魏海云,刘正国

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

杭州市青山水库是一座以防洪为主的综合性大(2)型水库,总库容2.15亿m3,校核洪水位37.2 m;正常蓄水位25 m,相应库容为0.385亿m3。已运行40多年,发现不少安全隐患,如坝体填筑质量较差和坝基渗透变形等。经过大坝安全鉴定,青山水库大坝为三类坝。2002年9月采用低弹模混凝土防渗墙对大坝进行除险加固处理,并于2005年12月竣工。

1 防渗墙应变观测布置

青山水库拦河大坝为宽心墙砂壳坝,最大坝高为26.6 m。低弹模混凝土防渗墙厚80 cm,布置在坝轴线上游3.55 m处,底部深入弱风化层即凝灰质粉砂岩层0.5 m,弹性模量为2100MPa。图1为加固后的青山水库大坝剖面图。

为了观测防渗墙应力应变情况,防渗墙内部布置了5个应变观测断面,桩号分别为坝0+052.00,0+060.00,0+204.00,0+321.00,0+492.00 m。表1给出了典型断面(坝0+204.00 m)应变计安装位置。

表1 青山水库防渗墙 (坝0+204.00 m)应变计安装位置表

图1 加固后的青山水库大坝剖面图

2 防渗墙应变计初始值

应变计埋设后,必须先确定基准值,以基准值为标准计算后续的应变值。基准值的选择,将会直接影响观测分析成果的准确性,应根据应变计的弹模和周围混凝土弹模及硬化时间等而定,一般选择混凝土开始能带动应变计一起工作时的测值作为基准值[1]。对于单支应变计当电阻比(或频率模数)与温度过程线发生转折时表明应变计开始工作,这时的观测数据可作为基准值[2]。

根据工程经验,选择混凝土终凝前后的观测值作为基准值比较合适。当混凝土达到终凝时,混凝土体系的结构已基本稳定,并具有一定的强度和刚度,能够带动应变计正常工作。普通混凝土的终凝时间一般不超过10 h,和水泥品种、配比、气温等因素有关。对于浙江省的低弹模混凝土防渗墙而言,从杭州市青山水库开始采用了泵送混凝土施工工艺,根据混凝土防渗墙施工技术规范的规定,泵送混凝土的终凝时间应≤24 h,配合比中都加了外加剂。防渗墙应变计自身有一定弹模 (多介于500～1500 MPa),只有当混凝土凝固过程中弹模接近应变计弹模才能带动应变计一起工作,因此应变计取基准值时间与混凝土弹模有关。常规混凝土弹模＞20000MPa,取基准值时间一般为埋设后24～48 h,浙江省的低弹模混凝土弹模多介于2000～6000 MPa,因此低弹模混凝土的应变计取基准值时间应大于常规混凝土。

图2给出了杭州市青山水库防渗墙的典型应变计初期温度及电阻比过程线。从图2中可看出,初期温度与电阻比过程线发生转折时间基本为应变计埋设后的第3天。

综合上述分析,建议浙江省低弹模混凝土防渗墙内部应变计的初始基准值取48～72 h的读数为宜。

图2 防渗墙应变计实测初期温度及电阻比过程线图

3 防渗墙温度变化分布

图3和图4分别给出了杭州市青山水库防渗墙 (坝0+204.00m)内部温度过程曲线和各时段防渗墙内部温度沿深度分布。

从图3和图4可知,防渗墙浇筑完成后由于水化热的作用导致了温度的上升,在开始浇筑后的第2天或第3天温度达到最高,以后逐步下降,最后趋于稳定,符合混凝土水化热温度变化规律。混凝土凝固后,防渗墙内部温度变化滞后外界气温,且埋设深度越大则滞后时间越长。

