堆石壩面板應力應變和周邊縫變形特性研究

□曹 輝（浙江省臨海市水利局）

0 引言

混凝土面板堆石壩是由堆石或礫石為支承體，上游混凝土面板為防滲體的土石壩。由于施工方便，地基適應性強，運行安全性高，面板堆石壩備受我國水利工程界關注。根據2009年統計，我國共建有壩高30 m以上混凝土面板堆石壩170座，其中水布埡壩高233m，為世界最高的面板堆石壩。

堆石體是面板堆石壩的主要承力結構，為適應堆石體變形，需要在面板間和面板與趾板間設置垂直縫和周邊縫。根據已建工程運行性態分析，面板斷裂、垂直縫和周邊縫張開等是影響面板堆石壩正常運行，甚至導致潰壩的主要原因。因此，對堆石壩面板和周邊縫、垂直縫變形進行實時監測和資料分析，掌握各種安全指標量變過程，是面板堆石壩安全運行的重要保障

1 安全監測設施

1.1 應變計

常用應變計有差動電阻式、振弦式、差動電容式等，國內較多采用差動電阻式。差動電阻式應變計利用混凝土應變引起電阻感應組件發生相對位移，導致感應組件上兩根電阻絲的電阻比發生變化的原理，通過計算得到應變變化量。

式中：εm—混凝土應變量 (10-6)；f—應變計最小讀數(10-6/0.01%)；ΔZ—電阻比相對于基準值的變化量；b—應變計溫度修正系數(10-6/℃)；Δt—溫度相對于基準值的變化量，溫度升高為正，降低為負，單位℃。

無應力應變計埋設在應變計組附近，是計算混凝土應力應變必需的監測資料，無應力計測值包含溫度變形、自生體積變形和濕度變形。

式中：G（t）—自生體積變形；εw—濕度變形；α—溫度膨脹系數。

1.2 三向測縫計

三向測縫計主要用于混凝土面板堆石壩周邊縫觀測，一般由支架和3支測縫計組成，1支觀測沉降位移，2支觀測趨向河谷的位移。見圖1。

圖1 三向測縫計計算原理圖

先由觀測沉降的位移計算出趾板與面板相對沉降，再計算河谷位移的位移計t時刻在初始平面上投影長度e、d，最后計算垂直和平行周邊縫位移x、y：

式中：S—固定鋼板AB間距離；St—趾板與面板相對沉降；e、d—觀測河谷位移的位移計t時刻在初始平面上投影長度；x、y—t時刻C點的坐標。

2 觀測資料分析

2.1 監測設施布置

某面板堆石壩最大壩高103.00m，壩頂高程255.80m，壩體填筑料分5個分區，鋼筋混凝土面板厚0.30～0.60m，面板上游面回填粉土和石渣蓋重。面板變形監測采用差動電阻式應變計，共布置9組三向應變計及無應力計；周邊縫變形監測采用TSJ型三向測縫計，共布置7組。

2.2 面板應力應變

2.2.1 無應力計

混凝土澆筑后存在自生體積和溫度變形，經過一定時間后，自生體積變形趨于平緩，溫度開始下降，無應力計應變和溫度測值過程線見圖2。

圖2 無應力計應變過程線圖

根據降溫階段短時間間隔內應變和溫度斜率，本工程面板混凝土溫度膨脹系數平均值7.50×10-6/℃，無應力計測值扣除溫度應變即為混凝土的自生體積變形和濕度變形。

2.2.2 三向應變計

由于蓄水期和運行期損壞，目前除應變計只有3組能正常進行觀測，其余應力應變計均已損壞。面板順坡向最大拉應變1118.20 με（S3），最大壓應變 95.90 με（S1）；面板水平向最大拉應變104.20με（S3），最大壓應變592.90με（S3）。

根據應變觀測資料分析，河床壩段面板應變主要為壓應變，岸坡壩段面板應變主要為拉應變，應變極值基本在混凝土正常范圍內。2005年，右岸壩肩測點S3順坡向應變突增，超過混凝土極限拉應變，經檢查該部位未出現裂縫，該應變計可能損壞。見圖3。

圖3 三向應變計應變過程線圖

2.3 周邊縫變形

本工程周邊縫最大沉降和剪切變形出現在右側岸坡較陡部位（TSJ7），最大張開變形出現在壩頂河床部位（TSJ3）。實測周邊縫最大沉降變形31.88 mm，最大剪切變形為20.41 mm，最大張開度10.06mm。

根據周邊縫觀測資料分析，本工程周邊縫相對沉降變形較大，剪切和開度相對較小。周邊縫變形大部分在蓄水過程中產生，且測點埋設高程越低，沉降位移越大，現各測點測值基本趨于穩定。

3 結語

該工程河床壩段面板應變主要為壓應變，岸坡壩段面板應變主要為拉應變。右壩肩部位面板水平向最大拉應變較大，經檢查未見裂縫，該測點可能損壞。周邊縫最大沉降和剪切變形出現在右側岸坡較陡部位，最大張開變形出現在壩頂河床部位，與國內外其他面板堆石壩周邊縫變形相當。本工程堆石體變形分布規律正常，面板和周邊縫各項控制指標基本在正常范圍內，大壩整體工作性態較好。

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