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      高混凝土面板堆石壩面板水平向擠壓破壞研究

      2011-04-28 07:49:38郝巨濤
      水力發(fā)電 2011年3期
      關(guān)鍵詞:堆石壩坡向屈曲

      郝巨濤

      (中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

      1 問題的提出

      隨著面板壩壩高的增加,大壩的混凝土面板開始出現(xiàn)擠壓破壞現(xiàn)象,如我國的天生橋一級面板壩、巴西的巴拉·格蘭特 (Barra Grande)面板壩和坎普斯·諾沃斯 (Campos Novos)面板壩、萊索托的莫哈萊 (Mohale)面板壩等。目前工程中對沿垂直縫的擠壓破壞關(guān)注較多,并提出了一些應(yīng)對方法[1,2],包括防止底部砂漿墊層侵入面板,取消接縫頂部的V形縫口,降低底部銅止水的鼻子高度,設(shè)置墊縫材料防止接縫混凝土直接接觸,接縫部位設(shè)置防剝落鋼筋,增加中央部位面板的厚度,在擠壓邊墻表面涂刷減摩涂料等[1]。另一種擠壓破壞是面板沿水平向 (橫向)的擠壓破壞。在汶川大地震中,紫坪鋪面板壩有26塊面板沿二、三期施工縫發(fā)生了總長達340 m的法向錯動破壞[3]。三板溪面板壩蓄水一年半后發(fā)現(xiàn),面板沿一、二期施工縫發(fā)生了總長達184 m的擠壓破壞,多處鋼筋彎凸、外露[4]。除沿水平施工縫的破壞以外,巴拉·格蘭特、坎普斯·諾沃斯、莫哈萊面板壩的面板曾出現(xiàn)斜向、水平向擠壓破壞[1]。這種水平向擠壓破壞的位置不確定,破壞了面板的整體性,且常處于中下部面板,不易被發(fā)現(xiàn)和定位,處理難度也較大,更應(yīng)給予重視。

      面板的擠壓破壞源于面板中過大的壓應(yīng)變。天生橋一級面板壩的最大坡向壓應(yīng)變?yōu)? 061×10-6,最大水平向壓應(yīng)變?yōu)?48×10-6;三板溪面板壩的最大坡向壓應(yīng)變?yōu)?00×10-6;莫哈萊面板壩的最大坡向壓應(yīng)變?yōu)?50×10-6,最大水平向壓應(yīng)變?yōu)?90×10-6。這類破壞的特點是,擠壓破壞應(yīng)變均小于混凝土的峰值壓應(yīng)變,而后者一般為2 000×10-6左右[5,6]。文獻[2]曾分析了莫哈萊面板壩的垂直縫擠壓破壞,認為其面板接縫內(nèi)的平均壓應(yīng)力遠小于混凝土的抗壓強度,不足以引發(fā)擠壓破壞,擠壓破壞應(yīng)是由接縫頂部的壓力集中造成的。

      目前國內(nèi)外對面板擠壓破壞的了解是初步的,對其發(fā)生機理特別是水平向擠壓破壞的發(fā)生機理尚缺乏認識,盡管老撾的南俄2(Nam Ngum 2)面板壩已經(jīng)為應(yīng)對該種破壞采取了面板加設(shè)箍筋、設(shè)置水平永久縫的措施[7]。由于河床中央部位的面板處于雙向受壓狀態(tài),當兩向壓應(yīng)變水平都較高時,沿垂直縫的擠壓破壞和水平向擠壓破壞還有可能相互影響,目前的工程措施中也還沒有顧及到這種影響。本文對面板的水平向擠壓破壞作了重點介紹,對其成因進行了初步分析,并就相關(guān)問題提出了看法。

      2 高面板壩的水平向擠壓破壞實例分析

      與寬度相比,面板的坡向尺寸大得多。這種斜坡上的長混凝土板的抗裂問題一直為工程界所關(guān)注。面板的裂縫一般可分為三類,包括由混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫 (A型),堆石體沉陷引起的結(jié)構(gòu)裂縫 (B型)和堆石體不均勻位移引起的結(jié)構(gòu)裂縫 (C型)[8]。工程中采取了很多措施應(yīng)對這些可能出現(xiàn)的裂縫。在擠壓破壞進入人們的視線以前,設(shè)計中在大面積受壓區(qū)面板中配置鋼筋的主要目的是限制裂縫的寬度,并沒有考慮鋼筋與面板水平向擠壓破壞的相互作用。這里對一些包含水平向擠壓破壞的工程作一介紹。

      2.1 坎普斯·諾沃斯面板壩[1]

