江垭碾压混凝土坝无应力变形规律分析

薛桂玉,乔国龙,杨定华

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072;2.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉430072)

1 工程概括

江垭水利枢纽位于澧水支流娄水中游,地处湖南省慈利县江垭镇5 km。坝址集雨面积3 711 km2,年来水量41.6×108km3。江垭工程主要由大坝及溢洪道、地下厂房、斜面升船机及灌溉取水系统四大部分组成,为一等工程。大坝及临库挡水建筑物为一级建筑物,发电厂房为二级建筑物,其它为三级建筑物。

主体工程于1995-07-02开工,1998-10-18下闸蓄水,1999-04-25大坝浇筑至坝顶,8月底3台机组全部投产发电。

大坝坝高131 m,为全断面碾压混凝土重力坝。坝顶高程为245 m,建基面高程为114 m,坝顶宽12 m,上游面为直立,下游坡1∶0.8。坝顶长度 368 m,分成13个坝段。河床5#～7#坝段为溢流坝段,溢流前沿长度88 m。0#～4#坝段为右岸挡水坝段,8#～12#坝段为左岸挡水坝段。挡水坝段最大横缝间距35 m,坝段间用切缝机造缝并设有止水。

根据坝体运用要求,大坝除在基础齿槽、垫层、中孔及廊道周边,下游溢流面及闸墩、导墙和坝顶细部结构等采用常态混凝土或变态混凝土,其它部位均采用碾压混凝土。坝体上游防渗采用二级配富胶凝碾压混凝土,强度指标90d、C20、W12,坝体上游大体积混凝土在高程190 m以下为三级配90d、C15;基础垫层为常态混凝土。高程190 m以上为三级配90d、C10,二级配骨料最大粒径40 mm,三级配骨料最大粒径80 mm。

2 无应力计布置及施测情况

无应力计是应力应变监测的重要配套仪器,通过合格的无应力计可以测到混凝土的“自由应变”,即不承受应力和约束的应变,它包含混凝土的温度变形、湿度变形及自生体积变形[1]。这些数据不仅在应变计算时要用到,而且在进行温度应力计算和混凝土抗裂研究时需要加以考虑。利用无应力计实测资料可以计算出混凝土的温度线膨胀系数及混凝土自生体积变形,对施工期混凝土温度控制和裂缝防治是非常重要的。为了解大坝自由应变的变化及分布情况,在5#、7#溢流坝段和8#挡水坝段分别选择了一个应力应变监测断面进行监测。应力应变监测以五向应变计为主,并在每一组应变计旁布设一支无应力计监测混凝土的非应力应变变化情况。具体布置见表1。

表1 无应力计布置统计表

其中,5#坝段位于高程149m的N5-11和位于高程182 m的N5-16无应力计已损坏;7#坝段位于高程115 m的N7-1、高程120m的N7-2、N7-3和高程176 m的N7-11无应力计已损坏;其它无应力计都处于正常状态。

3 无应力变形分析

3.1 混凝土线膨胀系数的计算

混凝土浇筑后,自生体积变形G(t)和温度变形都较大,当水泥水化热逐渐散发,经过一段时间以后,G(t)的发展趋于平缓,温度开始下降。通常认为混凝土湿度变形很小,基本上可以忽略不计,因此在降温时段认为 Δ G(t)+εw≈0,由此得到 Δ ε0=αcΔ T,即有 αc= Δ ε0/ Δ T 。

按上述原理用无应力计计算的无应力变形求解混凝土线膨胀系数,将自由体积变形后期降温段的Δ ε0、Δ T 用最小二乘法进行线性拟合。5#坝段混凝土线膨胀系数平均为7.35×10-6/℃,7#坝段混凝土线膨胀系数平均为7.22×10-6/℃,8#坝段混凝土线膨胀系数平均为7.96×10-6/℃,与室内试验的线膨胀系数比较接近。

3.2 混凝土无应力变形分析

无应力计主要是用来测量除外力作用以外的由于混凝土物理、化学因素即温度、湿度变化引起的变形 ,即自由体积变形 ε0=αcΔ T+G(t)+εw 。在碾压混凝土坝内,为了获得由外力产生的变形,必需扣除应变计实测变形中的非应力变形部分,而非应力变形即可由埋设在应变计组附近的无应力计测值中获得[2]。

三个应力应变监测断面的无应力变形规律如下:

(1)在5#坝段的14支无应力计中,6支呈膨胀变形,5支呈收缩变形,2支先缩后胀,1支先胀后缩;最大的收缩变形为-169 μ ε,最大的膨胀变形为306 μ ε。在7#坝段的8支无应力计中,6支呈膨胀变形,2支呈收缩变形;最大的收缩变形为-189 μ ε,最大的膨胀变形为227 μ ε。在8#坝段的9支无应力计中,7支呈收缩变形,2支先胀后缩;最大的收缩变形为-150 μ ε,最大的膨胀变形为 169 μ ε。

(2)从2008年的观测成果看,5#坝段混凝土无应力变形一般在12 μ ε～ 300 μ ε之间,4 支无应力计所测部位的无应力变形在50 μ ε以下;7#坝段混凝土无应力变形一般在 10 μ ε～ 223 μ ε之间,2 支无应力计所测部位的无应力变形在50 μ ε以下;8#坝段混凝土无应力变形一般在 40 μ ε～ 135 μ ε之间。

(3)混凝土无应力变形部分测点已基本稳定,部分测点仍存在趋势性变化。大坝最大膨胀变形为306 μ ε,发生在5#坝段120 m高程,最大收缩变形为-189 μ ε,发生在 7#坝段 120 m 高程 。

