面板堆石坝面板实测应变应力性态研究

张 猛，朱锦杰

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122；2.国家水电站大坝安全和应急工程技术中心，浙江杭州311122)

0 概 述

混凝土面板是面板堆石坝坝体防渗的主体结构，布置在垫层的上游面，是坝体与库水和大气的界面。混凝土面板应满足：①挡水防渗要求，具有低的渗透系数；②耐久性要求，有足够的抗风化、抗冻能力，在高寒地区抗冻性成为混凝土面板设计的主要指标之一；③为适应坝体变形，要有足够的柔性；④能承受一定的局部不均匀变形，有足够的强度和抗裂能力。面板的厚度一般多是渐变的，厚度t=30+αH(cm)(其中，H为计算截面至面板顶部垂直距离，m；系数α一般取0.1～0.3)。为适应坝体变形、气温变化并满足施工要求，现代面板坝总是用垂直接缝将防渗面板分成若干条板。为监测面板安全，通常会布置变形监测和应力应变监测设施。面板应力应变监测仪器通常有应变计、无应力计和钢筋计。研究已建混凝土面板堆石坝面板的实测运行性态，了解面板应变应力变化规律、分布特点及量值合理变化范围，可为运行期面板的安全运行提供有益指导。

1 面板混凝土热膨胀系数

国内典型面板堆石坝面板混凝土热膨胀系数统计见表1。由表1可知，同一大坝面板混凝土只要用同样的骨料，尽管其他因素有差异，α值大致相同，波动范围不大。混凝土热膨胀系数主要决定于骨料和水泥石[1]，一般以石英岩和砂岩骨料的混凝土α值较高。

表1 国内典型面板堆石坝面板混凝土热膨胀系数统计

无应力计测值扣除温度应变后即为混凝土的自生体积变形和湿度变形。面板混凝土的自生体积变形和湿度变形有稳定型、膨胀型和收缩型3种类型变化，收缩型混凝土一般易产生裂缝。

2 面板混凝土综合应变

2.1 面板应变变化规律

面板应变受温度和水库蓄水的影响较大，随温度和库水位的升降而增减。水库蓄水以后，面板压应变快速增大，之后主要与温度呈正相关；位于面板上部(水面以上或浅水处)测点温度受气温影响明显，年变幅较大，表现为有拉有压；位于面板下部(水面以下较深处)测点受气温影响较小，年变幅较小，一般表现为压应变。典型过程线见图1。

图1 面板典型测点混凝土应变测值过程线

面板应变除受温度、库水位等环境量因素影响外，一般还与坝高、河谷形状、坝体填筑质量等有关。大坝蓄水后，面板在堆石体自身流变和水荷载作用下产生法向挠度，同时面板沿轴向中间受压，两侧受拉。大坝填筑完工初期，坝体沉降持续增大，面板拉、压应变也随之增大；运行多年后，随着坝体沉降趋于稳定，面板拉、压应变也趋于稳定。

2.2 面板应变分布特点及量值范围

统计了国内21座已投入运行的面板堆石坝面板实测混凝土应变特征值，典型面板混凝土应变分布见图2[3]，各工程面板最大压应变和最大拉应变特征值见图3及图4。经研究，面板应变具有以下特点：

图2 典型面板混凝土应变分布(单位：10-6)

图3 国内典型面板堆石坝面板顺坡向及水平向最大压应变特征值

图4 国内典型面板堆石坝面板顺坡向及水平向最大拉应变特征值

(1)面板应变一般以受压为主。顺坡向应变一般中、下部受压，水布垭(800×10-6)、三板溪(1 231×10-6)、天生桥一级(1 152×10-6)、滩坑(837×10-6)、龙首二级(954×10-6)、龙马(1 328×10-6)、珊溪(1047×10-6)面板顺坡向压应变较大，最大压应变均超过了800×10-6；上部受堆石体填筑质量影响较大，坝体沉降量过大时，可能会出现较大拉应变，其中天生桥一级、陡岭子大坝面板顺坡向最大拉应变超过500×10-6。水平向应变一般是河床部位、面板中间部位受压，岸坡部位受拉，拉应变量值一般较小，但马鹿塘二期大坝水平向最大拉应变超过500×10-6；压应变量级大，三板溪、天生桥一级、马鹿塘二期、龙马大坝面板最大压应变均超过了800×10-6，最大分别曾达994×10-6、948×10-6、818×10-6、1143×10-6。面板的受力状态与所处部位关系较大，其中，下部由于水压作用处于三向受压的有利状态，而上部可能会出现一拉一压的不利状态，甚至会造成混凝土压剪破坏。

