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重力壩壩蹄壓應力的分析

1壩底應力觀測資料黃龍灘水庫位于漢江支流下游,控制面積140.140km2,總蓄水12.28.108m3,混凝土壩高107m,壩長371m,共22.壩段,其中8號13號為溢流壩段,2號75mw,年蒸發(fā)量7.59gwh。大壩于1970年開始澆筑,1974年元月下閘蓄水。壩址處呈“U”型河谷,壩基巖石為古老結(jié)晶片巖、正付片巖穿插分布,壩址處無重大地質(zhì)構造。但基礎巖石軟硬不均,個別壩段有擠壓破碎帶通過,節(jié)理裂隙發(fā)育,工程地質(zhì)條件較為復雜。黃龍灘大壩高度超過百米,地質(zhì)情況也較差,為及時了解大壩的實踐工作性態(tài),指導設計施工,保證大壩安全運行,對觀測工作很重視。共埋設各種內(nèi)部觀測儀器353支,觀測項目有壩體、壩基應變、應力、鋼筋應力、壓力鋼管應力,壩體及基巖溫度,庫水溫度,壩體接縫開合度等。內(nèi)部觀測儀器集中布置在3號、6號、11號、13號、14號、17號、18號壩段,以及壓力鋼管的有關部位。11號壩段為最高的溢流壩段,處于河床的中央,埋設的儀器最多。自下而上設置6個觀測斷面,共埋設應變計、溫度計、測縫計、鋼筋計等各類儀器158支,其中應變計79支。特別是在壩基部位156.0m高程埋設了較多的儀器,計有應變計7組29支。這些儀器均已工作了20余年,積累了大量的原始觀測資料,為分析壩基部位的應力變化提供了依據(jù)。在計算分析應變計觀測資料的過程中,發(fā)現(xiàn)黃龍灘大壩壩踵部位應力變化有些“反?!?。一般來講,大壩畜水后,隨著水位的升高,溫度的降低,傾覆力矩增加,壩踵壓應力,特別是豎向壓應力應當減小。然而,黃龍灘大壩在蓄水后壩踵壓應力不是減小,反而呈顯著增長,在開始蓄水的頭三年,1974年~1976年,壓應力增長了約0.60MPa,見圖1。蓄水后壩踵壓應力增大不是黃龍灘大壩特有的現(xiàn)象,據(jù)有關資料介紹,國內(nèi)外一些重力壩也有類似情況。但對這一現(xiàn)象的解釋目前還不令人滿意。有的認為是混凝土的濕漲所致,有的認為與帷幕灌漿有關,有的認為是壩區(qū)溫度變化的影響等等,眾說紛紜,莫衷一是?!皦熙鄩簯υ龃蟆边@一現(xiàn)象,已成為大壩觀測資料分析中最令人困惑的問題之一;而對于分析大壩的實際工作性態(tài)而言,它又是必須妥為解決的問題。鑒于保證壩踵及上游面不出現(xiàn)拉應力,是設計中一個很重要的控制指標,因此對這一現(xiàn)象的研究,并尋求令人滿意的解釋,無疑對壩工實踐有著重要意義。2壩底基礎結(jié)構應力增長規(guī)律一般而言,大壩各種性態(tài)變化主要與本身及其所處的客觀環(huán)境有關,蓄水后壩踵壓應力增大也應從大壩的設計施工條件,管理運用情況上去找根據(jù)。對于黃龍灘大壩,我們認為主要與上游水位變化,壩體的溫度狀態(tài)以及壩基部位橫縫灌漿有關。首先,蓄水后大壩的運行條件和受力情況有了改變。上游水位升高降低了壩體溫度、增加了傾覆力矩,使壩踵的豎向壓應力減小,拉應力增加(設計上以壩踵不出現(xiàn)拉應力為控制條件)。但是,水位上升也改變了壩體受力的邊界條件,使原來的自由邊界承受一定的壓強,原已在水下的邊界壓強增加,對壩踵及接近上游面的局部范圍內(nèi)壓應力增長有一定的影響。黃龍灘大壩上游面呈1∶0.25的斜面,水位上升可使表面壓強Pz(上、下游方向)及Py(垂直方面)同時增加,此種作用較為顯著。其次,溫度變化對混凝土的應力影響甚大,特別是對大體積混凝土。壩踵應力不僅與測點本身溫度有關,而且與整個壩體的溫度變化有關。蓄水后的一段時間內(nèi),壩體中部溫度高于周邊溫度,產(chǎn)生較大的溫度應力。隨著壩體的降溫,應力重分配,壩體中部壓應力減小,周邊壓應力增加。黃龍灘大壩高度超過百米,體積大,由于當時施工條件的限制,混凝土溫控措施不力,水化熱溫升過高(有的部位達40℃以上)。