白杨镇水库混凝土面板砂砾石坝设计与面板混凝土应力应变监测分析

【摘要】白杨镇水库大坝坝型为混凝土面板砂砾石坝，面板为主要的防渗体，根据大坝监测数据，分析白杨镇水库的面板的应力应变情况。从应变计观测资料分析可知到目前每组应变计测值稳定，工作正常，各监测断面两向应变计组水平向及顺坡向应变值的变化基本和温度呈负相关关系，应变值随温度的升高而降低、随温度的降低而升高，局部断面拉应变较大，接近混凝土所能承受的拉应变极限值，后期仍需继续加强监测与分析。

【关键词】大坝;面板;混凝土;应力应变

1、工程概况

白杨镇水库总库容为4463×104m3，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，永久性主要建筑物级别为3级。白杨镇水库主要包括大坝、溢洪洞、输水隧洞、导流隧洞。大坝顶长310m，坝顶高程958.68m，坝顶宽8m，最大坝高66.47m。

2、大坝设计

2.1 坝体轮廓尺寸

大坝坝型为混凝土面板砂砾石坝，正常蓄水位955.14m，设计洪水位956.12m，校核洪水位956.55m，坝顶宽8m，长310m，坝顶铺设步行砖路面，路面净宽7.5m。坝顶高程958.68m，最大坝高66.47m，坝顶上游设置L形混凝土防浪墙，防浪墙顶高程959.88m，坝顶下游侧设路沿石，在路沿石上设1米高的防护栏杆。

大坝上游采用C30F300W8不等厚混凝土面板，大坝高程在905m以上时面板厚度为40cm，高程在905m以下时面板厚度为45cm，上游坝坡1：1.5，下游坝坡1：1.45。

2.2 坝体材料

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》SL228-98的要求，坝体填筑从大的方面可分八个区：混凝土面板、上游铺盖区、盖重区、垫层区、主堆石（砂砾石）区、排水区、下游护坡和滤水坝趾区，本文只详细描述混凝土面板，其他区不做论述。

（1）混凝土面板

本工程采用不等厚面板，在大坝高程905m处将面板分为两部分，大坝高程905m以上采用40cm厚面板，在高程905m以下采用45cm厚面板。混凝土面板是大坝的防渗结构，设置在垫层的上游，面板混凝土应采用二级配骨料。

a.根据面板的抗渗、抗冻和强度要求确定面板混凝土的主要技术指标如下：

混凝土标号：C30 抗渗标号： W8 抗冻标号： F300

b.面板的配筋及指标

面板的配筋设计为单层双向钢筋，其竖向配筋率为0.4%，水平向配筋率为0.4%钢筋布置在面板厚度的中央。

c.分缝与止水

混凝土面板的分缝有水平缝、垂直缝、周边缝。

d.混凝土面板表层防护

项目区属于严寒地区，本工程拟采用彩色聚氨酯高分子防水防护涂料对混凝土面板进行防护处理。

3、大坝面板混凝土应力应变监测数据分析

3.1 面板混凝土应力应变监测

在面板最长面板断面0+125m及0+173m、拉应力最大断面（左岸、右岸、）布置两向应变计15组，无应力计15支，用以监测面板的应力、应变变化情况。

（一）混凝土应变

监测数据显示，各监测断面两向应变计组水平向及顺坡向应变值的变化基本和温度呈负相关关系，应变值随温度的升高而降低、随温度的降低而升高。

1）0+44m断面（L2面板）

0+44m断面（L2面板）分别在948.6m、 936.6m及919.5m高程处各安装1组两向应变计组及1支无应力计，编号分别为：

948.6m高程处：S2-3（水平） 、S2-3（顺坡）及无应力计S2-3-N;

936.6m高程处：S2-4（水平） 、S2-4（顺坡）及无应力计S2-4-N;

919.5m高程处：S2-5（水平） 、S2-5（顺坡）及无应力计S2-5-N;

监测数据显示，948.6m高程处：S2-3水平及顺坡向应变计自安装以来，一直处于拉应变状态，S2-3（水平）最大拉应变值为89με， S2-3（顺坡）最大拉应变值为74με;936.6m高程处：S2-4水平及顺坡向应变计自安装以来，一直处于压应变状态，S2-4（水平）最大压应变值为-162με， S2-4（顺坡）最大压应变值为-105με;919.5m高程处：S2-5水平向应变计自安装以来，一直处于拉应变状态，S2-5（水平）最大拉应变值为86με，顺坡向应变计自安装以来，应变值在拉、压交替变化状态，S2-5（顺坡）最大拉应变值为59με，S2-4（顺坡）最大应变值为-105με;拉应变值均小于混凝土所能承受的拉应变极限值。

截至2015年8月12日，S2-3及S2-5水平向及顺坡向均处于拉应变状态，S2-4水平向及顺坡向均处于压应变状态;S2-3（水平）拉应变值为79με、S2-3（顺坡）拉应变值为49με，S2-4（水平）压应变值为-109με、S2-4（顺坡）压应变值为-53με，S2-5（水平）拉应变值为69με、S2-5（顺坡）拉应变值为19με。

2）0+125m断面（L9面板）

0+125m斷面（L9面板）分别在949.6m、 939.0m及921.2m高程处各安装1组两向应变计组及1支无应力计，编号分别为：

949.6m高程处：S2-6（水平） 、S2-6（顺坡）及无应力计S2-6-N;

939.0m高程处：S2-7（水平） 、S2-7（顺坡）及无应力计S2-7-N;

