结构应力对混凝土坝应力变形状态的影响

［俄罗斯］ А.Н.马尔丘克等

结构应力对混凝土坝应力变形状态的影响

［俄罗斯］ А.Н.马尔丘克等

基于实地观测结果，弄清楚了周边地质环境的自重应力值对混凝土拱坝和静态混凝土支撑坝无法确定的应力变形状态形成过程所产生的影响，以及其在“坝－基础－水库”体系中所发挥的作用。对确定结构应力和对大坝静、动态条件下的运行状态实施监控过程中的应力进行计算方面，提出了合理化建议。

地壳;结构应力;混凝土坝;影响

1 背景

通过对不稳定结构区域(奇尔克伊克、萨彦－舒申斯克、结雅、米阿特林斯克、托克托古利斯卡亚、库尔普塞斯卡亚、因古尔斯卡亚等地区)高水头混凝土大坝的实地观察和研究，发现这些大坝存在非设计应力变形状态。为此，仅仅依据国内所积累的经验和现有的文献资料来解释围岩体和大坝的许多异常现象，竟然是不可能的。这些异常现象包括:应力成倍数地增加、变形、位移、拱坝上游面的拉应力、岩基和河岸混凝土接合处开裂、坝与岸边接合处位移、拱坝的弦长发生变化、断面向上游方向移动，而且与计算值相比，还存在其他一些设计偏差。

在瑞士，对莫武阿津(Мовуазен)拱坝，在法国对博尔(Вор)和季尼(Тинь)拱坝的大坝接合处的变形进行了首次专业技术观测，以弹性论观点来看，其结果令人意外:河岸出现了靠拢，而不是分离的现象。1979年，在新德里国际大坝委员会(ICOLD)第十三次代表大会上，P.列因(Лейн)以结构应力对大坝坝轴线变形影响为论点，作了大会交流发言。随着地质力学、地球物理学、地震声学以及混凝土建筑物和岩石等其他一些现代化研究方法的发展，确定大坝坝轴线上河岸岩体的结构应力状态，已成为工程地质勘探中必要的组成部分。

2 实例

2.1 萨彦－舒申斯克水电站

1962～1963年，在莫斯科大学(МГУ)Г.С.佐洛塔廖娃(Золотарева)教授主持下，对萨彦 － 舒申斯克水电站高程320～330 m处大坝与岸边接合处岩石块体的应力状态进行了勘测研究。根据研究数据，获得了以下结构区域接触部分的自重应力值:

(1)左岸。垂直自重应力为24.5～48.0 MPa，水平自重应力为24～36 MPa。

(2)右岸。垂直自重应力为 14.8～32.5 MPa，水平自重应力为 10.2 ～21.7 MPa。

萨彦－舒申斯克大坝基础为德热巴什科－德若依斯克复背斜层上坚硬的变质页岩。左岸的垂直应力值较高，其原因可能是存在有陡峭的寒武纪花岗石侵入岩，该侵入岩冲破了元古代复背斜层上的页岩，且继承并保持着运动趋势。由于岩石块体的地质结构活性，有时也会出现水平自重应力大于垂直自重应力的情况，比如，托克托古利斯克和因古尔斯卡亚水电站的坝址区域。

电力部门地球力学监测中心(ЦСГНЭО)的专家们，以当时所采用的部分孔洞口减荷的方法作为例证，对莫斯科大学1963年获得的研究结果提出了怀疑。ЦСГНЭО的专家们认为，在萨彦－舒申斯克大坝施工之前，比较切合实际的最大水平应力值约为18 MPa。1995年和2002年，监测中心的专家联手俄罗斯科学院西伯利亚分院采矿工程研究所(ИГДСОРАН)的同行们，采用水力断裂法，对高程467 m处的左岸廊道端部的水平结构应力进行了监测，获得的监测值分别为9 MPa和6 MPa(见图1)。这些监测值足以证明自1978年以来，在大坝运行的过程中结构应力发生减荷的事实。与此同时，坝体中拱的压应力在增加，而且目前仍在继续增加，尽管有效水头降低了1 m。

