堆石坝面板应力应变和周边缝变形特性研究

□曹 辉（浙江省临海市水利局）

0 引言

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

1 安全监测设施

1.1 应变计

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。

1.2 三向测缝计

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。

2 观测资料分析

2.1 监测设施布置

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 面板应力应变

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

2.3 周边缝变形

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。

3 结语

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。

[1]张光斗,王光伦.水工建筑物[M].北京:水利电力出版社,1994.

[2]蒋颂涛,韩正海,李忠定.混凝土面板坝设计与施工[M].北京:水利电力出版社,1991.

[3]傅志安,凤家骥.混凝土面板堆石坝[M].武汉:华中理工大学出版社,1993.

[4]杨泽艳,周建平,蒋国澄,刘斯密，等.中国混凝土面板堆石坝的发展[J]. 水力发电，2011，37(2)：18-23.

[5]曹克明,汪易森,徐建军,等.混凝土面板堆石坝[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[6]杨启贵,刘宁,孙役,等.水布垭面板堆石坝筑坝技术[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[7]顾冲时,吴中如.大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用[M].南京:河海大学出版社,2006.