大型混凝土面板堆石坝的监测和变形研究

2021-08-27石永磊

地下水 2021年4期

石永磊

(新疆水利水电项目管理有限公司，新疆乌鲁木齐 830000)

我国已经建成的混凝土面板堆石坝有170多个[1]。其中40多个的高度超过100 m，例如：水布崖大坝233 m，江平河大坝221 m，三板溪大坝186 m，洪家渡大坝179.5 m，天生桥一号大坝178 m，滩坑大坝162 m。近年来发现，其中的一些大坝在面板上出现了裂缝。

观测大坝变形是为了保障工程安全运行[2]。过大的变形是大坝或其地基潜在问题的唯一表面迹象。观测大坝变形的另一个原因是需要更好地了解土石方的基本设计概念、应力变形特性以及土石方的岩土特性[3]。预测方法的发展，可以确定变形和应力分布，并将预测值与观测值进行比较，这是控制安全生产的非常有效的工具[4]。

本文描述了在水库蓄水期间，利用监测结果验证面板堆石坝设计特性的有点。研究表明，监测结果与有限元分析的实时融合结果显示，混凝土面板的变形在库水位达到最大水位之前达到临界值。这些信息可以给工程团队提供启示，以采取适当的行动，从而防止混凝土面板的开裂。对监测与预测分析结果之间的差异进行实时检测和评价，可以对大坝面板进行重新设计，防止混凝土面板开裂。并以新疆某水利工程的主坝为例进行了说明。

1 混凝土面板堆石坝

1.1 简介

混凝土面板堆石坝(CFRD)的高度可能超过200 m，适合在冻土区域进行修筑。通过使用对冻害不敏感的堆石料类型和施工工艺可以延长施工季节。与土坝建设的总工期相比，混凝土面板堆石坝的总工期平均缩短了一年。缩短的建设时间大大降低了建设成本，这使得使水利水电建设项目更加经济化。有关专家指出，在世界上气候极端的地区，修建这种类型的大坝是最好的选择。大多数已经建成的混凝土面板堆石坝都位于基岩上。然而，也有一些混凝土面板堆石坝是在土基上建造的，除了个别例子，大多数土基上的堆石坝其地基冲积层厚度一般不超过70 m。

1.2 破坏机理

混凝土面板堆石坝安全的主要问题是混凝土面板的变形。在水库蓄水过程中，水的荷载和堆石坝的变形迫使混凝土面板发生变形。混凝土面板起到了防渗膜的作用，面板上的任何裂缝的发展都会让水渗入大坝的堆石层，导致结构的稳定性减弱甚至松动。根据面板堆石坝的工作状态、受力分布和水力特性，对堆石坝填筑材料进行合理分区，在保证运行安全的前提下，充分利用结构开挖材料，减少投资。

在堆石坝施工过程中，由于有效应力的变化以及蠕变和二次时间效应的影响，坝体内部会发生变形。在水库的第一次蓄水期间，大坝和混凝土表面可能会发生相当大的移动。此后，移动速率通常随时间而减小，但与水库周期性升降以及地震或构造板块运动相关的变化除外。在典型的面板堆石坝中，混凝土面板是在堆石坝施工结束后施工的，在水库蓄水过程中，估算混凝土面板的位移并验证这些位移是否低于与混凝土面板结构完整性相适应的位移是非常重要的

2 实例研究

2.1 工程概况

新疆吉音水利枢纽工程位于东经 81°33′，北纬 36°11′，属于新疆和田地区于田县境内，工程距离自治区首府乌鲁木齐1 418 km、距和田市区323 km、距县城120 km，是克里雅河干流上的一项以防洪为主、并且能进行发电的大型水利工程。本文以该工程主坝作为实例进行研究。

2.2 混凝土面板堆石坝参数

表1 混凝土面板堆石坝设计岩土参数

图1 大坝分区结构与有限元分区

大坝建设遇到了一定的困难。在设计阶段，对大坝进行了有限元分析。在分析中，堆石体采用双曲线模型，岩土参数如表1所示。在约1/3的坝高处，混凝土面板的最大变形预测值为0.60 m。前人也进行了有限元分析，计算出混凝土工作面的最大预测位移值为0.653 m。

与已完工工程相比，洪家渡大坝面板挠度为0.45 m，天生桥大坝面板挠度为0.70 m，大坝面板挠度为0.60 m。可认为本工程设计变形过小。

图2展示了大坝的分区结构。蓄水过程中，混凝土面板裂缝开始扩展。裂缝从面板的第一阶段开始扩展。在水库水位达到100 m之前，观测到了255条裂缝。裂缝的一般特征为：宽度小于0.1 mm的195条，小于0.03 mm的54条，宽度为0.3 mm的裂缝6条。混凝土面板裂缝的发展趋势表明，其实际变形比预计的要大，甚至超过了最大允许变形。混凝土面板的变形场与大坝堆石体的一致。堆石料变形较大的原因很可能是现场岩土参数与大坝设计时的值不同。

2.3 混凝土面板堆石坝监测

在水库蓄水初期，利用内部电线引伸仪(图2)监测堆石体内各点的内部位移，进行岩土工程监测。

图2 内部电线引伸仪

监测点的位置如图3所示。

图3 监测点的位置

填满水库期间测得的1-25号点位、1-29号点位和1-32号点位的沉降量分别如图4、图5和图6所示。

图4 1-25号点位沉降量

图5 1-29号点位沉降量

图6 1-32号点位沉降量

3 有限元分析

有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)是一种利用数学方法对真实物理系统进行模拟的方法。其元素(单元)构造简单但又相辅相成，可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

有限元分析是将复杂的问题用较为简单的问题替代，再进行计算。有限元的解集是由很多成为有限元的单元组成，其中每个单元都存在一个相近的解。但由于大多数问题无法得到准确解，有限元的精度能满足大多实际工程的需求，有限元方法能适应复杂问题的求解，并且计算精度很高。是一种工程上适用的手段。

本研究的目的是为了揭示大坝蓄水过程中混凝土面板裂缝的发展规律。研究分为两个阶段，研究的第一阶段是利用表1中给出的岩土参数值来再现前人获得的有限元结果。第二阶段研究是使用一组新的岩土参数进行有限元分析，这些参数的值是利用监测结果进行校准的。有限元分析采用双曲线堆石体模型。使用Sigma/W软件进行有限元分析。有限元模型如图2所示。

首先采用设计岩土参数进行有限元分析，得到混凝土板变形最大值为0.50 m，计算位移如图7所示，与前人、实际工程得到的最大值较为相符。将1-25号点、1-29号点和1-32号点的沉降量与实测沉降量进行比较。前者的沉降量明显小于实测值(图4、图5和图6)。结果表明，预测分析中使用的岩土参数与实测值不符。

第二次有限元分析是利用校准后的堆石体岩土参数进行的。土工参数如表2所示。大坝混凝土面板最大变形为1.18 m(图3)。1-25号点、1-29号点和1-32号点的计算沉降量大于设计阶段的计算值(图4、图5和图6)。