图1 1995年和2002年测得的萨彦－舒申斯克水电站左岸坝与岸边接合处岩体中的水平结构自重应力的变化状态(а)和测点分布(б)

相对于基本荷载的矢量来说，其主要矢量的方向是确定结构应力对建筑物应力变形状态影响的主要因素。俄罗斯科学院西伯利亚分院地壳研究所(ИЗКСОРАН)对坝址所在区域局部结构应力场的结构进行了重新研究，由其研究数据可以看出，正常情况下，压力的主矢量是朝着河床方向，拉应力的主矢量是顺着河床方向，而在静水压力的作用下，则是向着大坝方向(图2)。这样，虽然结构的压应力可以提高大坝的抗剪稳定性，但是，可能会使下游面混凝土中拱的压力增加到不能接受的程度(2007年，监控点的拱的压应力达到了19.5 MPa)。埋设在河岸处的一些测缝仪和拱坝弦长的测量数据表明，河岸监控点之间距离缩小的速度放缓，这一点符合拱应力的变化特性(见图3)。左岸同一高程处的位移特征与右岸的相似，只是不可逆分量小一些，为0.7 mm，而右岸则是因为拱的应力较高，所以为0.9 mm。

图2 萨彦－舒申斯克水电站坝址区局部结构应力场主轴线示意

图3 根据变形计和测缝仪测量指标绘制的萨彦－舒申斯克水电站右岸坝与岸边接合处沿岩石－混凝土接触点水平位移与上游水位的关系曲线

局部结构应力场的主拉应力矢量决定着大坝有可能向下游位移，而且，俄罗斯科学院西伯利亚分院采矿工程研究所已经确定，基础中存在诸如已准备好向左侧位移的岩石断层。在萨彦－舒申斯克大坝以设计状态投入运行的最初几年，利用大地测量方法对建筑物进行了监测，监测结果是:河岸廊道的末段移动了20～30 mm，水电站大坝接缝闭合，下游大坝周边水准导线的基准点上升了15～20 mm，距大坝1 km处约为5 mm。这是由于大坝承受的静水压力作用，因而沿河床发生的明显位移。在与基础的接触面上，这种位移大约为20～30 mm，纵向复盖深达60 m。在40 m深处，反向铅锤锚碇出现了无阻尼的位移。

在结构应力影响方面，最有说服力的例子是，在大坝接触部分的下面，拱的压应力为稳定增长，这一区域的温度状态为恒温，外部人为干扰和地震影响明显较小。

比如，在右岸10号坝段高程430 m处的上游面，当上游水位为539 m时，应力从1997年的 5.2 MPa增加到了2007年的 5.9 MPa;在对称的55号坝段，从7.4 MPa增加到了8.4 MPa。高程320 m 处的18号河床坝段，应力从3 MPa增加到了 3.3 MPa。大坝的下游面应力增加的更厉害:左岸3号坝段高程512 m处，应力从1997年的16 MPa增加到2007年的19.5 MPa;18号坝段的接触部分，从5 MPa增加到8.3 MPa;关键坝段的接触部分，从 1.8 MPa增加3.7 MPa。右岸45号坝段的接触部分，应力从 1997年的 4.9 MPa增加到 2001年的 5.3 MPa;与左岸3号坝段对称的64号坝段，拱压应力从1997年的 2.4 MPa增加到2001年的 3.9 MPa。在这个范围，坝与岸接合处和坝体中的应力仍然没有稳定。稳定状态不至于会出现在地质结构不稳定，而且按1997年编制的特别建筑工程区划分图(ОСР－97)确定的具有9级地震危险程度的区域。

