干燥气候条件下混凝土大坝下游面和溢流面结构研究

［俄罗斯］ А.Н.沃伦奇科夫 等

环境温度变化相当大，是水工建筑物在干燥气候条件下运行的特点。由国立水工建筑物设计院(Гидрпроект)设计，修建在安加拉(Ангара)河(克拉斯诺亚尔斯克边疆区)上的博古昌水电站(Богучанская ГЭС)，就是在这种条件下运行。

建筑规范规定，在进行水工建筑物的可靠性和安全性论证时，必须考虑温度产生的影响。根据分类，对施工期和运行期的温度影响进行了确定，认为外部空气中，月平均温度为平均变幅的温度影响，属于临时性的，但影响时间持续较长。空气中的月平均温度达到最大变幅的年温度影响，则属于特别的温度影响。

利用有限元方法解决热传导的不稳定问题，从中可以获得1月份混凝土大坝中温度的分布情况，详见图1。温度对大坝应力变形状态产生影响的机理，在于大坝中心区域(此处温度的季节性变幅不是很大)和与外部空气接触处的(此处的温度变幅最大)大坝外表面之间所产生的温度差。大坝核心部位的温度变幅较小，而裸露的外表面，其温度变幅最大。大坝表面趋于冷却的混凝土，如果体积发生收缩，则将阻碍大坝核心部位进一步发热。结果，相对于较热的大坝中心的混凝土层来说，冷却后的表层混凝土便会产生拉应力。拉应力在大坝表面延伸，如果拉应力大于混凝土应力的强度，那么，施工缝便会张开或形成新的裂缝。

图1 混凝土大坝溢流段1月份的温度分布状况(在全年月平均温度为平均变幅的情况下)

混凝土全年的热应力状态是变化不定的:裸露在外部空气中的大坝表面在冬季会产生拉伸，在夏季反倒会产生收缩。

对于施工条件下的博古昌水电站来说，在年平均温度为-3.2℃时，对于温度变幅为平均变幅年而言，月平均气温的季节性变幅为47℃，对于为最大的温度变幅年而言，月平均气温的季节性变幅为57℃。由图1可见，大坝中心的混凝土温度接近年平均温度。1月份，大坝核心部位与下游面的温度差达到25℃。

现代设计实践中，在对建筑物及结构的可靠性和安全性进行论证时，主要是采用的大量连续介质的机械方法，这也是规范文件中规定的。在解决热传导问题时所获得的温度差，与其他荷载和影响(静力影响、地震影响、动力影响)一起，被作为温度的影响，应在基于“水工建筑物—基础”体系的数学模型研究中加以考虑。对于指定的荷载及影响组合的建筑物的应力变形状态，是采用有限元方法进行计算。在计算时，对大体积混凝土坝，是采用“SOLID”类型的体积有限元方法进行模拟计算。“SOLID”一般为四方体或六面体，根据确定采用的计算法，可以为其设定有效的混凝土结构变形模数。

假定温度影响分布在连续的混凝土中，上述应力变形状态计算表明，大坝下游面产生的较大拉应力，无论是在混凝土的垂直方向，还是在水平方向上，都同时存在。为了使大坝下游面的强度得到保证，允许裂缝的开度达到0.3 mm，但是这样就导致必须配置大量的钢筋，如图2所示，配筋量可达100～200 cm2/m2;或者沿整个坝面安装钢筋网(100～150 cm2/m)。图2是钢筋的面积分配情况，这是根据混凝土的应力状态得出的。显而易见，根据得到的结果，在下游面实施配筋，实际上是不可能的。

图2 混凝土大坝的封闭坝段(从假定的连续混凝土中得出的水平与垂直方向配筋所需的面积)

布拉茨克(Братская)、乌斯季伊利姆(Усть-Ильмская)，以及其他一些运行在干燥气候条件下的水电站，在当时设计时，并未考虑到在对混凝土建筑物的应力变形状态进行计算时，应直接记入温度的影响因素。因为当时计算机的计算能力以及相应的用于数学模拟的计算程序都有限。因此，图2中高水平的配筋方式还未被设计出来。

水工建筑物在干燥气候条件下良好运行的经验表明，所设计和配置的结构钢筋完全能够使建筑物的安全性和可靠性得到保证。因此，没有必要为了承受较大的拉应力，像图2所示的那样，而借助钢筋的力量来保证裂缝开度在0.3 mm以内。

实际上，大坝的大体积混凝土不是连续介质，在实施混凝土浇筑时，通常均设有横向和纵向的施工缝。根据计算结果，应当说，在干燥气候条件下，混凝土的有效变形模数会出现衰减。当然，其衰减程度似乎更多地是取决于施工缝。

施工缝的设置，使大体积混凝土块有了变形的自由度，而且与连续的不断开的介质相比，拉应力也会大大减小。相应地，设置的施工缝间隙越小，混凝土中的拉应力就会越小，以及施工缝的开度也就会越小，这样一来，传导给钢筋的应力也越小。