从图3和图4可知,防渗墙埋设深度越大,则防渗墙内部温度变化幅度越小。墙体10 m以下各点温度随埋深的变化幅度很小,温度分布介于17.3～19.1℃,基本为恒定温度。墙体顶部下游侧温度变化范围介于11.4～30.9℃,墙体顶部上游侧温度变化范围介于14.6～25.6℃;墙体顶部下游温度变化幅度比上游侧大,这与防渗墙墙前浸润线高度比墙后浸润线高有关。由上述分析可知,防渗墙温度变化严重滞后于外界气温,温度变化集中在墙体顶部一定范围,且下游侧温度变化幅度比上游侧大;墙体中下部温度随埋深的变化幅度很小,基本为恒定温度。鉴于温度影响仅局限于防渗墙顶部一定范围,因此一般防渗墙应力应变计算分析可忽略温度影响。

图3 防渗墙内部温度过程曲线图

图4 防渗墙内部温度沿深度分布图

4 防渗墙应力应变变化分布

为了获得防渗墙混凝土应力应变,须取得混凝土的温度线膨胀系数。将无应力计埋设在应变计 (组)的附近,用来测量混凝土的自由体积变形。无应力计应变观测值代表了测点处混凝土的自由应变ε0,其中包括温度变形、自生体积变形和湿度变形,可以表示为ε0=αCΔT0+G(t)+εw

[2-3]。选择降温阶段的观测资料,认为此时混凝土内部湿度基本不变 (即 G(t)+εw≈0),此时 ε0=αCΔT0,通过无应力计的应变和温度观测值,计算出混凝土温度线膨胀系数αC。由应变计、无应力计观测值和混凝土的温度线膨胀系数αC,通过计算获得防渗墙混凝土应力应变。

图5给出了青山水库防渗墙(坝0+204.00 m)自由应变ε0与温度关系曲线。从图5可看出,各年的混凝土温度线膨胀系数是不同的,一般取多年的平均值;考虑到该防渗墙混凝土的各年变化度较大,综合后取 ac=9×10-6(℃)。

图5 混凝土自由应变与温度关系曲线图

图6给出了青山水库防渗墙(坝0+204.00 m)应力应变时间过程曲线。

图6 青山水库防渗墙应力应变过程曲线图

从图6可看出,在蓄水前由于施工、混凝土温度变化等原因,应力应变变化都较为剧烈,但是总体上仍然呈现出压应变增加的趋势,并且这种趋势前期变化较快,后来越来越小。这是由于前期混凝土在温度、水位、自重等因素的作用下,发生了较快的变形,导致应力应变相应增加速度较快,但是随着防渗墙的稳定和与周围土体的协调,这种变化会逐渐趋于稳定。

图7给出了青山水库防渗墙(坝0+204.00,0+321.00 m)应力应变分布曲线。

图7 青山水库防渗墙应力应变分布图

从图7可看出,防渗墙拉应变主要出现在初期防渗墙上部10～15 m范围内,随着防渗墙自身温度逐渐降低和库水位上升,防渗墙应变逐渐向压应变转化,并逐渐趋于稳定。

由上述分析可知,在蓄水前由于施工、混凝土温度变化等原因,应变计变化都较为剧烈,防渗墙拉应变主要出现在初期防渗墙上部范围内,随着防渗墙内部温度逐渐稳定和库水位上升,防渗墙应变逐渐向压应变转化,并逐渐趋于稳定。

