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高 拱 坝 坝 踵 应 力 实 测 与 计 算 结 果 差 异 原 因 分 析 张 国 新 周 秋 景 ( 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院, 北 京 100038) 摘 要 : 坝 踵 应 力 是 关 系 到 混 凝 土 坝 是 否 开 裂 和 安 全 的 一 个 重 要 指 标, 不 管 是 用 结 构 力 学 法 还 是 有 限 元 法 都 能 计 算 出 坝 踵 有 一 定 的 拉 应 力, 但 实 际 监 测 值 很 少 出 现 拉 应 力, 主 要 原 因 应 在 于 :1) 坝 踵 位 置 的 定 义 不 同 ;2) 目 前 的 监 测 仪 器 和 方 法 有 局 限 性 ;3) 计 算 过 程 中 的 不 当 简 化 本 文 从 定 性 和 定 量 两 个 方 面 分 析 造 成 计 算 结 果 和 实 测 结 果 差 异 的 原 因, 以 小 湾 特 高 拱 坝 为 例 分 析 影 响 计 算 精 度 的 各 项 主 要 因 素, 在 此 基 础 上 提 出 坝 踵 真 实 应 力 状 态 计 算 的 仿 真 分 析 方 法 改 进 后 的 仿 真 分 析 结 果 与 监 测 结 果 规 律 吻 合 良 好, 应 力 值 接 近, 说 明 该 方 法 能 够 给 出 合 理 的 坝 踵 应 力 变 化 规 律 和 比 较 精 确 的 应 力 范 围 最 后, 给 出 了 坝 踵 应 力 监 测 仪 器 和 方 法 的 改 进 建 议 关 键 词 : 高 拱 坝 ; 坝 踵 应 力 ; 数 值 模 拟 方 法 ; 监 测 方 法 Analysis of difference reason between monitoring and calculating dam heel stress of high arch dam Abstract: The stress value of a dam heel is a key indicator that is closely related to concrete cracks and dam safety. Tension stress is generally got in a dam heel by structure mechanics methods or finite element methods, while seldom be monitored with instruments. The reason may lie in the following three aspects: different dam heel definition between simulation and monitor, limitation of monitoring methods and instruments, improper simplification in simulation analysis. The reason for the difference between simulation and monitoring results is analyzed qualitatively and quantitatively. Main factors affecting simulation accuracy are studied with Xiaowan arch dam as an example, and an improved simulation method is proposed to give more real and accurate dam heel stress. The simulation results got with the improved simulation method are in good agreement with the monitoring results of Xiaowan arch dam. Therefore, reasonable stress variation and accurate stress range can be obtained with the improved simulation method. Finally, some suggestions for improvement of monitoring instruments and methods are given. Key words: high arch dam, dam heel stress, simulation method, monitoring method 0 前 言 拱 坝 设 计 中 坝 踵 应 力 是 一 个 关 键 控 制 指 标, 如 果 坝 踵 拉 应 力 超 标 会 引 起 坝 踵 开 裂, 严 重 时 裂 缝 会 损 坏 甚 至 破 坏 防 渗 帷 幕, 危 及 大 坝 安 全 国 内 外 不 乏 因 坝 踵 拉 应 力 