图1为部分测点膨胀型混凝土无应力变形过程线,由图1可以看出,而N5-6和N7-8随着时间的增长,混凝土的膨胀变形在继续增大,并且和温度呈反向变化。膨胀变形增大对改善混凝土的受拉是有利的。

N5-1和N8-1测得的混凝土无应力变形为收缩型,其变化过程见图2。从图可以看出N5-1和N8-1部位的混凝土无应力变形属于收缩型。N5-1布置于常态混凝土中,其浇筑初期产生的水化热较小,故其膨胀变形较小,从最大的膨胀变形14.7 μ ε变至收缩变形-143.1 μ ε,且趋向稳定;N8-1变形量从最大的膨胀变形169.4 μ ε变至收缩变形 -149.9 μ ε,且变形量有继续增大趋势。

图1 膨胀型混凝土无应力变形过程线

图2 收缩型混凝土无应力变形变化过程线

据统计,目前5#、7#、8#三个坝段所测得的无应力变形当中,17支无应力计测得的变形已基本稳定,9支无应力计测得的变形仍在继续膨胀,5支无应力计测得的变形有收缩的趋势。

3.3 混凝土自生体积变形

无应力计观测的变形包括混凝土的自生体积变形、湿度变形、温度变形。对于大体积混凝土来讲,只在混凝土表面受湿度影响,内部的湿度变化很小,一般忽略不计。因此,从测得的无应力计的变形值中扣除温度变形,可得到混凝土的自生体积变形,即G(t)≈ε0-εT。

第四，实行绿色生产：推广生物肥料，施用农家肥；使用治标又治本的植物农药；秸秆还田，改良土壤，减轻对化肥的依赖，减少环境污染。

自生体积变形的大小和变化规律在混凝土抗裂方面有举足轻重的作用。如自生体积变形较大且为“收缩型”,其影响相当于混凝土温度下降若干度,这就使降温下的混凝土浇筑块更易于发生裂缝[3]。对高混凝土坝来说,希望混凝土自生体积变形是微膨胀型,这样有助于降低混凝土降温时的温度应力,减小混凝土发生裂缝的风险。

混凝土自生体积变形的变化规律主要取决于水泥品种和水分补给条件。一般硅酸盐水泥制备的混凝土的自生体积变形大都是收缩型,按大坝施工要求研制的大坝水泥可以获得微膨胀混凝土自生体积变形或先收缩后膨胀的混凝土自生体积变形[4]。

各坝段混凝土自生体积变化过程线见图3～图5。

图3 5#典型测点自生体积变化过程线

图4 7#典型测点自生体积变化过程线

图5 8#典型测点自生体积变化过程线

从图3～图5中看出,自生体积变形有以下规律:

(1)大部分混凝土自生体积变形为趋势性递增膨胀,仅有N7-5和N8-1少数测点混凝土自生体积呈收缩变形。在5#坝段中,混凝土自生体积最大的膨胀变形为 312 μ ε,发生在N5-4测点,混凝土自生体积最大的收缩变形为 77 μ ε,发生在N5-10测点;在7#坝段中,混凝土自生体积最大的膨胀变形为242 μ ε,发生在N7-8测点,混凝土自生体积最大的收缩变形为 216 μ ε,发生在 N7-5 测点 ;在 8#坝段中,混凝土自生体积最大的膨胀变形为104 μ ε,发生在N8-8测点,混凝土自生体积最大的收缩变形为 119 μ ε,发生在 N8-1 测点 。

(3)对于趋势性递增膨胀的自生体积变形,其平均发展速度第一个月约占当前总变形的20%,其后速度逐渐变慢,前6 a变形占当前总变形的80%,6 a后仍在发展,但变形较小。目前,自生体积变形仍未达到稳定。

4 结 语

通过对坝体的无应力变形和自生体积变形的分析,可得出以下结论:

(1)无应力计大部分埋设在C15碾压混凝土区,但测得的混凝土无应力变形却相差较大,主要是由于混凝土无应力变形受浇筑季节、混凝土入仓温度以及仪器埋设部位的影响较大。一般无应力计在秋冬季节埋设,混凝土入仓温度较低,混凝土无应力变形呈膨胀变形;无应力计在春夏季节埋设,混凝土入仓温度较高,混凝土无应力变形呈收缩变形[5]。

(2)坝体大部分测点混凝土自生体积呈膨胀变形,少数测点混凝土自生体积呈收缩变形。

(3)无应力计实测的混凝土自生体积变形比试验值要大,产生差别的主要原因是现场的实际环境变化比试验室模拟的情况更加复杂,影响因素更多,混凝土自生体积变形的室内试验是在绝湿条件下做的,如果施工现场埋设的无应力计的水分补给条件有所不同,则实测结果和试验结果就会有所不同。

[1] 李珍照.大坝安全监测[M].北京:中国电力出版社,1997:30-35.

[2] 储海宁.混凝土坝内部观测技术[M].北京:水利电力出版社,1989:79-81.

[3] 刘光廷,张富德,张国新,等.江垭碾压混凝土重力坝右边坝段温度场和应力场分析[R].北京:清华大学水电系,1994.

[4] 刘光廷,张富德,张国新,等.江垭碾压混凝土坝下部整体式新型结构温度场、应力场分析[R].北京:清华大学水电系,1993.

[5] DL/T5178-2003.混凝土坝安全监测技术规范[S].北京:中国电力出版社,2003.