921.2m高程处：S2-8（水平） 、S2-8（顺坡）及无应力计S2-8-N;

监测数据显示，949.6m高程处：S2-6（水平）最大拉应变值为48με、最大压应变为-61με， S2-6（顺坡）最大拉应变值为48με、最大压应变为-75με;939.0m高程处：S2-7（水平）最大拉应变值为20με、最大压应变为-85με， S2-7（顺坡）最大拉应变值为35ε、最大压应变为-157με;921.2m高程处：S2-8（水平）最大拉应变值为73με、最大压应变为-272με， S2-8（顺坡）最大拉应变值为101με、最大压应变为-383με;当混凝土的拉应变接近或超过混凝土所能承受的极限值时，混凝土将会产生产生裂缝，其中921.2m高程处S2-8（顺坡）最大拉应变值为101με，拉应变较大，接近混凝土所能承受的拉应变极限值。

截至2015年8月12日，S2-6水平向及顺坡向均处于拉应变状态，S2-7及S2-8水平向及顺坡向均处于压应变状态;S2-6（水平）拉应变值为37με、S2-6（顺坡）拉应变值为37με，S2-7（水平）压应变值为-28με、S2-7（顺坡）压应变值为-125με，S2-8（水平）压应变值为-218με、S2-8（顺坡）压应变值为-344με。

3）0+173m断面（L13面板）

0+173m断面（L13面板）分别在949.6m、 939.0m及921.2m高程处各安装1组两向应变计组及1支无应力计，编号分别为：

949.6m高程处：S2-9（水平） 、S2-9（顺坡）及无应力计S2-9-N;

939.0m高程处：S2-10（水平） 、S2-10（顺坡）及无应力计S2-10-N;

921.2m高程处：S2-11（水平） 、S2-11（顺坡）及无应力计S2-11-N;

监测数据显示，949.6m高程处：S2-9（水平）最大拉应变值为20με、最大压应变为-108με， S2-9（顺坡）最大拉应变值为46με、最大压应变为-160με;939.0m高程处：S2-10（水平）最大拉应变值为47με、最大压应变为-55με， S2-10（顺坡）最大拉应变值为45ε、最大压应变为-166με;921.2m高程处：S2-11（水平）最大拉应变值为72με、最大压应变为-36με， S2-11（顺坡）自安装以来一直处于压应变状态，最大压应变为-287με;拉应变值均小于混凝土所能承受的拉应变极限值。

截至2015年8月12日，S2-9水平向及顺坡向均处于压应变状态，S2-10及S2-11水平向处于较小的拉应变状态，顺坡向均处于压应变状态;S2-9（水平）压应变值为-72με、S2-9（顺坡）压应变值为-160με，S2-10（水平）拉应变值为3με、S2-10（顺坡）压应变值为-121με，S2-11（水平）拉应变值为0με、S2-11（顺坡）压应变值为-158με。

4）0+254m断面（L22面板）

0+254m断面（L22面板）在949.6m高程处安装1组两向应变计组及1支无应力计，编号分别为：S2-15（水平） 、S2-15（顺坡）及无应力计S2-15-N。

监测数据显示，949.6m高程处：S2-15（水平）最大拉应变值为43με、最大压应变为-22με， S2-15（顺坡）自安装以来均处于拉应变状态，最大拉应变值为103με，拉应变较大，当混凝土的拉应变接近或超过混凝土所能承受的极限值时，混凝土将会产生产生裂缝，从数值上看，S2-15（顺坡）向最大拉应变值接近混凝土所能承受的拉应变极限值。

截至2015年8月12日，S2-15水平及顺坡向均处于拉应变状态，;S2-15（水平）拉应变值为27με、S2-15（顺坡）压应变值为63με。

（二）面板自身体积变形

混凝土自生体积变形对混凝土的应力及结构物的工作状态有重要影响，因为它可能是膨胀型砼，也可能是收缩型砼，当结构物受到约束时，收缩型自生体积变化将引起混凝土相当的拉应力，甚至造成裂缝，反之，微膨胀型自生体积变形将产生压应力，可以提高混凝土的允许拉应力。

通过自生体积变形数据集可知，0+044m断面2号面板936.6m高程无应力计S2-4-N自生体积变形基本上呈上升的膨胀型变化;0+125m断面9号面板939.0m及921.2m高程无应力计S2-7-N、S2-8-N及0+173m断面13号面板946.6m高程无应力计S2-9-N自生体积变形基本上呈下降的膨胀型变化;其它各点无应力计自生体积变形基本上呈上升的收缩型变化;膨胀型混凝土产生压应变，对混凝土面板的結构有利，收缩性混凝土产生拉应变，对混凝土面板的结构不利;从对应应变计的应变也可以看出，处于膨胀型变形的应变计目前均处于压应变状态。

4、面板混凝土应力应变监测分析结论

从应变计观测资料分析结论为到目前每组应变计测值稳定，工作正常。各监测断面两向应变计组水平向及顺坡向应变值的变化基本和温度呈负相关关系，应变值随温度的升高而降低、随温度的降低而升高。

当混凝土的拉应变接近或超过混凝土所能承受的极限值时，混凝土将会产生产生裂缝，其中0+125m断面（L9面板）921.2m高程处S2-8（顺坡）及0+254m断面（L22面板）S2-15（顺坡）最大拉应变值分别为101με和103με，拉应变较大，接近混凝土所能承受的拉应变极限值，仍需继续加强监测与分析。

作者简介：王延文（1983.07--），工程师，现主要从事水利水电工程规划设计工作。