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
发 电,2008,( 6):59-61. [10] 袁 琼. 二 滩 拱 坝 应 力 监 测 分 析 [J]. 水 电 站 设 计,1993,19(3):37-40. [11] 王 志 宏, 胡 清 义, 余 昕 卉, 段 国 学. 构 皮 滩 水 电 站 初 期 蓄 水 拱 坝 工 作 性 态 分 析 [J]. 人 民 长 江,2010,41(22):29-31. [12] 王 志 远. 重 力 坝 的 实 测 坝 踵 应 力 及 原 因 分 析 [J]. 大 坝 观 测 与 土 工 测 试,2000,24(6)14-17. [13] 杨 强, 吴 浩, 周 维 垣. 大 坝 有 限 元 分 析 应 力 取 值 的 研 究 [J]. 工 程 力 学,2006,23(1):69-73. [14] 孙 林 松, 王 德 信, 谢 能 刚. 横 缝 间 隙 对 拱 坝 应 力 状 态 的 影 响 分 析 [J]. 河 海 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2005,33(1):76-80. [15] 朱 伯 芳. 论 混 凝 土 拱 坝 有 限 元 等 效 应 力 [J]. 水 利 水 电 技 术,2012,43(4):30-34. [16] 王 修 信, 潘 家 铮, 夏 颂 佑. 坝 踵 断 裂 控 制 的 塑 性 区 尺 寸 因 子 法 [J]. 河 海 大 学 学 报, 1992,20(4):40-46. [17] 田 斌, 夏 颂 佑. 冰 冻 帷 幕 对 高 拱 坝 工 作 性 态 的 影 响 [J]. 河 海 大 学 学 报,1997,25(1):6-12. [18] 王 永 荣, 陈 玉 夫. 拱 坝 坝 前 断 裂 对 坝 体 应 力 的 影 响 [J]. 水 力 发 电,1992,(6). [19] 朱 伯 芳, 张 超 然, 张 国 新, 等. 高 拱 坝 结 构 安 全 关 键 技 术 研 究 [M]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社,2010. [20]Zhang Guoxin,Liu Yi,Zhou Qiujing.Study on real working performance and overload safty of high arch dam[j].science in China Series E-Technological Sciences,2008,51(supplement 2):48-59. 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 (50909105,51209235), 水 利 部 公 益 性 行 业 科 研 专 项 (201201050), 中 国 水 科 院 科 研 专 项 ( 材 集 1118 材 集 1208 材 集 1247 材 集 1268) 10