超 标 引 起 开 裂, 影 响 大 坝 安 全, 而 不 得 不 进 行 大 修 的 例 子 如 奥 地 利 的 Kolnbrein 拱 坝, 初 次 蓄 水 过 程 中, 河 床 坝 段 坝 踵 和 下 游 面 底 部 均 出 现 裂 缝, 结 构 大 量 漏 水, 扬 压 力 增 大 至 全 水 头, 采 取 了 大 量 修 补 加 固 措 施, 最 终 在 大 坝 下 游 修 建 一 座 大 体 积 拱 形 重 力 支 撑 坝 才 彻 底 解 决 问 题 [1] 奥 地 利 的 Zillergrundl 拱 坝 在 坝 踵 区 预 设 了 诱 导 缝 来 防 止 坝 踵 出 现 裂 缝, 但 效 果 不 佳, 在 其 上 部 仍 产 生 了 一 条 水 平 接 缝 [2] 前 苏 联 的 Sayano-Shushenskoe 重 力 拱 坝 蓄 水 运 行 时 在 上 游 面 坝 踵 位 置 出 现 了 位 于 不 同 高 程 的 水 平 裂 缝, 造 成 明 显 渗 漏, 后 期 分 三 个 阶 段 进 行 了 灌 浆 修 补 加 固 [3] 我 国 石 门 拱 坝 在 蓄 水 初 期 的 低 温 高 水 位 期 间 坝 踵 也 出 现 开 裂, 对 大 坝 安 全 运 行 造 成 不 利 影 响 [4] 完 稿 日 期 :2012 年 12 月 15 日 1

[5 6] 设 计 阶 段 一 般 按 照 规 范 要 求 采 用 拱 梁 分 载 法 或 有 限 元 等 效 应 力 法 进 行 应 力 分 析, 结 果 显 示 坝 踵 普 遍 存 在 一 定 大 小 的 拉 应 力, 如 文 [7] 统 计 的 小 湾 二 滩 拉 西 瓦 构 皮 滩 李 家 峡 等 高 拱 坝 坝 踵 均 为 拉 应 力, 且 拉 应 力 一 般 都 在 0.8MPa 以 上 采 用 线 弹 性 有 限 元 法 计 算 大 坝 应 力 时, 坝 踵 拉 应 力 会 随 着 计 算 单 元 的 细 化 而 增 大, 甚 至 会 给 出 难 以 置 信 的 结 果, 非 线 [5 6] 性 分 析 也 会 在 坝 踵 出 现 受 拉 屈 服 为 了 防 止 坝 踵 开 裂, 我 国 拱 坝 设 计 规 范 对 坝 体 的 容 许 拉 应 力 进 行 了 规 定, 并 把 坝 踵 应 力 作 为 大 坝 观 测 的 一 个 重 要 指 标 进 行 监 测 为 改 善 坝 踵 应 力 状 态, 国 内 外 工 程 中 采 用 过 多 种 减 小 坝 踵 拉 应 力 的 措 施, 如 布 置 水 平 诱 导 缝 [8] 坝 踵 前 基 础 [9] 布 置 预 置 缝 设 置 坝 踵 块 以 及 布 置 贴 脚 等, 典 型 的 如 小 湾 特 高 拱 坝 在 坝 踵 处 设 置 了 一 条 横 跨 11 个 坝 段 的 诱 导 缝 [8] 但 是 目 前 我 国 大 量 观 测 结 果 却 不 支 持 如 上 计 算 结 论, 如 已 运 行 了 十 几 年 二 滩 高 拱 坝 的 坝 踵 仍 为 4MPa 以 上 的 压 应 力 [10] ; 小 湾 高 拱 坝 已 蓄 水 至 正 常 蓄 水 位, 目 前 未 监 测 到 拉 应 力, 压 应 力 在 1.5~4.0MPa; 构 皮 滩 拱 坝 也 未 监 测 到 坝 踵 拉 应 力 [11] [12] ; 王 志 远 统 计 了 10 座 重 力 坝 的 坝 踵 应 力 全 部 为 压 应 力, 平 均 压 应 力 为 0.84MPa 为 什 么 计 算 中 普 遍 出 现 的 坝 踵 拉 应 力 在 实 测 结 果 中 未 能 见 到? 为 什 么 实 测 坝 踵 普 遍 为 较 大 的 压 应 力? 这 是 许 多 学 者 和 工 程 师 普 遍 关 心 的 一 个 问 题 对 拱 坝 坝 踵 的 应 力 问 题, 国 内 外 学 者 在 多 个 方 面 都 进 行 过 大 量 研 究 工 作, 如 计 算 网 格 和 计 算 方 法 对 坝 踵 应 力 精 度 的 影 响 [13], 横 缝 布 置 等 结 构 因 素 对 坝 踵 应 力 的 影 响 [14], 计 算 应 力 取 值 方 法 坝 踵 应 力 集 中 的 等 效 处 理 [15], 非 线 性 分 析 中 坝 踵 开 裂 的 判 断 准 则 坝 踵 开 裂 的 塑 性 区 大 小 危 害 性 判 断 方 法 [16], 改 善 坝 踵 应 力 状 态 的 措 施 如 体 型 优 化 设 置 周 边 缝 和 底 缝 等 [8], 工 程 措 施 对 坝 踵 应 力 和 拱 坝 工 作 性 态 的 影 响 [17], 坝 踵 开 裂 对 坝 体 应 力 分 布 规 律 和 大 小 [18] 的 影 响 等 以 上 对 坝 踵 应 力 问 题 的 广 泛 研 究, 给 出 了 很 多 的 有 益 研 究 成 果 和 结 论, 但 仍 存 在 问 题 需 要 解 答, 其 中 很 重 要 的 一 个 问 题 是 坝 踵 应 力 计 算 值 和 实 测 值 存 在 差 异 针 对 拱 坝 坝 踵 应 力 准 确 性 问 题, 张 国 新 等 针 对 仿 真 计 