2.2 托克托古利斯卡亚水电站

吉尔吉斯斯坦纳伦(Нарын)河上托克托古利斯卡亚水电站“大坝—基础—水库”体系中的应力场相当重要。勘探期间，上部石灰石岩体的自重应力为6.5 MPa，中部的为7 MPa，下部压应力矢量沿法线往河床方向达到17 MPa。左岸坝段混凝土中测得的同一个方向的最大压应力为3.8 MPa。这说明，在高程900 m和837 m之间水库的可变水位区，岸边与岩体接合部位存在的结构应力出现了局部减荷。从较高的左岸一侧，发现存在蠕变应力，而且该现象在周边较稳定的大坝坝段间的接缝中已有显现。右岸上游面裂缝开度达0.4 mm。直线铅锤测量指标表明，坝段微倾斜于右岸，该结果也证实了左岸一侧确实出现了蠕变(图4)。

采用索式伸长仪，对坝顶上方右岸斜坡进行了观测，结果显示，存在不可逆的垂直移动元素，这可能是结构压应力和扬压力导致的结果。以下状态也能证实该结果:沉降恢复过程缓慢(2004年，恢复了4.8～5.1 mm);渗漏量从1994年的87 L/s降到2000年的52 L/s。值得引起注意的是，基础裂缝的淤化也会对渗漏量减小起到影响作用。由于该地区靠近塔拉斯－费尔干纳(Таласо －ферганского)和纳伦 －奇奇干(Нарыно － Чичканского)一级断裂区，且地震活动频繁，所以致使坝址所在区域的应力场不恒定。对此，有一种相当可行的措施，就是将大坝坝段间的接缝设计为楔形，以便使荷载传递到河岸。

图4 根据直线铅锤测量指标(Y轴)，托克托古利斯卡亚大坝沿轴线的最大位移(2004年)及旁侧渗漏压力分布(2005年)

一些具有危险性和不稳定特性趋势的岩体，对大坝应力变形状态产生的影响最大。比如，在奇尔克伊克(Чиркейская)水电站，荷载从较高的左岸具有不稳定特性趋势的岩体传给了大坝，内含粘土层的碳酸盐页岩岩体(哈杜姆斯克背斜层)产生错位，斜层向河床和上游倾斜。结果，坝体中的应力出现了不对称、沿蠕变矢量倾斜式分布，通过采用地震透视法证实了这一状况(图6)。而且，坝顶微凹凸，旁侧的渗漏量分布极不均匀，大约92%是经过右岸。

左岸具有不稳定特性趋势的岩体甚至对夹在峡谷中的大坝堵塞物移动产生影响。1 a(2006～2007年)中，左岸的标记向下游方向移动了1.2 m。然而，这些情况并没有威胁到平稳运行中的大坝强度和稳定性，因为苏拉克(Сулак)河的峡谷中塞满了大体积混凝土块。只有在发生10级最大计算地震的情况下，才可能会受到影响。

2.3 其他观测研究

米阿特林水电站拱坝坝址处的情况比较复杂，因为右岸发生了体积为3 000万m3的坍塌。坍塌体往大坝方向移动了7 m多，受切向应力的影响，又转向基岩和大坝的右岸。坝拱产生凹凸，大坝关键坝段的顶部偏向上游8 cm，而根据计算数值，应向下游偏7 cm。左岸下游的下面部分的拱应力超过了15 MPa。此外，坍方的移动也促使右岸基岩中裂缝的开裂，并在正常蓄水位和裂缝填料流失的情况下，促使形成绕流渗漏，在这种状态下，迫使大坝在低水头条件下运行。

设计时，计算过平面问题的结雅水电站支墩坝，因受地势较高右岸(地处地震活动频繁的图库林戈拉(Тукурингра)山脉)的蠕变压力影响，出现了体积应力状态。支墩由腔室盖板和电站部分的水轮机输水管联接在一起，需要经受横向变形的考验。根据西伯利亚水工科学研究院(СибВНИИГ)的数据资料，支墩头部的应力应达到17 MPa的压应力水平。由于根据设计方案地震危险度从6度提高到了9度(根据OCP－97)，从而使状态变得更加复杂。

