高混凝土坝长期变形特性计算模型及监控方法

万 晶

(江西省水利投资集团有限公司，南昌 330000)

随着社会的快速发展，世界上各个国家和地区的水利资源正在不断的被开发和利用，一些水工建筑物拦水大坝的数量都在不断的增加，其建设的规模也越来越大。我国的水电事业也取得了辉煌的成果，到目前为止大约建造了8.6万座堤坝，并且形成了大大小小的不同的水库群。这些伟大的国民水利工程为我国国民经济的发展起到了巨大的推动作用，产生了巨大的社会经济效益。但是随着堤坝数量的不断增加，高混凝土坝的前期施工质量、后期运行管理、老化等问题都严重威胁着大坝的安全，这种不安全因素不但制约了工程效益的发展，还同时给下游的人民带来严重的威胁。

1 我国高混凝土坝工程建设的现实状况

混凝土坝在建造完成服役的过程中往往承受各方面的环境影响，比如一些突发性的灾害或者恶劣环境的腐蚀等，这也是对其前期的设计、施工及后期的维护管理都有着严峻的考验。随着混凝土坝服役时间的推移，很多混凝土坝都出现了不同程度的病变或者老化问题，这也降低了坝体结构的抵抗力，增大了发生事故的风险，大大缩减了大坝的服役时间。而混凝土坝的在服役过程中最直观的工作性态反映就是变形，为了保障高混凝土坝安全运行，应该采取相应的措施来加强高混凝土坝变形的性态计算分析，对安全进行监控等方面的模型及方法进行研究分析。

随着我国科学技术的不断创新和发展，我国混凝土坝筑坝技术也取得了十足的发展，而在材料的容许应力、筑坝高度的增加及坝址地形地质条件的放宽等方面的发展都是大坝未来发展的趋势。我国在1989年就已经建成了178m高的龙羊峡重力拱坝；在2000年的时候就已经取得重要突破完成了240m的二滩拱坝；而后更是完成了305m的锦屏一级拱坝，这也是目前世界上最高的拱坝。

2 国内外高混凝土坝变形引发的事故分析

通过国内外一些工程实践表明，混凝土坝受到上游巨大水推力的长时间影响，将会发生明显的变形，这就说明混凝土坝的结构变形具有时变效应，因此就增加了重大的安全隐患。另外很多混凝土坝的运行环境不尽相同，很多都处在比较复杂的环境中，这使得筑坝材料受到了各方面因素环境影响，其物理特性发生缓慢变化。比如在运行的初始阶段因为坝体内部水泥会有一个持续的水化过程，所以坝体综合弹性模量在这个过程中是处于增长的状态，并且可以持续稳定大约5-10a，然后就开始出现缓慢的衰减，尤其是后期在环境及负荷等多方面因素综合影响下，坝体及坝基的各方面功能都出现了非常明显的衰退，导致了坝体的变形。

国内方面因为坝体变形导致影响工程安全运行的事故很多，比如澜沧江上建造的漫湾水电站，由于收到左侧山坡结构面差异的影响，导致抗剪强度大大降低，使得上部的岩体出现了张拉裂缝，最终发生大滑坡直接损失上亿元。龙羊峡的重力坝坝肩出现断层对工程的安全性产生了非常大的影响，最终也是经过各种分析研究采取加固措施，花费了上亿元。

国外比较重大的时变滑坡事故工程如意大利的Vaiont拱坝，在1960年就完成了蓄水功能，在后期受到库水的长期影响，3a后坝体整体位移达到400cm左右，在1963年因为恶劣天气的影响，暴雨导致了大约3亿m3的滑坡体突然进入水库产生超过坝顶100m左右的涌浪，直接导致了下游很多城镇被水冲毁，死亡3000多人。另一典型事故就是在1951年开始修建的意大利Beauregard拱坝，由于大坝两岸的岩体存在较大的差异，导致后期蓄水后左边的河床内部发生滑动，拱坝受到挤压坝体倾倒变形，下游的底部开裂，而上游的上部开裂，面对这种危险形式，当地专家进行分析研究采取将拱坝内部水位控制在1710m，将其变成了径流式的水电站，然而后期检测发现山体滑动仍在继续，仍然存在安全风险[1]。

3 高混凝土坝长期变形特性的计算模型及研究分析

目前对于混凝土坝的长期变形研究方向主要有2个：①混凝土坝在服役过程中土坝的老化问题；②混凝土坝固有的时效变形问题。

3.1 混凝土徐变的特性以及计算模型研究的现状分析

根据相关试验我们可以发现，如果应力一直是常量，大坝的混凝土在长时间受到荷载的影响后变形会根据时间的推移而不断增大，我们把这种情况叫做徐变。混凝土徐变主要是在受到了高应力的影响之后，混凝土会产生一些细小的裂痕，还有一些徐变的发生是因为硬化水泥浆体因为受到了骨料水泥浆这件黏着力的影响。通常，混凝土的徐变是瞬时弹性变形的2-4倍。混凝土徐变主要分为可恢复徐变以及不可恢复徐变两种，前者占到的比例是5%-50%，当应力比较小的时候混凝土的徐变速度会越来越小，反之，当应力比较大的时候混凝土的徐变速度则一直变大直到破损。