(2)面板在应力状态较差情况下综合拉应变一般不超过300×10-6，拉应变达到500×10-6左右，面板局部可能会出现拉裂缝，如天生桥一级大坝三期面板顶部桩号0+245的SGP2、0+629的SGP14等测点处顺坡向拉应变较大(大于500×10-6)，部分混凝土被拉裂；陡岭子大坝面板约269 m高程处出现连续同一高程水平裂缝，主要集中在左L1、右L1和右L2、右L5～L6块面板，而左L1～右L6面板的顺坡向拉应力较大，最大值612×10-6。总的来说，压应变一般不超过800×10-6。当压应变达到1 000×10-6左右时，面板存在局部压坏的可能，如三板溪面板水平施工缝曾挤压破损[4]，天生桥一级面板垂直缝挤压破损[5]，龙马面板垂直缝局部挤压破损等。

3 面板混凝土应力

3.1 面板混凝土应力计算方法及参数取值

由单轴应变推求混凝土应力的理论基础和计算方法比较复杂，目前常用的方法有变形法和松弛法，对国内10座面板堆石坝(三板溪、天生桥一级、珊溪、公伯峡、引子渡、街面、芹山、那兰、小山、松山)面板采用变形法来推求面板混凝土的应力。

混凝土弹性模量主要与混凝土标号有关，而徐变除外界因素外，主要与水泥、骨料、水灰比、灰浆率、外加剂和粉煤灰有关；变形法计算应力的过程中，混凝土弹性模量、徐变一般取施工期试验值，或者根据面板混凝土施工配合比和参考类似工程取用。

3.2 面板应力量值范围及对安全的影响

DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》中规定：C30混凝土抗拉、抗压强度设计值分别为1.43、14.3 MPa；C25混凝土抗拉、抗压强度设计值分别为1.27、11.9 MPa。国内10座面板堆石坝面板混凝土应力特征值统计见表2。通过对应力量值进行研究，得出如下结论：

表2 国内典型面板堆石坝面板混凝土应力特征值

(1)采用C30等级的松山大坝面板，松山大坝面板最大压应力为15.46 MPa，超过规范要求的抗压强度设计值14.3 MPa，但超限不多，只要结构上没有明显缺陷，一般不会引起面板的挤压破坏；采用C30等级的三板溪大坝面板分三期施工，压应力分布在一期面板和二期面板中下部，顺坡向大于水平向，极大值分别为27.5、22.8 MPa，均超过混凝土抗压强度设计值14.3 MPa，对385 m高程水平施工缝面形成较大压力，这也导致了一、二期面板水平施工缝的挤压破损。

(2)采用C25等级的8座大坝面板：①面板拉、压应力均以天生桥一级大坝为最大，其水平向、顺坡向最大压应力分别为20.21、26.9 MPa，最大主压应力达到24.05 MPa，均超过了C25混凝土抗压强度设计值11.9 MPa，较大的压应力导致了面板中间垂直缝挤压破坏；面板个别部位最大拉应力超过10 MPa，该处混凝土已被拉裂。②珊溪大坝虽然一期面板中下部顺坡向应力较大，最大达21.6 MPa，超过现行规范规定的混凝土强度允许值17 MPa，但未超过混凝土试验或实测强度，根据面板混凝土抽样检查(125组)结果，28 d抗压强度最大值47.8 MPa，最小值为33.6 MPa，平均为42.8 MPa，而且一期面板中下部位处于较好受力状态，为三向受压，主应力的方向大致为顺坡、水平向及垂直于面板的水压力，每一向的抗压强度随另二向压应力增加而增加，且极限压应变可大大增加，所以，目前尚不致于由于应力过大会造成面板混凝土受挤压而破坏[6]。③除天生桥一级、珊溪大坝外，其余6座大坝(公伯峡、引子渡、街面、芹山、那兰、小山)面板最大压应力均小于C25混凝土抗压强度设计值，面板不会出现挤压破坏；面板局部，如面板上部水平向左右岸附近及面板中间上部顺坡向出现拉应力，超过C25混凝土轴心抗拉强度，可能出现裂缝等情况，但面板配筋会限制裂缝的发展，日常维护处理及时能保证面板运行安全。

