白楊鎮水庫混凝土面板砂礫石壩設計與面板混凝土應力應變監測分析

【摘要】白楊鎮水庫大壩壩型為混凝土面板砂礫石壩，面板為主要的防滲體，根據大壩監測數據，分析白楊鎮水庫的面板的應力應變情況。從應變計觀測資料分析可知到目前每組應變計測值穩定，工作正常，各監測斷面兩向應變計組水平向及順坡向應變值的變化基本和溫度呈負相關關系，應變值隨溫度的升高而降低、隨溫度的降低而升高，局部斷面拉應變較大，接近混凝土所能承受的拉應變極限值，后期仍需繼續加強監測與分析。

【關鍵詞】大壩;面板;混凝土;應力應變

1、工程概況

白楊鎮水庫總庫容為4463×104m3，工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等，永久性主要建筑物級別為3級。白楊鎮水庫主要包括大壩、溢洪洞、輸水隧洞、導流隧洞。大壩頂長310m，壩頂高程958.68m，壩頂寬8m，最大壩高66.47m。

2、大壩設計

2.1 壩體輪廓尺寸

大壩壩型為混凝土面板砂礫石壩，正常蓄水位955.14m，設計洪水位956.12m，校核洪水位956.55m，壩頂寬8m，長310m，壩頂鋪設步行磚路面，路面凈寬7.5m。壩頂高程958.68m，最大壩高66.47m，壩頂上游設置L形混凝土防浪墻，防浪墻頂高程959.88m，壩頂下游側設路沿石，在路沿石上設1米高的防護欄桿。

大壩上游采用C30F300W8不等厚混凝土面板，大壩高程在905m以上時面板厚度為40cm，高程在905m以下時面板厚度為45cm，上游壩坡1：1.5，下游壩坡1：1.45。

2.2 壩體材料

根據《混凝土面板堆石壩設計規范》SL228-98的要求，壩體填筑從大的方面可分八個區：混凝土面板、上游鋪蓋區、蓋重區、墊層區、主堆石（砂礫石）區、排水區、下游護坡和濾水壩趾區，本文只詳細描述混凝土面板，其他區不做論述。

（1）混凝土面板

本工程采用不等厚面板，在大壩高程905m處將面板分為兩部分，大壩高程905m以上采用40cm厚面板，在高程905m以下采用45cm厚面板?；炷撩姘迨谴髩蔚姆罎B結構，設置在墊層的上游，面板混凝土應采用二級配骨料。

a.根據面板的抗滲、抗凍和強度要求確定面板混凝土的主要技術指標如下：

混凝土標號：C30 抗滲標號： W8 抗凍標號： F300

b.面板的配筋及指標

面板的配筋設計為單層雙向鋼筋，其豎向配筋率為0.4%，水平向配筋率為0.4%鋼筋布置在面板厚度的中央。

c.分縫與止水

混凝土面板的分縫有水平縫、垂直縫、周邊縫。

d.混凝土面板表層防護

項目區屬于嚴寒地區，本工程擬采用彩色聚氨酯高分子防水防護涂料對混凝土面板進行防護處理。

3、大壩面板混凝土應力應變監測數據分析

3.1 面板混凝土應力應變監測

在面板最長面板斷面0+125m及0+173m、拉應力最大斷面（左岸、右岸、）布置兩向應變計15組，無應力計15支，用以監測面板的應力、應變變化情況。

（一）混凝土應變

監測數據顯示，各監測斷面兩向應變計組水平向及順坡向應變值的變化基本和溫度呈負相關關系，應變值隨溫度的升高而降低、隨溫度的降低而升高。

1）0+44m斷面（L2面板）

0+44m斷面（L2面板）分別在948.6m、 936.6m及919.5m高程處各安裝1組兩向應變計組及1支無應力計，編號分別為：

948.6m高程處：S2-3（水平） 、S2-3（順坡）及無應力計S2-3-N;

936.6m高程處：S2-4（水平） 、S2-4（順坡）及無應力計S2-4-N;

919.5m高程處：S2-5（水平） 、S2-5（順坡）及無應力計S2-5-N;

監測數據顯示，948.6m高程處：S2-3水平及順坡向應變計自安裝以來，一直處于拉應變狀態，S2-3（水平）最大拉應變值為89με， S2-3（順坡）最大拉應變值為74με;936.6m高程處：S2-4水平及順坡向應變計自安裝以來，一直處于壓應變狀態，S2-4（水平）最大壓應變值為-162με， S2-4（順坡）最大壓應變值為-105με;919.5m高程處：S2-5水平向應變計自安裝以來，一直處于拉應變狀態，S2-5（水平）最大拉應變值為86με，順坡向應變計自安裝以來，應變值在拉、壓交替變化狀態，S2-5（順坡）最大拉應變值為59με，S2-4（順坡）最大應變值為-105με;拉應變值均小于混凝土所能承受的拉應變極限值。

截至2015年8月12日，S2-3及S2-5水平向及順坡向均處于拉應變狀態，S2-4水平向及順坡向均處于壓應變狀態;S2-3（水平）拉應變值為79με、S2-3（順坡）拉應變值為49με，S2-4（水平）壓應變值為-109με、S2-4（順坡）壓應變值為-53με，S2-5（水平）拉應變值為69με、S2-5（順坡）拉應變值為19με。

2）0+125m斷面（L9面板）

0+125m斷面（L9面板）分別在949.6m、 939.0m及921.2m高程處各安裝1組兩向應變計組及1支無應力計，編號分別為：

949.6m高程處：S2-6（水平） 、S2-6（順坡）及無應力計S2-6-N;

939.0m高程處：S2-7（水平） 、S2-7（順坡）及無應力計S2-7-N;

