂紋萌生、擴展、貫通，直至微裂紋變成宏觀裂紋，進而導致混凝土失穩破裂的過程。②混凝土斷裂力學的研究現狀。1920年，Griffith在研究玻璃的強度時首次提出了斷裂力學理論，此后，經過Irin和Owen的補充和完善，在20世紀50年代適用于高強度鋼材的線彈性斷裂力學體系基本形成。1961年，Kaplan首先將斷裂力學的概念引用到混凝土中，用斷裂力學的理論研究混凝土的破壞機理，并進行了混凝土的斷裂韌度實驗。此后，國內外諸多學者專家在混凝土斷裂試驗方面做了許多研究，積累了大量的實測資料，并提出了一系列應力強度因子的計算方法和經驗斷裂判據。③混凝土面板斷裂損傷研究現狀。目前，關于混凝土結構的斷裂損傷研究主要集中在大體積混凝土結構、碾壓混凝土拱壩、混凝土重力壩方面，而對于面板堆石壩混凝土面板斷裂方面的研究甚少。混凝土面板對環境溫度的變化較敏感，再加上壩體的沉降，面板很容易出現裂縫。因此，基于斷裂力學研究混凝土面板微裂紋萌生、擴展、貫通，直到產生宏觀裂紋的破壞機理，對于面板的抗裂，大壩的安全運行具有重要意義。

2.3 混凝土面板堆石壩滲流特性研究現狀 混凝土面板堆石壩以堆石體作為支撐結構，安全性較高，許多學者認為混凝土面板堆石壩不會發生滲透破壞，因此，對面板壩的滲流分析研究不夠重視，甚至在設計時不作為計算的主要內容。混凝土面板是大壩防滲的主要結構，一旦發生開裂破壞，將直接危及到工程的安全與經濟效益，應當引起足夠的重視。混凝土面板堆石壩的滲流分析對于工程的設計、運行及管理具有重要的意義。

關于混凝土面板堆石壩的滲流計算模型或計算方法，國內外研究甚少，澳大利亞的倫吉·卡希納得通過工程實例滲漏觀測數據的分析，利用面板的結構尺寸、面板的坡率及水深與面板裂縫滲漏量的關系，獲得了半經驗性的化引表面滲透系數，即表面滲透性法，該方法將面板作為各向同性的均質體，且面板裂縫中的滲流符合達西定律。表面滲透性法忽略了墊層、過渡層等面板基礎的滲流，只能估算面板裂縫及接縫的滲漏量，不能確定滲透坡降、滲流速度等其他要素，更不能用于整個大壩的滲流仿真計算。張嘎，張建民等通過對混凝土面板堆石壩滲流形態的分析，假定裂縫滲流為層流、面板縫隙為等寬縫隙，基于達西滲流定律進行了面板出現裂縫工況下堆石壩的滲流有限元計算，該方法沒有考慮面板裂縫寬度沿厚度方向變化的特性及裂縫面的粗糙度，因此計算結果也不盡如人意。

3 總結

綜上所述，混凝土面板發生裂縫的原因主要是堆石體變形和面板的溫度應力兩個方面。由溫度變化引起的混凝土收縮，加之基礎約束將導致面板出現大量密集的有規律的水平裂縫。由壩體的不均勻變形引起的拉應力，將導

致面板出現較大的裂縫，甚至出現斷裂；現有的混凝土面板堆石壩滲流分析的計算模型都不成熟，仍需要進行更深入的研究，尤其是面板開裂情況下堆石壩的滲流機理研究。

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