□曹 辉(浙江省临海市水利局)
混凝土面板堆石坝是由堆石或砾石为支承体,上游混凝土面板为防渗体的土石坝。由于施工方便,地基适应性强,运行安全性高,面板堆石坝备受我国水利工程界关注。根据2009年统计,我国共建有坝高30 m以上混凝土面板堆石坝170座,其中水布垭坝高233m,为世界最高的面板堆石坝。
堆石体是面板堆石坝的主要承力结构,为适应堆石体变形,需要在面板间和面板与趾板间设置垂直缝和周边缝。根据已建工程运行性态分析,面板断裂、垂直缝和周边缝张开等是影响面板堆石坝正常运行,甚至导致溃坝的主要原因。因此,对堆石坝面板和周边缝、垂直缝变形进行实时监测和资料分析,掌握各种安全指标量变过程,是面板堆石坝安全运行的重要保障
常用应变计有差动电阻式、振弦式、差动电容式等,国内较多采用差动电阻式。差动电阻式应变计利用混凝土应变引起电阻感应组件发生相对位移,导致感应组件上两根电阻丝的电阻比发生变化的原理,通过计算得到应变变化量。
式中:εm—混凝土应变量 (10-6);f—应变计最小读数(10-6/0.01%);ΔZ—电阻比相对于基准值的变化量;b—应变计温度修正系数(10-6/℃);Δt—温度相对于基准值的变化量,温度升高为正,降低为负,单位℃。
无应力应变计埋设在应变计组附近,是计算混凝土应力应变必需的监测资料,无应力计测值包含温度变形、自生体积变形和湿度变形。
式中:G(t)—自生体积变形;εw—湿度变形;α—温度膨胀系数。
三向测缝计主要用于混凝土面板堆石坝周边缝观测,一般由支架和3支测缝计组成,1支观测沉降位移,2支观测趋向河谷的位移。见图1。
图1 三向测缝计计算原理图
先由观测沉降的位移计算出趾板与面板相对沉降,再计算河谷位移的位移计t时刻在初始平面上投影长度e、d,最后计算垂直和平行周边缝位移x、y:
式中:S—固定钢板AB间距离;St—趾板与面板相对沉降;e、d—观测河谷位移的位移计t时刻在初始平面上投影长度;x、y—t时刻C点的坐标。
某面板堆石坝最大坝高103.00m,坝顶高程255.80m,坝体填筑料分5个分区,钢筋混凝土面板厚0.30~0.60m,面板上游面回填粉土和石渣盖重。面板变形监测采用差动电阻式应变计,共布置9组三向应变计及无应力计;周边缝变形监测采用TSJ型三向测缝计,共布置7组。
2.2.1 无应力计
混凝土浇筑后存在自生体积和温度变形,经过一定时间后,自生体积变形趋于平缓,温度开始下降,无应力计应变和温度测值过程线见图2。
图2 无应力计应变过程线图
根据降温阶段短时间间隔内应变和温度斜率,本工程面板混凝土温度膨胀系数平均值7.50×10-6/℃,无应力计测值扣除温度应变即为混凝土的自生体积变形和湿度变形。
2.2.2 三向应变计
由于蓄水期和运行期损坏,目前除应变计只有3组能正常进行观测,其余应力应变计均已损坏。面板顺坡向最大拉应变1118.20 με(S3),最大压应变 95.90 με(S1);面板水平向最大拉应变104.20με(S3),最大压应变592.90με(S3)。
根据应变观测资料分析,河床坝段面板应变主要为压应变,岸坡坝段面板应变主要为拉应变,应变极值基本在混凝土正常范围内。2005年,右岸坝肩测点S3顺坡向应变突增,超过混凝土极限拉应变,经检查该部位未出现裂缝,该应变计可能损坏。见图3。
图3 三向应变计应变过程线图
本工程周边缝最大沉降和剪切变形出现在右侧岸坡较陡部位(TSJ7),最大张开变形出现在坝顶河床部位(TSJ3)。实测周边缝最大沉降变形31.88 mm,最大剪切变形为20.41 mm,最大张开度10.06mm。
根据周边缝观测资料分析,本工程周边缝相对沉降变形较大,剪切和开度相对较小。周边缝变形大部分在蓄水过程中产生,且测点埋设高程越低,沉降位移越大,现各测点测值基本趋于稳定。
该工程河床坝段面板应变主要为压应变,岸坡坝段面板应变主要为拉应变。右坝肩部位面板水平向最大拉应变较大,经检查未见裂缝,该测点可能损坏。周边缝最大沉降和剪切变形出现在右侧岸坡较陡部位,最大张开变形出现在坝顶河床部位,与国内外其他面板堆石坝周边缝变形相当。本工程堆石体变形分布规律正常,面板和周边缝各项控制指标基本在正常范围内,大坝整体工作性态较好。
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