算 影 响 因 素 进 行 过 初 步 讨 论 [19], 王 志 远 针 对 重 力 坝 坝 踵 应 力 问 题 进 行 过 定 性 讨 论 [12], 探 讨 了 运 行 期 温 度 应 力 灌 浆 作 用 以 及 湿 涨 作 用 等 本 文 从 计 算 坝 踵 和 观 测 坝 踵 的 差 别, 观 测 仪 器 和 方 法 的 局 限 性, 数 值 计 算 中 模 型 和 荷 载 的 模 拟 方 式 的 影 响 等 几 个 方 面 分 析 高 拱 坝 坝 踵 应 力 的 计 算 结 果 和 观 测 结 果 差 别 的 原 因, 研 究 真 实 坝 踵 应 力 的 计 算 分 析 和 观 测 方 法, 提 出 了 更 精 确 的 仿 真 分 析 方 法 和 监 测 建 议, 并 对 小 湾 拱 坝 坝 踵 应 力 进 行 了 分 析 1 实 测 坝 踵 应 力 的 局 限 性 1.1 计 算 和 监 测 应 力 坝 踵 位 置 不 相 同 在 设 计 及 数 值 计 算 中, 坝 踵 一 般 定 义 为 拱 坝 上 游 面 和 建 基 面 交 点, 该 点 处 于 结 构 的 几 何 突 变 位 置, 存 在 应 力 集 中 现 象, 结 构 和 应 力 分 布 都 非 常 复 杂 有 限 元 法 计 算 时 坝 踵 应 力 会 极 大 地 依 赖 于 网 格 剖 分, 难 以 给 出 稳 定 的 计 算 结 果, 因 此 规 范 要 求 采 用 等 效 应 力 的 方 式 计 算 坝 踵 应 力 值 在 实 际 监 测 中, 坝 踵 应 力 监 测 仪 器 如 压 力 计 或 多 点 应 力 计 一 般 不 会 布 置 在 这 种 几 何 突 变 位 置, 而 是 在 离 坝 踵 一 定 距 离 处 如 图 1 为 小 湾 高 拱 坝 拱 冠 梁 坝 段 建 基 面 附 近 应 力 监 测 设 备 布 置 情 况, 该 拱 坝 中 应 力 监 测 仪 器 布 置 在 实 际 坝 踵 下 游 处, 距 离 上 游 面 约 6.0m 建 基 面 约 3m 处 应 力 应 变 测 点 这 种 布 置 方 式, 避 开 了 坝 踵 复 杂 构 造 的 影 响, 避 免 了 应 力 集 中 带 来 的 测 值 不 稳 定 性 但 是 测 值 反 映 的 不 是 真 实 的 坝 踵 应 力, 与 数 值 计 算 分 析 的 坝 踵 位 置 有 较 大 差 别, 这 是 造 成 计 算 坝 踵 应 力 与 实 测 坝 踵 应 力 差 别 的 原 因 之 一 2

坝 体 设 计 计 算 坝 踵 位 置 实 际 监 测 坝 踵 位 置 约 基 岩 面 图 1 典 型 拱 坝 坝 踵 应 力 计 布 置 示 意 图 1.2 坝 踵 应 力 监 测 设 备 和 方 法 只 能 监 测 压 应 力 坝 踵 应 力 的 监 测, 目 前 一 般 采 用 两 种 方 法, 一 是 在 建 基 面 混 凝 土 与 基 岩 的 结 合 部 位 埋 设 压 应 力 计, 直 接 测 量 坝 基 的 应 力 第 二 种 方 法 是 埋 设 多 项 应 变 计, 测 量 出 各 方 向 应 变 值, 进 一 步 计 算 应 力 (1) 坝 基 压 应 力 计 图 2 是 一 个 典 型 的 坝 踵 应 力 计 示 意 图 应 力 计 距 上 游 面 一 般 3 至 6m, 测 轴 平 行 于 建 基 面 的 法 向, 因 此 只 能 监 测 建 基 面 的 法 向 应 力 建 基 面 的 应 力 由 两 部 分 组 成 : 扬 压 力 ( 或 渗 透 压 力 ) 及 岩 石 - 混 凝 土 之 间 的 有 效 应 力, 而 应 力 计 测 值 为 总 应 力, 即 : (1) 式 中 为 实 测 应 力, 为 扬 压 力, 有 效 应 力 上 游 面 5m 应 力 计 Pu 基 岩 面 σr 图 2 典 型 拱 坝 坝 踵 压 应 力 计 布 置 示 意 大 坝 浇 筑 期 间, 有 效 应 力 随 坝 高 的 增 加, 压 应 力 不 断 增 大, 蓄 水 后 随 水 位 不 断 抬 升, 压 应 力 逐 渐 减 小, 一 旦 水 压 引 起 的 拉 应 力 增 量 大 于 浇 筑 期 压 应 力 贮 备 时, 有 效 应 力 由 压 变 为 拉, 但 该 部 位 最 大 拉 应 力 不 会 大 于 基 础 岩 体 的 抗 拉 强 度 因 此 实 测 坝 踵 压 应 力 不 小 于 扬 压 力 与 岩 体 抗 拉 强 度 之 差, 即 : (2) 式 中 : 为 基 础 岩 体 的 抗 拉 强 度 众 所 周 知, 岩 体 普 遍 存 在 大 量 节 理 裂 缝, 是 一 种 抗 压 不 抗 拉 的 材 料, 抗 拉 强 度 一 般 很 低, 尤 其 在 存 在 裂 隙 和 节 理 时, 可 能 抗 拉 强 度 接 近 于 0 坝 踵 处 的 扬 压 力 一 般 与 上 游 水 头 相 等, 因 此 当 上 游 水 压 产 生 的 拉 应 力 小 于 岩 体 的 抗 拉 强 度 时, 应 力 计 可 以 测 到 坝 基 压 应 力 ; 而 当 建 基 面 的 有 效 拉 应 力 大 于 岩 体 的 抗 拉 强 度, 使 得 建 基 面 拉 开, 应 力 计 的 测 值 即 转 化 为 扬 压 力 值 事 实 上, 多 座 高 坝 的 坝 踵 应 力 测 值 在 水 位 达 到 一 定 高 度 时 便 与 水 位 正 相 关 变 化, 说 明 此 处 建 3