在对温度影响进行计算时，考虑到了混凝土的极限拉伸性，即当达到该极限拉伸性时，裂隙的形成便会终止，而且不再发展，混凝土也能够承受已规定的拉应力级别。

必须指出的是，钢和混凝土都具有相同的温度膨胀系数。当温度变形超过混凝土的极限拉伸性时，仅仅依靠加筋来防止钢筋混凝土中裂隙的形成是不可能的。配筋的主要目的在于限制裂缝的开度，其中也包括杜绝大型裂缝的形成。

在考虑计算钢筋混凝土的变形性时，要借助于有效的混凝土结构变形模数 Ebd。设αΔT＞εlim，在这种条件下，能够承受裂缝形成的混凝土中的温度应力将在0至混凝土抗拉强度之间。那么，在这种情况下，按照下式即可以计算出钢筋的应力:

式中，α为混凝土线性膨胀系数;ΔT为温度差;εlim为混凝土极限拉伸性;Ebd为混凝土有效结构变形模数;Ab为混凝土断面面积，亦即便于在大体积混凝土计算中采用的单位面积(1 m×1 m);As为Ab断面面积中的钢筋面积。

在钢筋弹性模数比为Es/Ebd＞10的条件下，可以认定，混凝土中产生裂缝时，钢筋中的应力将达到规定的标准的钢筋抗拉强度。

可以说，超出混凝土极限拉伸性的结构变形，表现在施工缝的开度上，确定钢筋面积和施工缝的间距，可以评估温度缝开度数值的大小。博古昌水电站温度差计算和钢筋混凝土特性计算结果见表1。

表1 根据博古昌水电站条件下的施工缝间距及配筋量所做的温度施工缝宽度评估

所做的大坝应力变形状态分析，包含对各种形式的施工缝开度方案进行三维计算，以及借助于模拟试验来完成对大坝应力变形状态的计算，即完成对大坝下游部位的纵、横施工缝系列进行的模拟实验。由图3可以看出，当下游阶梯溢流面的水平施工缝之间的开度为1.5 m时，拉应力和配筋的需求量都会大幅降低。未对大坝上游部位的施工缝做模拟试验，其配筋计算特性同图2。

图3 混凝土大坝溢流段(1～3号墩)根据施工缝开度所计算出的水平与垂直配筋所需面积

对比图2和图3，可以得出以下结论，下游面的布置形式(封闭坝段平整，溢流坝段为阶梯式)，一般不会对大坝的温度应力状态特性产生明显的影响。

对重力坝下游面的混凝土产生温度裂缝的原因进行了分析，结果表明，配筋只具有一种功能，即限制施工缝的开裂宽度。因此，即使是完全不配筋，也能达到这种效果(缝的间距、宽度和开度)。也就是说，只需将混凝土的拉应力降低到混凝土抗拉强度的水平，便可使施工缝得以稳定。

对于大坝应力变形状态来说，由于混凝土具有的热物理学性能，温度比降随着在表面的消退，也会快速减小，温度的影响在几米深处即会消失，这一点至关重要。研究表明，在博古昌水电站大坝未配筋的断面上，所设置的水平施工缝深度为3～4 m。这并未给包括上游面区域在内的总体应力变形状态，以及大坝和坝基的稳定性，造成实质性的影响。

应当根据下游面的功能和用途，来看待与温度影响有关的混凝土大坝下游面的配筋特性。

1 坝下游面

配筋仅仅是为了满足结构方案的需要，也就是说，在有施工缝开裂的情况下，为了保证下游面的完整性，以及坝体的强度和稳定性，可以根据表1确定施工缝开度的宽度。一般情况下，对于结构性的配筋，其施工缝的宽度会超过《建筑标准与规范》(СНиП)要求的宽度(0.25～0.30 mm)。但是，施工缝的宽度不会影响到大坝的可靠性和安全性。这是因为下游面的配筋不具有力的作用，而分缝施工却具有临时性的特征，因为在寒冷的冬季，腐蚀活性最小。因此，如果经过计算，配筋只会引起温度的影响，那么可以考虑在封闭坝段的下游面混凝土中配置结构性钢筋。在寒冷的冬季，与规范的允许值相比，施工缝的宽度允许达到最高值。配筋的密集，并不会提高大坝的可靠性和安全性。

2 大坝阶梯溢流面

从实用方面来看，大坝阶梯溢流面施工缝的开度大小具有较大的意义。因此，经过包括对施工缝的计算在内进行的计算，结果表明，对于溢流面，必须配筋(图3)。由于结构原因，下游面配筋数量最多的是在穿越水流的方向上。这是因为与水平线上的垂直施工缝之间的距离相比，垂直线上的水平施工缝之间的距离要小。

从上述对混凝土温度影响机理进行的研究结果来看，在干燥气候条件下运行的大体积混凝土坝，对于其下游面(封闭坝段或溢流坝段)的结构来说，应当适当缩小各方向的不同类型施工缝之间的距离(垂直与水平的块体施工缝、分割坝段的叉状切割缝)。

必须注意施工缝的结构形式。如果配筋不穿过施工缝，那么，下游面的混凝土块体就具有最大的变形自由度(其结果是混凝土块体的应力最小)。然而，从施工角度来看，这些在施工缝密集的部位是不可能做到的。因此，只推荐将这种方案在溢流面采用，因为最重要的是裂缝的形成能够得到控制。图4为所推荐方案的配筋示意。