从20a前美国材料试验学会第一次对混凝土徐变进行相关报道，在以往的一百多年里，无论是我们国家还是国外的一些学者都一直在对混凝土徐变进行深入研究，目前的用来表达徐变程度的模型主要有双曲线型、指数型、幂函数型、对数型、双幂函数型等等。但是目前的这些模型都具有双面性，有的不太符合实验最终结果，有的又太繁琐使用的时候不够方便，后来朱伯芳提出一种新的模型：多项指数函数型，这种模型的好处使用起来比较方便，尤其是利用有限元法来计算应力，这样就不用一一对所有应力进行记录，可以在很大程度上降低计算存储量，在现实生活中受到了十分重视和大量使用。

3.2 基岩的蠕变特性以及计算模型研究的现状分析

通过一些实验我们也会发现，无论是坝基岩体还是软弱结构面，他们的变形都跟时间的推移有着密切的关系，一般情况下，在受到定常荷载的影响后，变形会随着时间的推移不断地增加，我们把这种现象称之为蠕变。在受到长时间荷载的影响之后，岩石里面的矿物晶体构造不断地发生变化，这样应力也一直在发生改变[2]。目前有很多大坝或者地下洞或者高边坡发生事故，都是因为坝基岩体和软弱结构面在长时间变形以后从而发生的，这些事故发生往往不是在刚开始受到定常荷载影响以后就马上发生的，因此这两个因素在很大意义上决定着大坝工程的长期安全性。

在20世纪30年代，很多外国学者开始研究岩石蠕变的特性，像1939年Griggs在室内常温的环境下利用一些云母、石灰石以及一些简单的晶体进行尝试，之后20a后法国Malpasset也做过蠕变试验，包括像1963年意大利国家的Vaiont也尝试过，但是他们两人的试验并没有成功而且对大坝造成了严重的破坏，并导致了巨大的经济损失，这两次试验在世界上影响深远，后来，对于岩石蠕变特性的研究受到了各项工程的广泛关注。

目前计算岩石蠕变的模型主要包括三种：经验模型、元件模型以及理论模型。第一种模型一般是在某种特殊指定情况下对岩石流变进行实验，然后利用一些函数把实验得到的结果结合起来最终得到的一种模型。像Maxwell模型、西元模型、Kelvin模型这些都属于元件模型，因为元件模型很难反映出岩石的加速突变，所以后来一些学者指出可以用非线性元件。理论模型虽然能够描述岩石的非线性流变特点，但是因为其待定参数数量较大，目前在现实生活中很少被使用。

3.3 高混凝土坝老化理论的研究现状分析

高混凝土坝结构老化管理的核心是研究其老化的机理。建筑大坝的材料物理力学性能的改变导致高混凝土大坝在后期运行期间内部的结构变形，即所谓的时变效应是引起变形的重要原因之一。在研究高混凝土大坝冻融损伤方面主要研究其冻融损伤的机理，但是目前没有一个完善的理论可以完全解释高混凝土冻融损伤的复杂性机理。在高混凝土温度损伤方面主要研究高混凝土坝在施工时温度裂缝的问题，但是由于混凝土是有多相复合材料组成，每种材料的成分都具有不同的热膨胀性，这样就在均匀温度变化下出现不同的热变形，经研究发现高混凝土坝的强度随热循环的次数增加而出现逐渐降低的现象。

4 混凝土坝长期变形的安全监控模型以及预警研究分析

对于高混凝土坝空间变形预警能力不够的问题，我们可以设定一个高混凝土坝变形预警指标来确保高混凝土坝的安全性、防止事故的发生。现在实际上已经有很多学者在研究高混凝土坝变形预警指标，目前遇到的主要困难是不容易发现可以描述空间的整体变形形态的科学表达式。根据有关规律，如果我们在分析系统时以高混凝土坝变形点作为特征点，那么高混凝土大坝的整个变形形态就可以用特征点的集合演变方程进行体现，然后我们可以虚拟设定高混凝土坝的整个变形形态的“变形熵”预警指标，变形熵通过熵的形式可以描述高混凝土大坝整体变形的有序度，结构如图1所示。

图1 变形熵描述高混凝土大坝整体变形的有序度

5 总 结

综上所述，长期变形特性是高混凝土坝工程安全的重要表现，受到前期施工质量、后期运行维护、服役外围环境、服役地质情况等各方面因素的综合影响，具有了明显的时空非线性变化特性[3]。通过研究高混凝土坝长期变形特性计算分析以及监控方法，综合各方面学科知识，深入的研究揭示了不同因素协同作用下高混凝土坝的变形演化机理，从而让我们可以科学的建造高混凝土坝，保障其运行的安全可靠，及时的对高混凝土坝进行健康诊断，为后期特高坝的建造积累经验和技术。

[1]顾冲时,苏怀智,王少伟.高混凝土坝长期变形特性计算模型及监控方法研究进展[J].水力发电学报,2016,35(05):1-14.

[2]雷鹏,常晓林,肖峰,张贵金,苏怀智.高混凝土坝空间变形预警指标研究[J].中国科学:技术科学,2011,41(07):992-999.

[3]胡灵芝.混凝土坝变形安全监控时变模型及其应用研究[D].南京：河海大学,2005.