921.2m高程處：S2-8（水平） 、S2-8（順坡）及無應力計S2-8-N;

監測數據顯示，949.6m高程處：S2-6（水平）最大拉應變值為48με、最大壓應變為-61με， S2-6（順坡）最大拉應變值為48με、最大壓應變為-75με;939.0m高程處：S2-7（水平）最大拉應變值為20με、最大壓應變為-85με， S2-7（順坡）最大拉應變值為35ε、最大壓應變為-157με;921.2m高程處：S2-8（水平）最大拉應變值為73με、最大壓應變為-272με， S2-8（順坡）最大拉應變值為101με、最大壓應變為-383με;當混凝土的拉應變接近或超過混凝土所能承受的極限值時，混凝土將會產生產生裂縫，其中921.2m高程處S2-8（順坡）最大拉應變值為101με，拉應變較大，接近混凝土所能承受的拉應變極限值。

截至2015年8月12日，S2-6水平向及順坡向均處于拉應變狀態，S2-7及S2-8水平向及順坡向均處于壓應變狀態;S2-6（水平）拉應變值為37με、S2-6（順坡）拉應變值為37με，S2-7（水平）壓應變值為-28με、S2-7（順坡）壓應變值為-125με，S2-8（水平）壓應變值為-218με、S2-8（順坡）壓應變值為-344με。

3）0+173m斷面（L13面板）

0+173m斷面（L13面板）分別在949.6m、 939.0m及921.2m高程處各安裝1組兩向應變計組及1支無應力計，編號分別為：

949.6m高程處：S2-9（水平） 、S2-9（順坡）及無應力計S2-9-N;

939.0m高程處：S2-10（水平） 、S2-10（順坡）及無應力計S2-10-N;

921.2m高程處：S2-11（水平） 、S2-11（順坡）及無應力計S2-11-N;

監測數據顯示，949.6m高程處：S2-9（水平）最大拉應變值為20με、最大壓應變為-108με， S2-9（順坡）最大拉應變值為46με、最大壓應變為-160με;939.0m高程處：S2-10（水平）最大拉應變值為47με、最大壓應變為-55με， S2-10（順坡）最大拉應變值為45ε、最大壓應變為-166με;921.2m高程處：S2-11（水平）最大拉應變值為72με、最大壓應變為-36με， S2-11（順坡）自安裝以來一直處于壓應變狀態，最大壓應變為-287με;拉應變值均小于混凝土所能承受的拉應變極限值。

截至2015年8月12日，S2-9水平向及順坡向均處于壓應變狀態，S2-10及S2-11水平向處于較小的拉應變狀態，順坡向均處于壓應變狀態;S2-9（水平）壓應變值為-72με、S2-9（順坡）壓應變值為-160με，S2-10（水平）拉應變值為3με、S2-10（順坡）壓應變值為-121με，S2-11（水平）拉應變值為0με、S2-11（順坡）壓應變值為-158με。

4）0+254m斷面（L22面板）

0+254m斷面（L22面板）在949.6m高程處安裝1組兩向應變計組及1支無應力計，編號分別為：S2-15（水平） 、S2-15（順坡）及無應力計S2-15-N。

監測數據顯示，949.6m高程處：S2-15（水平）最大拉應變值為43με、最大壓應變為-22με， S2-15（順坡）自安裝以來均處于拉應變狀態，最大拉應變值為103με，拉應變較大，當混凝土的拉應變接近或超過混凝土所能承受的極限值時，混凝土將會產生產生裂縫，從數值上看，S2-15（順坡）向最大拉應變值接近混凝土所能承受的拉應變極限值。

截至2015年8月12日，S2-15水平及順坡向均處于拉應變狀態，;S2-15（水平）拉應變值為27με、S2-15（順坡）壓應變值為63με。

（二）面板自身體積變形

混凝土自生體積變形對混凝土的應力及結構物的工作狀態有重要影響，因為它可能是膨脹型砼，也可能是收縮型砼，當結構物受到約束時，收縮型自生體積變化將引起混凝土相當的拉應力，甚至造成裂縫，反之，微膨脹型自生體積變形將產生壓應力，可以提高混凝土的允許拉應力。

通過自生體積變形數據集可知，0+044m斷面2號面板936.6m高程無應力計S2-4-N自生體積變形基本上呈上升的膨脹型變化;0+125m斷面9號面板939.0m及921.2m高程無應力計S2-7-N、S2-8-N及0+173m斷面13號面板946.6m高程無應力計S2-9-N自生體積變形基本上呈下降的膨脹型變化;其它各點無應力計自生體積變形基本上呈上升的收縮型變化;膨脹型混凝土產生壓應變，對混凝土面板的結構有利，收縮性混凝土產生拉應變，對混凝土面板的結構不利;從對應應變計的應變也可以看出，處于膨脹型變形的應變計目前均處于壓應變狀態。

4、面板混凝土應力應變監測分析結論

從應變計觀測資料分析結論為到目前每組應變計測值穩定，工作正常。各監測斷面兩向應變計組水平向及順坡向應變值的變化基本和溫度呈負相關關系，應變值隨溫度的升高而降低、隨溫度的降低而升高。

當混凝土的拉應變接近或超過混凝土所能承受的極限值時，混凝土將會產生產生裂縫，其中0+125m斷面（L9面板）921.2m高程處S2-8（順坡）及0+254m斷面（L22面板）S2-15（順坡）最大拉應變值分別為101με和103με，拉應變較大，接近混凝土所能承受的拉應變極限值，仍需繼續加強監測與分析。

作者簡介：王延文（1983.07--），工程師，現主要從事水利水電工程規劃設計工作。