基 面 已 开 裂, 应 力 计 转 变 为 渗 压 计 (2) 多 向 应 变 计 组 坝 踵 多 向 应 变 计 组 均 埋 设 于 混 凝 土 中, 距 上 游 面 和 建 基 面 都 有 一 定 距 离, 如 图 3 为 小 湾 拱 坝 坝 踵 附 近 多 向 应 变 计 组 埋 设 示 意 图 上 游 面 6m 应 变 计 6m 基 岩 面 Pu 图 3 小 湾 拱 坝 坝 踵 多 向 应 变 计 组 埋 设 示 意 图 建 基 面 处 坝 基 岩 体 对 坝 踵 混 凝 土 的 作 用 应 力 为 : 取 坝 踵 局 部 进 行 应 力 分 析 可 知, 坝 体 上 游 面 为 库 水 带 来 的 压 应 力, 下 部 建 基 面 处 为 下 部 基 岩 渗 流 带 来 的 压 应 力 ( 扬 压 力 作 用 ), 测 点 高 程 处 的 横 向 应 力 即 拱 向 应 力 也 为 压 应 力, 因 此 可 知 多 向 应 变 计 组 测 点 处 为 三 向 受 压 状 态, 因 此 埋 设 于 坝 踵 附 近 混 凝 土 中 的 多 向 应 变 计 组 只 能 监 测 到 压 应 力 由 以 上 分 析 可 见, 对 于 高 拱 坝 而 言, 采 用 目 前 的 监 测 方 法, 不 管 坝 踵 压 应 力 计 还 是 坝 踵 多 向 应 变 计 组, 都 只 能 监 测 到 压 应 力, 而 不 能 监 测 到 拉 应 力, 这 是 目 前 坝 踵 应 力 监 测 方 法 和 仪 器 的 局 限 性, 也 可 以 部 分 解 释 目 前 为 止 未 能 观 测 到 坝 踵 拉 应 力 的 原 因 (3) 2 模 型 和 荷 载 简 化 对 计 算 结 果 的 影 响 2.1 坝 体 自 重 和 蓄 水 过 程 的 影 响 坝 体 自 重 是 影 响 坝 踵 应 力 的 重 要 因 素 高 拱 坝 的 浇 筑 是 分 坝 段 进 行, 然 后 通 过 接 缝 灌 浆 逐 步 封 拱 而 成, 封 拱 高 程 以 上 部 分 单 个 梁 ( 单 坝 段 ) 独 自 承 载 混 凝 土 自 重, 封 拱 高 程 以 下 部 分 则 是 以 拱 梁 分 载 的 方 式 由 拱 和 梁 共 同 承 担 上 部 混 凝 土 自 重 传 统 的 自 重 模 拟 方 式 有 两 种, 一 是 自 重 全 部 作 用 于 整 体 拱 坝, 坝 体 自 重 由 拱 梁 分 载 共 同 承 担 ; 另 一 种 是 自 重 全 部 作 用 于 梁 上, 各 梁 自 身 的 自 重 由 本 梁 承 担 这 两 种 模 拟 方 式 都 做 了 简 化, 均 会 带 来 一 定 的 误 差 第 一 种 方 式 低 估 了 自 重 引 起 的 坝 踵 压 应 力, 而 第 二 种 方 式 则 高 估 了 坝 踵 压 应 力 大 量 的 对 比 分 析 表 明 [20], 自 重 施 加 和 封 拱 按 11 次 以 上 模 拟 时 的 坝 踵 应 力 即 与 全 过 程 仿 真 结 果 相 近, 以 小 湾 拱 坝 为 例, 仿 真 结 果 为 14.26MPa, 自 重 作 用 于 全 坝 和 自 重 作 用 于 梁 上 的 坝 踵 有 限 元 应 力 与 全 过 程 仿 真 有 限 元 结 果 相 比 相 差 2.39MPa 和 2.52MPa 除 坝 体 分 期 浇 筑 外, 特 高 拱 坝 一 般 要 分 期 蓄 水, 即 大 坝 浇 筑 到 一 定 高 程, 具 备 部 分 挡 水 能 力 时 即 开 始 蓄 水 以 尽 早 发 电, 这 种 分 期 蓄 水 方 式, 使 得 每 次 蓄 水 时 水 压 增 量 仅 由 已 封 拱 部 分 的 坝 体 承 担, 这 种 部 分 坝 体 ( 封 拱 高 程 以 下 ) 承 担 水 压 的 方 式 与 水 压 全 部 作 用 于 整 体 大 坝 的 水 压 施 加 方 式 在 坝 内 引 起 的 应 力 分 布 有 一 定 差 别, 会 使 坝 踵 压 应 力 有 所 减 小, 但 鉴 于 初 始 蓄 水 水 位 较 低, 且 蓄 水 时 坝 体 封 拱 高 程 一 般 较 高, 这 种 影 响 相 对 较 小 2.2 温 度 荷 载 的 影 响 1) 温 度 荷 载 对 坝 踵 应 力 的 贡 献 拱 坝 的 设 计 温 度 荷 载 分 为 温 升 荷 载 和 温 降 荷 载, 具 体 算 法 都 在 规 范 中 有 所 规 定 温 度 荷 载 的 计 算 起 点 是 封 拱 温 度, 温 升 荷 载 为 月 平 均 最 高 气 温 对 应 的 坝 体 准 稳 定 温 度 与 封 拱 温 度 之 差, 温 降 荷 载 为 月 平 均 最 低 气 温 对 应 的 坝 体 准 稳 定 温 度 与 封 拱 温 度 之 差 实 际 计 算 中, 是 将 4