大壩中部溫度較高,在很長一段時間內(nèi)處于降溫過程,與壩踵壓應力持續(xù)增長也有一定關系。第三,設計要求基礎面以上20m~30m范圍內(nèi)橫縫作灌漿處理,使各壩段的基礎部分連成整體,增加壩體穩(wěn)定。壩址處為“U”型河谷,11號壩段位于河床中央,基礎開挖高程最低。灌漿后,各壩段互相作用,形成所謂“反拱基礎梁”,在位于河床中央的11號壩段產(chǎn)生了垂直向下的作用力,這是壩踵壓應力增長的又一主要原因。灌漿時間為1970年~1976年,恰好與測點壓應力快速增長的時間一致,證明了這一點。為了進一步說明水位、溫度、灌漿等因素的影響,我們對壩基部位的測點應力進行了回歸分析?;貧w因子的選擇:a.水頭:取水頭H的1~3次方;b.壩溫:應力變化與整個壩體的溫度有關,取上游面壩體溫度T上、壩中溫度T中、下游面壩體溫度T下為代表。壩中溫度不僅取當日溫度T0中、還取前30天、前60天、前90天的平均溫度T30中,T60中,T90中為因子;c.氣溫:取當天、前30天、前60天的平均氣溫T0氣,T30氣,T60氣為因子;d.壩高:取計算日的實際澆筑高度Hd;e.灌漿:灌漿時間自1970年冬季至1976年春季,長達6年。灌漿影響主要與灌漿進程、灌漿強度等因素有關,為簡單計,假定其影響在灌漿時間內(nèi)呈直線變化,灌漿影響函數(shù)可以表示為:g(t)=???????0?t<Tkt?TkTj?Tk?Tk<t<Tj1,t>Tjg(t)={0?t<Τkt-ΤkΤj-Τk?Τk<t<Τj1,t>Τj式中Tk為灌漿開始時間,即1970年12月11日;Tj灌漿結(jié)束時間,即1976年3月3日;f.時效:時效函數(shù)取為lg{(1+t)/(1+t0)}。綜上所述,可組成如下回歸模型:σ=a0+a1H+a2H2+a3H3+a4T上+a5T0中+a6T30中+a7T60中+a8T90中+a9T下+a10T0氣+a11T30氣+a12T60氣+a13Hd+a14g(t)+a15lg{(1+t)(1+t0)}+a13Ηd+a14g(t)+a15lg{(1+t)(1+t0)}用逐步回歸法對壩踵測點e21~e25進行了計算,該測點位于156.0m高程,距上游壩面2.5m,自1970年12月11日至1993年12月9日,共有594測次,測值比較正常。回歸結(jié)果比較理想,復相關系數(shù)達0.924,見圖1。從回歸結(jié)果可知,影響應力變化的主要因素有:水位(a2=5.83×10-5)、測點溫度(a4=-7.06×10-2)、壩中溫度(a5=-4.98×10-2、a8=6.21×10-2)、氣溫(a12=-5.01×10-3)、壩高(a13=-6.10×10-5)、灌漿(a14=-1.70)、時效(a15=-3.31×10-1)等,其中尤以灌漿影響最為顯著。豎向壓應力σy在灌漿期間(1970年12月11日至1976年3月3日)增長了-1.84MPa,由于灌漿的影響增長了-1.70MPa,占90%以上。灌漿在壩基部位形成了“反拱基礎梁”,其作用不僅使壩踵壓應力明顯增長,還應使壩基整個斷面壓應力均勻增長。11號壩段156m高程共有7組應力測點,除一組損壞外,其它各組工作均較正常。圖2為其實測豎向應力分布。圖中繪制了兩個時刻的應力分布,各測點的豎向應力在1974年1月9日下閘蓄水以后,增長確實比較均勻,壩趾處增幅更大是庫水壓力作用所致。3壩壓力應力的成因a.為了增強壩體的抗滑穩(wěn)定性,有些重力壩壩基部位橫縫進行了灌漿處理,使各壩段互相作用,連成整體,形成了一道所謂“反拱基礎梁”。由于它的存在,改變了壩基部位的受力情況及其應力狀態(tài),這些重力壩蓄水初期,壩踵豎向壓應力不是隨水位的抬高減小,反而增加的現(xiàn)象,與其有直接關系。本文以黃龍灘大壩實測應力為例,對這一現(xiàn)象進行了探討,并作了定性、定量分析。b.壩基部位橫縫灌漿是本壩壩踵壓應力增長的主要原因之一,文中提出的一種灌漿影響函數(shù),對描述灌漿過程

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