      坎普斯·諾沃斯面板壩壩高202 m,壩頂長590 m,正常蓄水位 660 m,上游壩坡 1∶1.3。工程于2001年8月開始施工,2005年10月10日開始蓄水,一周后水位達到653 m。其間,當水位升至642 m時,中部17/18面板壓性縫出現(xiàn)擠壓破壞,破壞部位在水位以上數(shù)米,滲漏量從30 L/s增至450 L/s;滲漏量和擠壓裂縫穩(wěn)定5日后,破壞快速向上發(fā)展至防浪墻底部,向下至水下535 m高程,滲漏量隨之增至800 L/s,中部面板脫空間隙最大達4 cm;此后,庫水位保持在640~645 m,在60 d內(nèi)滲漏量發(fā)展到1 300 L/s,隨后發(fā)現(xiàn)22/23號垂直縫接縫計記錄變化,25/26號垂直縫在壩頂部位發(fā)生局部位擠壓破壞。這表明擠壓破壞還在發(fā)展。

      2006年6月,由于一條導(dǎo)流洞出現(xiàn)意外,水庫被快速放空。在656 m高程處的二、三期面板之間暴露出長達300 m的橫向水平裂縫 (見圖1),裂縫處混凝土嚴重擠壓剝落,鋼筋變形 (見圖2),據(jù)此認定,水平裂縫系由坡向高擠壓應(yīng)力造成。由于水平擠壓破壞,面板坡向位移達到20 cm,大于水平向位移。

      圖1 坎普斯·諾沃斯壩面板擠壓破壞情況

      圖2 坎普斯·諾沃斯壩面板水平向擠壓破壞

      Pinto[1]根據(jù)裂縫形式及其跨區(qū)域破損的程度,認為沿垂直縫的擠壓破壞首先是在面板中部最大撓度點出現(xiàn),然后向上、下豎向和橫向發(fā)展。并推測面板坡向鋼筋在重力作用下發(fā)生屈曲,同時水位驟降導(dǎo)致面板底部摩擦力大幅度減小,進一步加大了面板的坡向位移。

      2.2 巴拉·格蘭特面板壩[1]

      巴拉·格蘭特面板壩壩高185 m,壩頂長665 m,正常蓄水位 647m,上游壩坡 1∶1.3。大壩于2001年7月開始施工,2005年7月5日開始蓄水。當?shù)?月末到8月初正值雨季,庫水位平均每3 d上升約20 m。2005年9月19日庫水位達到630.3 m時,水庫滲漏量為220 L/s,3 d后庫水位達到634 m,滲漏量增至428 L/s,中部19/20面板垂直縫發(fā)生擠壓破壞。檢查發(fā)現(xiàn),破壞延伸至水下約100 m。同時,22號面板所在的壩頂防浪墻部位也發(fā)生擠壓破壞,破壞部位的面板脫空,脫空間隙最大達12 cm。2005年11月,滲漏量達到1 284 L/s。早期的水下檢查并未發(fā)現(xiàn)面板有水平向擠壓破壞,坎普斯·諾沃斯壩發(fā)現(xiàn)水平向擠壓破壞后,對該壩又進行了仔細檢查,證實在中部壩高位置存在水平向擠壓破壞。

      2.3 莫哈萊面板壩[1,10]

      莫哈萊面板壩壩高145 m,壩頂長540 m,上游壩坡1∶1.4,防浪墻頂部高程2 085.5 m。大壩于2002年11月初開始蓄水,到2003年4月水位快速上升至2 020 m,以后水位上升速度減慢。2004年4月庫水位達到2 043 m,滲漏量為10 L/s。2006年2月因暴雨庫水位由2 063 m猛漲至2 075 m。2月14日大壩監(jiān)測到一次微震,17/18號面板接縫頂部發(fā)生擠壓破壞,18號面板中心線上2 064 m高程的水平向應(yīng)變由 590×10-6減小為335×10-6,滲漏量由13日的69 L/s增至16日的248 L/s。擠壓破壞從面板頂部快速向下發(fā)展,接縫兩側(cè)面板相互貫穿達8~10 cm。1個月后,3月15日~17日,18號面板1 976 m高程處的坡向應(yīng)變由665×10-6減小為263×10-6;同時21號面板2 020 m高程處的坡向應(yīng)變由642×10-6減小為250×10-6,1 976 m高程處的坡向應(yīng)變由311×10-6減小為 125×10-6, 滲漏量由 343 L/s突增至600 L/s。水下檢查發(fā)現(xiàn),17/18號面板的垂直縫破壞在1 980 m高程處向右側(cè)水平向發(fā)展,直至23號面板1 976 m高程位置。值得注意的是,通過2006年2月13日~4月10日面板壓應(yīng)變觀測結(jié)果的變化情況 (見表1)可以看出,垂直縫擠壓破壞和水平向擠壓破壞之間的相互影響歷程。當2月14日17/18號面板垂直縫擠壓破壞時,破壞部位發(fā)生水平向應(yīng)變釋放,此后18號面板下部坡向應(yīng)變逐漸小幅度增加,直至3月16日下部發(fā)生坡向應(yīng)變釋放,出現(xiàn)水平向擠壓破壞。