整 个 温 差 作 用 于 大 坝 整 体, 计 算 温 度 荷 载 温 升 荷 载 会 使 大 坝 向 上 游 变 形, 从 而 在 坝 踵 部 位 引 起 压 应 力, 温 降 荷 载 会 使 大 坝 向 下 游 变 形, 在 坝 踵 部 位 引 起 拉 应 力 因 此 特 高 拱 坝 为 防 止 温 降 荷 载 带 来 的 拉 应 力, 一 般 采 用 低 温 封 拱, 封 拱 温 度 比 坝 体 平 均 温 度 ( 稳 定 温 度 ) 低 1~3, 结 果 会 使 温 升 荷 载 均 值 大 于 温 降 荷 载 均 值 实 测 结 果 表 明, 坝 体 高 高 程 的 混 凝 土 在 封 拱 之 后, 在 混 凝 土 的 残 余 水 化 热 和 环 境 温 度 的 影 响 下, 大 多 在 3-6 个 月 内, 出 现 较 大 幅 度 的 温 度 回 升, 如 小 湾 拱 坝, 封 拱 后 的 温 度 回 升 普 遍 在 5-6, 局 部 可 达 到 9-12, 图 4 和 图 5 为 小 湾 拱 坝 不 同 高 程 测 点 的 温 度 过 程 曲 线 和 2012 年 7 月 实 测 拱 冠 梁 剖 面 的 温 度 分 布, 考 虑 低 中 高 三 个 不 同 高 程 分 区 的 封 拱 温 度 分 别 约 是 12 14 和 16, 可 以 算 出 各 高 程 的 温 升 值 约 8-10 事 实 上, 实 测 的 温 度 荷 载 与 设 计 温 度 荷 载 存 在 两 个 差 别,1) 实 测 温 升 值 普 遍 大 于 设 计 温 升 值 ;2) 由 于 分 期 封 拱, 实 际 温 升 荷 载 只 作 用 于 已 封 拱 的 坝 体 部 分, 不 影 响 未 封 拱 部 分 由 于 以 上 两 个 原 因, 致 使 按 照 设 计 温 升 荷 载 方 法 计 算 的 坝 踵 设 计 压 应 力 小 于 实 际 应 力, 即 现 行 方 法 低 估 了 温 升 荷 载 对 坝 踵 压 应 力 的 贡 献, 仿 真 计 算 结 果 表 明 小 湾 拱 坝 温 度 回 升 荷 载 作 用 下 的 坝 踵 贴 脚 边 缘 压 应 力 高 达 6.5MPa, 坝 体 上 游 面 坝 踵 部 位 压 应 力 也 有 1.4MPa 以 上 图 4 小 湾 拱 坝 拱 冠 梁 坝 段 不 同 测 点 温 度 变 化 曲 线 1230.5 1210.5 1190.5 1170.5 1150.5 1130.5 1110.5 1090.5 1070.5 1050.5 1030.5 1010.5 990.5 970.5 950.5-12.0 8.0 28.0 48.0 68.0 88.0 图 5 小 湾 拱 坝 2012 年 7 月 份 拱 冠 梁 剖 面 温 度 分 布 5

图 6 小 湾 拱 冠 梁 底 部 各 点 应 力 随 时 间 变 化 曲 线 2) 库 底 堆 渣 高 温 的 影 响 水 库 水 温 决 定 了 坝 体 上 游 坝 面 的 温 度 边 界 条 件, 坝 体 前 后 库 水 温 计 算 一 般 有 两 种 方 法, 一 是 规 范 建 议 的 估 算 方 法, 二 是 数 值 分 析 的 计 算 方 法 这 两 种 方 法 计 算 的 库 水 温 分 布 规 律 是 在 库 水 表 面 以 下 60~70m 范 围 内 库 水 温 随 季 节 变 化, 温 度 变 幅 随 水 深 增 加 逐 步 减 小,60~70m 以 下 的 温 度 基 本 保 持 不 变 库 底 水 温 最 低, 基 本 为 河 流 的 最 低 月 平 均 气 温, 如 图 7 所 示 实 际 工 程 中 为 了 改 善 坝 踵 的 温 度 条 件 和 防 渗 条 件, 往 往 在 坝 前 进 行 回 填, 围 堰 拆 除 后 的 围 堰 土 料 也 会 很 快 被 水 流 冲 至 坝 前, 如 小 湾 和 溪 洛 渡 拱 坝, 在 初 次 蓄 水 时, 坝 前 淤 积 料 高 度 可 达 50m 以 上 淤 积 物 表 面 高 程 以 下 的 温 度 特 性 与 基 础 相 似, 自 该 高 程 往 下, 深 度 越 大 温 度 越 高, 直 至 达 到 地 温, 如 小 湾 在 库 底 淤 积 高 程 表 面 即 真 正 的 水 库 底 部 实 测 温 度 为 12, 与 设 计 阶 段 的 计 算 温 度 一 致, 但 下 部 温 度 逐 步 升 高, 到 设 计 库 底 高 程 即 坝 体 坝 踵 部 位 温 度 升 高 到 20~21, 与 地 温 相 近, 比 设 计 值 高 出 8~9 坝 踵 部 位 混 凝 土 温 度 的 提 高 会 在 坝 踵 引 起 压 应 力, 计 算 结 果 表 明 采 用 实 际 库 水 温 度 的 坝 踵 压 应 力 会 比 设 计 库 水 温 度 高 约 0.8MPa, 贴 脚 边 缘 更 是 高 达 2.2MPa 图 7 小 湾 拱 坝 设 计 库 水 温 图 8 小 湾 拱 坝 实 测 库 水 温 2.3 库 盆 水 压 力 及 基 础 约 束 的 影 响 库 水 压 力 不 仅 仅 作 用 于 坝 面, 同 时 作 