实地观察结果分析表明，沃格特(фогт)著作中关于大坝与河岸接合处柔韧性的论点远远不会总是正确的。对于结构的自重应力高、建造复杂的背斜式岩体建筑物来说，这个论点不可能被接受。河岸对大坝的影响机理，可以通过下面2个主要因素进行阐述:

(1)根据捷尔扎吉－金尼克假设，由于水饱和和绕流渗漏原因，在岩层中的抗剪强度降低的情况下，由于岩体自身而产生的泊松变形;

(2)因上游水位发生变化、斜坡的冻融、日光加热及廖宾德尔(Ребиндр)效应(水饱和时，岩土的粘着力下降)，而使河岸岩体中结构的自重应力发生减荷。

水库库底下沉、基础变形模数降低以及局部地震活性，同样也会促使河岸位移。根据捷尔扎吉－金尼克的假设，对奇尔克伊和萨彦－舒申斯克水电站大坝的河岸接合一侧的水平压应力增加值进行了验算。验算结果表明，与岩石应力变形状态测量值相符的计算值，都是可以接受的。这些附加应力值可根据下式确定:

式中，Δσh为距较高河岸一侧日照地表h深处岩石的静荷载应力;ΔW为来自较高河岸一侧的绕流渗漏静水压力;α2为压力传递效率系数，取决于岩体裂隙度，α2=0.5…0.8;μ 为泊松系数。

在这种情况下，需要根据距接合处的高程来确定岸边接合的比选高度。应当注意到，正是由于在上游水位发生变动以及发生的绕流渗漏的作用下，而导致这类岸边块体体积的密实度弱化和减荷。对于根据公式(1)所得到的应力Δσz，应该再增加一个通过实验确定的结构的减荷应力σT。对于特殊荷载的组合，由于最大设计地震作用所产生的地震应力σC，则应根据标准确定。这样，由来自河岸边的地球力学的影响而产生的极限可能，可通过下面的公式确定:

根据公式(2)，即可求出岸边与坝接合处的监测量。在查勘期间，务必要确定大坝接合处的结构应力以及这些应力的局部主要矢量。根据编制的现行有效的大坝测量体系，可以获得考虑到了地球力学影响的建筑物的应力变形状态总体状态图。可以通过采用水力断裂法、应力补偿法以及回归分析法，对岩土中结构的自重应力进行反复的系统性的测定，在极端上游水位和荷载特殊组合期间，必须通过采用大地测量的方法，对斜坡位移进行监控，并测量拱坝的坝弦和支撑坝坝址处岸边之间的距离。非常重要的一点是，对岩石－混凝土接合部位、河床及河岸边要采用合适的测量工具，并对各种检测仪和目测观察的测量结果进行综合分析。

3 结语

(1)在结构不稳定和地震频发地区，结构应力对混凝土大坝的应力变形状态会产生相当大的影响，其影响程度取决于基础的坚固性、断层度、地貌以及结构特点。

(2)在设计阶段，应根据捷尔扎吉－金尼克的假设，可以考虑将结构应力的影响适当地看作是其最小的可能值。在技术方案中，必需考虑到对建筑物结构应采取的补偿措施，以便最大限度地减小结构应力的负面影响，并充分利用这一应力来提高大坝的稳定性及其强度。

(3)如果高水头大坝在结构不稳定的地区运行，那么，应当对坝址区域的局部结构应力场实行监测，并根据监测系统监测到的数据，对可能会出现的具有危险性的快速和缓慢的结构运动做出较为精确的预测。

梅 莉 译自俄刊《水工建设》2011年第10期

赵秋云 校

TV642

A

1006-0081(2012)09-0021-04

2012-06-26