4 面板钢筋应力

面板钢筋计一般按顺坡向和水平向布置，有的大坝面板也只在顺坡向布置。经过对国内20座面板堆石坝面板钢筋应力实测成果进行研究，可知：

(1)面板钢筋应力的变化规律、分布规律同面板应变类似。

(2)统计国内20座面板堆石坝面板钢筋顺坡向应力特征值见图5。由图5可知，钢筋顺坡向最大压应力超过200 MPa的有3座坝，分别为三板溪(245.6 MPa)[7]、龙首二级(201.39 MPa)、龙马(218.6 MPa)，最大压应力在100～200 MPa之间的有8座，其余9座最大压应力均在100 MPa以内；天生桥一级钢筋最大拉应力为518.7 MPa、龙马钢筋最大拉应力为363 MPa，已超量程，其余18座大坝中，有3座大坝(滩坑133.25 MPa、龙首二级167.24 MPa、那兰190.72 MPa)面板钢筋最大拉应力超过100 MPa，有15座大坝钢筋最大拉应力小于100 MPa。坝高越高，钢筋最大拉、压应力普遍偏大，但由于钢筋应力的影响因素较多，其与坝高并非为线性关系。

图5 国内典型面板堆石坝面板顺坡向钢筋应力特征值

(3)统计国内15座面板堆石坝面板钢筋水平向应力特征值见图6。由图6可知，有6座大坝钢筋最大压应力在100～200 MPa之间，最大为194.7 MPa(天生桥一级)，9座钢筋最大压应力小于100 MPa；最大钢筋拉应力中，除天生桥一级(217.0 MPa)、龙马(338 MPa)、鱼塘(136.20 MPa)外，其余12座大坝面板钢筋最大拉应力均小于100 MPa。

图6 国内典型面板堆石坝面板水平向钢筋应力特征值

5 结 论

经过对国内已投入运行的20多座面板堆石坝面板实测应变应力性态进行研究，得到以下结论：

(1)面板混凝土热膨胀系数。量值大小主要决定于骨料和水泥石，一般以石英岩和砂岩骨料的混凝土α值较高，以石灰岩为骨料的较低。同一大坝面板混凝土只要用同样的骨料，面板混凝土热膨胀系数α值大致相同，波动范围不大。

(2)面板混凝土综合应变。除受温度、库水位等环境量因素影响外，一般还与坝高、河谷形状、坝体填筑质量等有关。进入运行期后，面板综合应变以受压为主，顺坡向应变一般中、下部受压，水平向应变一般是河床部位、面板中间部位受压。面板综合拉应变一般应不超过300×10-6，达到500×10-6左右，面板局部可能出现拉裂缝；压应变一般应不超过800×10-6，达到1 000×10-6左右，面板存在局部压坏的可能。故可将拉应变不超过300×10-6、压应变不超过800×10-6作为面板混凝土综合应变的合理范围参考值，将拉应变500×10-6、压应变1 000×10-6作为面板混凝土局部受损破坏的经验警戒值。

(3)面板混凝土应力。面板混凝土局部拉应力超标，可能出现裂缝等情况，但面板配有钢筋会限制裂缝的发展，只要及时维护处理，能保证面板运行安全。面板混凝土最大压应力小于设计值，或虽超过设计值，但未超过混凝土试验或实测强度，面板不会出现挤压破坏；面板混凝土压应力超设计值较多，易对面板接触缝形成较大压力而致使其挤压破损，如三板溪、天生桥一级面板混凝土顺坡向、水平向最大压应力均超过设计值50%以上，导致三板溪一、二期面板水平施工缝出现挤压破损，天生桥一级面板中间垂直缝出现挤压破坏。

(4)面板钢筋应力。主要与温度呈负相关，分布规律与面板应变类似。坝高越高，钢筋最大拉、压应力普遍偏大，但由于钢筋应力的影响因素较多，其与坝高并非为线性关系。除部分处于高应力状态下的大坝面板如三板溪、龙马、天生桥一级等外，面板钢筋最大拉、压应力一般均不超过200 MPa。可将±200 MPa作为面板钢筋应力的合理范围参考值。