用 于 库 内 的 基 岩 内, 此 处 称 为 库 盆 水 压 力, 由 于 基 岩 一 般 具 有 一 定 的 渗 透 性, 作 用 于 库 内 基 础 上 的 水 压 会 在 蓄 水 一 定 时 间 后 形 成 渗 流 场, 以 渗 透 压 力 的 形 式 作 用 于 基 础, 大 坝 应 力 及 变 形 计 算 时 应 该 考 虑 这 种 库 水 压 力 的 作 用 拱 梁 分 载 法 不 考 虑 库 盆 水 压 力, 有 限 元 计 算 时 一 般 分 两 种 情 况, 一 种 是 不 考 虑 库 盆 水 压 力, 另 一 种 是 考 虑 库 盆 水 压 力, 将 其 作 为 面 力 作 用 于 库 盆 表 面 库 盆 水 压 力 的 不 同 考 虑 方 式 会 对 坝 踵 应 力 6

计 算 结 果 产 生 影 响, 不 考 虑 库 盆 水 压 力 忽 略 了 水 压 作 用 于 基 础 对 坝 体 应 力 的 影 响, 以 面 力 作 用 于 库 盆 表 面 则 夸 大 了 库 盆 水 压 的 影 响 以 小 湾 为 例, 采 用 同 一 网 格 模 型 对 不 同 库 盆 压 力 作 用 方 式 对 坝 踵 应 力 影 响 进 行 了 分 析, 见 图 9 分 别 是 不 计 库 盆 水 压 力, 全 水 头 作 用 于 库 盆 岩 面, 水 压 作 用 于 帷 幕 和 以 渗 透 压 力 作 用 于 基 岩 面 结 果 表 明, 四 者 坝 踵 点 拉 应 力 结 果 分 别 是 5.50MPa 11.75MPa 3.28MPa 9.32MPa 可 见 库 盆 水 压 力 对 坝 踵 应 力 有 较 显 著 的 影 响, 按 渗 透 压 力 考 虑 较 好 的 反 映 了 库 盆 水 压 力 的 影 响 a 无 库 盆 水 压 b 全 库 盆 水 压 c 作 用 于 帷 幕 d 渗 流 方 式 考 虑 图 9 不 同 库 盆 水 压 考 虑 方 式 影 响 上 游 水 压 对 坝 踵 应 力 影 响 的 另 一 个 因 素 是 基 岩 对 坝 体 的 约 束, 在 水 压 力 作 用 下, 大 坝 整 体 有 向 下 游 变 形 的 趋 势, 在 两 岸 拱 座, 水 的 推 力 转 化 为 拱 的 推 力 作 用 于 坝 肩 基 岩, 而 在 河 床 部 位 则 是 以 剪 力 的 方 式 作 用 于 基 础 岩 体, 结 果 会 在 坝 踵 上 游 的 基 岩 内 产 生 拉 应 力, 基 础 正 是 通 过 这 种 拉 应 力 对 坝 体 的 下 游 变 形 提 供 约 束, 基 岩 的 这 种 引 拉 约 束 作 用 会 增 大 坝 踵 的 拉 应 力 如 前 所 述, 岩 体 是 一 种 抗 压 不 抗 拉 的 材 料, 岩 体 抗 拉 强 度 是 很 有 限 的, 当 大 坝 由 于 水 压 作 用 向 下 游 变 形, 在 坝 踵 附 近 的 基 岩 内 产 生 拉 应 力 后, 岩 体 的 裂 隙 会 张 开, 从 而 使 上 述 张 拉 作 用 消 失, 最 终 降 低 坝 踵 的 上 下 游 方 向 的 拉 应 力 3 小 湾 特 高 拱 坝 坝 踵 应 力 分 析 3.1 工 程 概 况 小 湾 水 电 站 位 于 我 国 西 南, 该 拱 坝 底 高 程 950.5m, 坝 顶 高 程 1245m, 最 大 坝 高 294.5m, 坝 顶 弧 长 892.8m, 最 大 底 宽 73.12m, 是 目 前 已 建 成 的 最 高 拱 坝, 具 有 坝 高 弧 长 的 特 点 该 坝 共 分 43 个 坝 段, 自 右 向 左 坝 段 号 依 次 增 加, 以 22# 和 23# 坝 段 中 间 横 缝 为 对 称 点 图 10 为 小 湾 拱 坝 上 游 展 示 图 和 拱 冠 梁 坝 段 横 剖 面 该 拱 坝 在 上 游 坝 踵 附 近 布 置 有 10m 宽 的 诱 导 缝, 在 957.5m 高 程, 坝 踵 应 力 监 测 上,953m 高 程 布 置 有 坝 踵 压 应 力 计, 具 体 布 置 如 图 1 所 示, 诱 导 缝 高 程 靠 近 上 游 面 即 前 端 和 诱 导 缝 后 端 布 置 有 压 应 力 计 1245 坝 轴 线 坝 体 上 游 轮 廓 线 拱 冠 梁 中 心 线 拱 坝 中 心 线 坝 体 上 游 基 岩 开 挖 线 推 力 墩 953 诱 导 缝 965 950.5 7