5 防渗墙应力应变回归分析

防渗墙应力应变主要与水压力、温度、自重、湿涨等因素有关。相对于坝体而言,防渗墙的渗透系数较小,水压力荷载将作用在防渗墙上,这无疑是防渗墙产生应力应变的重要因素。在防渗墙浇筑初期,由于水化热的作用,温度应力较大,有时可能会使混凝土产生裂缝,但后来随着水化热的减小,这种应力作用会逐渐减小。在大坝的正常运行期,温度应力主要是由于外界气温变化引起,坝体内部温度变化不大,温度应力主要产生在坝顶附近。坝体在自重和竖向荷载的作用下会产生应力,自重应力主要取决于坝高,在防渗墙浇筑完毕稳定后,自重应力一般不再变化。相关研究资料表明,当坝体混凝土含水率增加到一定值时,湿涨应力是一个常量。影响防渗墙内部应力的另一个主要因素是坝体与防渗墙的弹性模量不同,容易造成坝体与防渗墙的不均匀沉降,使得防渗墙与坝体之间产生摩擦力,当两者弹模相差较大时,摩擦力产生的应力要远大于自重产生的应力[4]。通过以上的分析可以看出,除水压力和温度是经常变化外,其他因素在坝体稳定后变化基本很小。对于除险加固工程来说,坝体和防渗墙工后不久将稳定。因此,下文着重分析大坝正常运行期间水压力、温度与防渗墙应力应变的关系。

防渗墙应变计的实测资料表明,其主要受温度和库水位及应力应变时效特性等影响。防渗墙应力应变的回归模型可概括为[5]:

式中:ε为防渗墙应力应变,且拉应变为正,压应变为负;T为应变计测量点温度(℃);HW为库水位(m);θ为蓄水初期开始的天数除以100;ai(i=0、1、2、3、4、)为回归系数。

基于公式 (1),表2给出青山水库防渗墙(坝0+204.00 m)上游侧应力应变观测值模拟回归系数。图8给出了青山水库防渗墙(坝0+204.00 m)上游侧应力应变模拟曲线。

从表2和图8可看出,防渗墙应力应变与温度、库水位和应力应变时效特性等因素的相关性较好。防渗墙顶部压应变与温度呈正相关,尤其是应变计II-2测点的相关度最显著;中上部应力应变与库水位相关性较小;下部应力应变(如应变计II-24～II-28)受库水位影响较大,与库水位的回归系数为正值且比较大。

由上述分析可知,防渗墙顶部应变受温度影响较大,受库水位影响较小;防渗墙下部应变受温度影响很小,主要受库水位影响。

表2 青山水库防渗墙应力应变模拟回归系数表

图8 防渗墙应力应变拟合曲线图

6 结论与建议

通过杭州市青山水库防渗墙应变监测资料分析,初步得出了低弹模混凝土防渗墙温度和应变变化规律,具体如下:

(1)根据青山水库防渗墙应变计观测资料分析,并考虑低弹模混凝土凝固过程较长,选择混凝土弹模大于应变计自身弹模时的测值作为基准值,建议浙江省低弹模混凝土防渗墙应变计的初始基准值取48～72 h左右时的读数为宜。

(2)防渗墙顶部一定范围内受外界气温变化的影响较大,且墙体顶部温度变化严重滞后于外界气温变化;墙体中下部温度随埋深的变化幅度很小,基本为恒定温度。

(3)防渗墙应变在前期由于混凝土凝固、水化热、库水位、与周围土体的协调等作用下变化较快,后来这种趋势慢慢减缓。拉应变主要出现于初期防渗墙上部,随着墙体温度稳定和库水位升高,逐渐向压应变转化,并逐渐趋于稳定。

(4)防渗墙顶部一定范围应力应变受温度影响较大,防渗墙下部应力应变受库水位影响较大。鉴于温度影响仅局限于防渗墙顶部,故一般防渗墙应力应变计算分析可忽略温度影响。

[1]水利部,电力工业部.SL 60—94土石坝安全监测技术规范[S].北京:水利电力出版社,1994.

[2]南京水利水文自动化研究所.浙江省里石门拱坝观测资料分析总结 (1974—2002)[R].南京:南京水利水文自动化研究所,2004.

[3]Mindess S,Young J F,Darwin D.Concrete[M].2nd ed.New Jersey:Prentice H 1.2002.

[4]王清友,孙万功,熊欢.塑性混凝土防渗墙[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[5]吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用 [M].北京:高等教育出版社,2003.