图4 阶梯溢流面配筋示意

3 钢筋混凝土结构连接部位的配筋

如上所述，在一定的结构区域形成补充应力的同时，温度也会对建筑物的应力变形状态产生较大的影响。同时，众所周知的是，任何一个施工断面上累积的力的作用都将是零。温度的影响将会导致裂缝形成，而任何一条裂缝都会导致应力在其自己的作用区域进行重新分布，这种重新分布可能带有局部特性，也可能会导致结构本身的特性发生改变，并改变结构的静态工作方式，最终使连续的结构分割成若干个部分等。由于静态应力，比如，在拉力的作用下，已改变的结构会发生破坏。因此，为了保证结构的可靠性和安全性，重要的是，在裂缝产生时，就应消除结构的静态作用方式发生改变的可能性。

对伸向位于大坝下游面的桥式坝段的悬臂梁进行了研究，悬臂梁的配筋见图5。在对悬臂梁进行计算时，其方法与连续结构的计算方法一样，在计算过程中，考虑到了水平施工缝的开度情况，水平施工缝适宜于用作下游面大体积混凝土的段间接缝。正如计算结果所表明的，缝的开度将导致对所需要的配筋进行重新分配，结果，致使上游面的悬臂梁上产生一些拉应力区段。

应当引起注意的是，穿过悬臂梁的钢筋AZ(图5，в)。它所引起的温度变形并不是在悬臂梁本身(悬臂梁上实际上不存在温度差，因为其各个面都是裸露的)，而是在其嵌固端的Z方向(横向水流方向)上，也就是大坝的下游面发生变形。悬臂梁犹如一个刚性构件，承担着下游面混凝土的抗拉应力，因为该应力本身又会引发悬臂梁的拉应力。

类似的应力状态还发生在垂直方向的大坝下游面，垂直方向的悬臂梁如同下游面的加强肋，一旦悬臂梁上出现有垂直拉应力，就必需沿其嵌固端配置大量的垂直钢筋(图5Б)。

图5 桥式坝段悬臂梁所需的钢筋

通过对各种情况进行分析，针对在干燥气候条件下运行的混凝土重力坝下游面结构的设计，提出如下建议。

(1)对于封闭坝段的下游面，如果经静力荷载计算，结果认为不需要配筋的部位，则应当配置结构性钢筋。在这种情况下，可以根据表1对纵向和横向的块体间的接缝开度进行季节性调节。接缝之间的距离过大(超过1.5～3.0 m)，就有可能使块体产生裂缝。但是，缝的开度和裂隙的形成不会对“大坝—基础”系列的强度和稳定性产生影响。

(2)对溢流面的配筋设计应先进行计算。计算时，应考虑到所有类型施工缝的实际形状和所需要的裂缝开度程度。正如对方案进行分析研究的结果一样，对下游面配筋时，各块体之间的钢筋无需实施搭接。

(3)在与钢筋混凝土结构连接处的大坝下游面实施配筋时，应根据该区域大坝混凝土的密实性进行计算。在具有相应的计算可能性的条件下，配筋的确定，应考虑大坝和钢筋混凝土结构中施工缝的开度，以及所允许的裂缝开度的程度。同时，结合区域的钢筋混凝土结构和大坝的静态作用方式不应改变。

表1中所列出的所有类型的施工缝的间距，在任何情况下都应适当地缩小。

在对应力变形状态进行计算时，必须对温度的影响进行计算，这样就需要运用包括“混凝土—混凝土”接点形式在内的数学模型，用于计算其在温度影响下的开度。毫无疑问，这样就会使研制数学模型的工作量加大，但同时也将会为更有效的、具有运用前景的数学模拟实验工艺的研制创造前提条件，这些包括基于图表处理程序的计算速度加快，开发具有自动化设计体系的积分计算程序等。

4 结语

曾经多次指出，俄罗斯现行的《建筑标准与规范》实际上已经过时了，而且在制订时，有关“水工建筑物-基础”系列的应力变形状态的研究，有许多可能的和特别的研究方法均未能包含进去(比如，计算图表的绘制方法等)。尽管规范文件中也有对建筑物进行整体计算等方面的要求，但是，制定这些要求的基础，是建立在当时使用的建筑力学与材料强度的计算方法之上的。

《建筑标准与规范》自20世纪80年代中期颁布实施以来，已完成的大量工程计算实践已经发生了实质性的变化。在后来的校订中，包括在由俄罗斯统一电力系统电力和电气化股份公司牵头，组织修订出版的企业标准中，所涉及的水工建筑物可靠性和安全性论证的章节，事实上，几乎是未经修改地照搬了原《建筑标准与规范》。因此，最有益的做法是，着手对由设计和科研机构研制的有关水工建筑物可靠性与安全性的设计方案与科学论证方面的提议进行整理并出版，比如说，将其列入《建筑标准与规范》的参考资料中。这样，可以有效地使俄罗斯水工建筑物设计与计算领域所积累的宝贵经验得以归总，并使其得到更有效地推广运用。