图 10 小 湾 拱 坝 上 游 展 示 和 拱 冠 梁 剖 面 图 3.2 监 测 坝 踵 应 力 分 析 图 11 为 拱 坝 拱 冠 梁 22# 坝 段 坝 踵 点 监 测 应 力 随 时 间 和 水 位 变 化 曲 线 可 以 看 到, 前 期 浇 筑 阶 段, 随 着 坝 体 浇 筑 高 程 增 加,22# 拱 冠 梁 坝 段 坝 踵 压 应 力 逐 渐 增 大, 最 大 压 应 力 实 测 值 约 5.0MPa; 在 07 年 11 月 份 -08 年 3 月 份 坝 体 浇 筑 期 间, 压 应 力 出 现 反 常 减 小 现 象, 这 一 现 象 在 其 它 坝 段 坝 踵 应 力 测 量 中 没 有 出 现, 可 能 与 监 测 仪 器 等 因 素 有 关 ; 其 后 随 着 浇 筑 高 程 升 高, 压 应 力 逐 渐 加 大, 一 旦 水 库 蓄 水, 坝 踵 应 力 随 水 位 升 高 逐 渐 减 小, 后 期 随 着 水 位 波 动 而 产 生 波 动 坝 踵 诱 导 缝 测 点 压 应 力 变 化 规 律 与 坝 踵 点 应 力 变 化 规 律 一 致, 浇 筑 过 程 中 压 应 力 不 断 增 大, 最 大 压 应 力 值 达 到 8.0MPa, 其 后 随 水 位 上 升 压 应 力 不 断 减 小 可 知 应 力 监 测 成 果 规 律 良 好, 但 压 应 力 值 与 诱 导 缝 压 应 力 相 比 明 显 偏 小, 且 蓄 水 后 压 应 力 变 幅 也 小, 由 于 受 到 渗 压 作 用 仪 器 埋 设 和 仪 器 自 身 可 靠 性 等 影 响, 单 个 监 测 点 数 值 可 能 并 不 能 准 确 反 映 该 处 压 应 力 实 际 状 态, 但 通 过 不 同 监 测 成 果 相 互 校 核, 可 以 比 较 准 确 的 判 断 坝 踵 应 力 变 化 规 律 和 大 致 应 力 范 围 3.3 计 算 和 监 测 坝 踵 应 力 比 较 鉴 于 一 般 计 算 应 力 和 实 测 坝 踵 应 力 存 在 较 大 差 别, 本 文 以 小 湾 特 高 拱 坝 为 例, 采 用 改 进 的 仿 真 模 拟 方 法 进 行 分 析, 得 到 计 算 坝 踵 应 力 结 果, 并 与 实 测 结 果 进 行 比 较, 判 断 该 方 法 的 合 理 性 和 有 效 性 本 文 分 析 方 法 中 自 重 和 水 压 采 取 分 期 方 式 施 加, 自 重 分 12 次, 水 压 按 照 实 测 水 位 变 化 过 程 施 加 ; 温 度 荷 载 方 面, 根 据 实 测 混 凝 土 温 度 变 化 情 况 和 实 测 库 水 温 度 以 及 气 温 等 边 界 条 件, 进 行 混 凝 土 绝 热 温 升 的 反 演 分 析, 得 到 混 凝 土 绝 热 温 升 参 数, 以 此 为 基 础, 结 合 实 测 温 度 边 界 条 件, 进 行 坝 体 温 度 场 仿 真 分 析 ; 同 时 以 渗 流 场 方 式 考 虑 库 盆 水 压 影 响 应 力 取 值 时 计 算 坝 踵 位 置 与 实 测 坝 踵 位 置 保 持 一 致 采 用 上 述 改 进 后 的 仿 真 分 析 方 法, 按 照 实 际 蓄 水 过 程 进 行 计 算, 得 到 坝 踵 计 算 应 力 图 11 为 计 算 坝 踵 应 力 与 坝 踵 监 测 应 力 诱 导 缝 监 测 应 力 对 比 情 况, 可 知 除 坝 踵 监 测 点 在 前 期 浇 筑 过 程 中 有 压 应 力 异 常 减 小 现 象 外, 三 者 变 化 规 律 保 持 一 致 数 值 上, 计 算 值 处 于 坝 踵 监 测 值 和 诱 导 缝 监 测 值 中 间, 比 较 合 理 的 给 出 了 坝 踵 实 际 应 力 估 计, 即 在 水 位 达 到 1219m 高 程 时, 坝 踵 应 力 为 压 应 力, 且 压 应 力 值 较 大, 约 -4.0MPa 水 位 (m) 监 测 与 计 算 应 力 (MPa) 1220.0 1190.0 1160.0 1130.0 1100.0 1070.0 1040.0 1010.0 980.0 950.0 0.0-1.0-2.0-3.0-4.0-5.0-6.0-7.0-8.0-9.0-10.0-11.0-12.0-13.0-14.0-15.0 M Y 水 位 6 7 8 9 101112 2006 坝 踵 应 力 过 程 线 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121 2 3 4 5 6 7 8 9 101 12 2007 2008 诱 导 缝 后 端 坝 踵 实 测 坝 踵 计 算 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101 12 2009 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 2010 图 11 坝 踵 计 算 应 力 与 监 测 应 力 对 比 曲 线 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121 2 3 4 5 6 7 2011 2012

4 结 论 与 讨 论 目 前 为 止, 多 拱 梁 法 及 有 限 元 法 计 算 结 果 中, 高 拱 坝 在 坝 踵 都 有 较 大 的 拉 应 力, 但 大 坝 观 测 都 未 监 测 到 这 种 现 象, 不 管 是 重 力 坝 还 是 拱 坝 的 坝 踵 应 力 观 测 结 果 中 几 乎 都 为 压 应 力, 部 分 大 坝 的 坝 踵 压 应 力 值 还 较 大 本 文 的 分 析 结 果 表 明, 造 成 计 算 结 果 与 实 测 结 果 差 别 的 主 要 原 因 为 : 1) 坝 踵 应 力 观 测 方 法 和 设 备 的 局 限 性 实 测 存 在 局 限 性, 包 括 测 点 距 计 算 坝 踵 有 一 定 的 距 离, 测 值 反 映 的 不 是 真 正 坝 踵 的 应 力 ; 观 测 结 果 中 包 含 了 渗 透 压 力, 由 于 实 际 基 岩 的 抗 拉 能 力 差, 当 有 效 应 力 大 于 基 岩 抗 拉 强 度 时, 测 值 即 为 测 点 的 渗 透 压 力 等 2) 施 工 期 坝 体 的 浇 筑 过 程 封 拱 过 程 和 分 期 蓄 水 对 坝 踵 应 力 影 响 较 大 整 坝 施 加 上 述 荷 载 低 估 了 如 上 过 程 对 坝 踵 压 应 力 的 贡 献 3) 传 统 计 算 中 温 度 荷 载 的 考 虑 方 式 与 实 际 温 度 作 用 有 差 别, 二 冷 之 后 的 温 度 回 升 过 程 库 底 淤 积 导 致 水 温 的 提 高 都 会 在 坝 踵 引 起 附 加 压 应 力 增 量, 而 传 统 的 计 算 方 法 中 这 些 因 素 考 虑 不 够 4) 模 拟 了 大 坝 浇 筑 封 拱 过 程 蓄 水 过 程 及 温 度 变 化 过 程 及 渗 流 场 形 成 过 程 的 仿 真 分 析 方 法 可 以 较 好 地 模 拟 各 种 因 素, 计 算 结 果 能 够 反 映 坝 踵 应 力 的 真 实 情 况, 小 湾 拱 坝 坝 踵 应 力 计 算 结 果 与 实 测 相 近 5) 另 外 有 研 究 者 认 为 实 测 坝 踵 应 力 为 压 的 一 个 重 要 原 因 是 混 凝 土 的 湿 涨 变 形, 但 笔 者 认 为,(1) 坝 踵 浇 筑 完 成 后 一 般 都 浸 泡 于 水 中 ;(2) 后 期 如 出 现 湿 涨, 前 期 应 发 生 过 干 缩, 监 测 资 料 未 见 这 个 过 程 ;(3) 建 基 面 一 般 都 能 监 测 到 一 定 的 渗 透 压 力, 说 明 坝 基 混 凝 土 基 本 都 是 饱 和 混 凝 土, 如 发 生 湿 涨 变 形 则 整 个 断 面 均 匀 膨 胀 因 此 湿 涨 即 使 带 来 坝 踵 附 加 压 应 力, 量 值 也 有 限, 具 体 影 响 情 况, 需 要 进 一 步 研 究 6) 建 议 开 发 能 够 贯 穿 坝 踵 附 近 部 分 坝 体 和 基 岩 的 分 布 式 应 力 应 变 观 测 设 备, 用 于 坝 踵 应 力 观 测, 以 反 映 渗 压 温 度 及 基 岩 局 部 损 伤 对 坝 踵 应 力 的 影 响, 正 确 监 测 坝 踵 的 真 实 工 作 性 态 参 考 文 献 [1]Lombardi, G. (1991). Kolnbrein dam: an unusual solution for an unusual problem. Water Power & Dam Construction, (6). [2]E.Wagner,H.Gaisbauer,H.P.Rossmanith.(1993). Effect of inclined planar fractures on borehole performance. Engineering fracture mechanics.44(3):481-489. [3]E.K.Alekandrovskaya.(1995). State of the Sayano-Shushenskoe dam during four fold rise of the upper pool level to the elevation of the normal pool level. Hydrotechnical construction,28(10):630-634. [4] Li Zan. (1999). Study on cracks at the heel of the arch dam of Shimen project. Journal of Hydraulic Engineering, (11), 61-65. [5]SL282-2003, 混 凝 土 拱 坝 设 计 规 范 [S]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社,2003. [6]DL/T5346-2006, 混 凝 土 拱 坝 设 计 规 范 [S]. 北 京 : 中 国 电 力 出 版 社,2007. [7] 柏 宝 忠, 钟 源 清. 混 凝 土 拱 坝 设 计 应 力 控 制 标 准 的 研 究 [J]. 人 民 长 江,2003,34(11)12-13. [8] 朱 伯 芳. 从 拱 坝 实 际 裂 缝 情 况 来 分 析 边 缘 缝 和 底 缝 的 作 用 [J]. 水 力 发 电 学 报, 1997,(2):9-66. [9] 厉 易 生, 杨 波, 张 国 新. 消 除 混 凝 土 坝 坝 踵 拉 应 力 集 中 的 一 种 结 构 措 施 - 设 置 坝 踵 块 [J]. 水 力 9

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