      表1 莫哈萊壩擠壓破壞期間的面板應(yīng)變變化情況

      3 擠壓破壞的機理分析

      目前,除老撾的南俄2面板壩外,混凝土面板中的鋼筋基本采用單層雙向和雙層雙向布置。根據(jù)天生橋一級水電站的數(shù)據(jù),面板發(fā)生擠壓破壞時的壓應(yīng)變僅為1 000×10-6左右。由于混凝土在這一應(yīng)變水平下還沒有達到受壓破壞的程度,面板也遠沒有達到整體失穩(wěn)的程度,同時參考發(fā)生水平向擠壓破壞的工程實例可以看出,面板內(nèi)部鋼筋發(fā)生受壓屈曲失穩(wěn)致使保護層混凝土開裂并引發(fā)擠壓破壞的可能性很大,Pinto[1]也作出了同樣的推測。

      3.1 擠壓破壞分析模型

      這里以鋼筋混凝土柱為物理模型,對面板的擠壓破壞進行分析 (見圖3)。柱的截面中心有一根直徑為d的鋼筋,周圍為混凝土,柱兩端鉸支,并受壓力P作用。當柱中的鋼筋在P的作用下發(fā)生側(cè)向撓曲時,混凝土將提供一定的側(cè)向壓力p限制鋼筋的側(cè)向變形。該側(cè)向壓力p與側(cè)向撓度w成正比,即p=kw,k為側(cè)向支撐剛度,等于單位桿長在單位撓度下引起的側(cè)向力。該模型中的鋼筋壓桿臨界荷載Pr可由下式給出[10]

      圖3 鋼筋混凝土面板擠壓分析模型

      式中,E為桿的彈性模量,MPa;I為其截面慣性矩,mm4;l為桿長,mm;k為桿的側(cè)向支撐剛度,N/mm2;m為桿的屈曲曲線半波數(shù);l/m為半波長,mm。m可由下式確定

      為了應(yīng)用方便,可由式(1)寫出鋼筋壓桿的臨界壓應(yīng)變 εr

      設(shè)鋼筋直徑d為25 mm,彈性模量E為2.1×105MPa,針對不同的側(cè)向支撐剛度k,可由式(3)得出臨界應(yīng)變εr與桿長l的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn),當l增大到一定程度后,εr不再隨l的增加而降低,半波長也逐漸趨于穩(wěn)定,這應(yīng)是此類屈曲失穩(wěn)問題的重要特點。 k=0.7 N/mm2時的 εr~l關(guān)系見圖 4, l/m~l關(guān)系見圖 5。 由圖中可以得出, εr=1 030×10-6, 屈曲線半波長l/m=866 mm。

      實際上容易判定式(3)是一個關(guān)于變量ξ(l)的上凹曲線,該曲線存在一個極小值點。根據(jù)簡單的推導(dǎo),可由該極小值點得到鋼筋壓桿屈曲時的臨界屈曲應(yīng)變 εr0和半波長(l/m)0為

      圖4 k=0.7 N/mm2時 εr~l關(guān)系

      圖5 k=0.7 N/mm2時 l/m~l關(guān)系

      式(4)說明,模型中鋼筋壓桿的臨界壓應(yīng)變僅與k/E有關(guān),半波長與鋼筋直徑d和k/E有關(guān)。有了k,就可以確定鋼筋壓桿的臨界壓應(yīng)變和半波長。不同k值的εr和l/m見表2,它們既可由式(3)計算并取最小值得到,也可由式(4)直接算出。從中看出,當k>8 N/mm2時,鋼筋的臨界應(yīng)變εr已接近或超過混凝土的極限壓應(yīng)變,則這類由鋼筋屈曲導(dǎo)致的面板擠壓破壞就不會發(fā)生了。因此,設(shè)法提高k值就成了問題的關(guān)鍵。

      表2 k與 εr和l/m的關(guān)系(d=25 mm)

      分析式(4)可知,鋼筋的直徑d對εr沒有影響,但卻與半波長l/m呈線性關(guān)系,而半波長的大小事關(guān)箍筋的間距設(shè)計。對于k=0.7 N/mm2,表3給出了 d~l/m 的數(shù)值關(guān)系, 這時 εr均為 1 030×10-6。 直徑d越大,半波長l/m也越大。

      表3 d與 l/m 的關(guān)系(k=0.7 N/mm2)mm

      以上分析基本符合工程實際,只是由εr=1 030×10-6用式(4)反算出的 k=0.7 N/mm2, 需要經(jīng)過進一步的實驗研究確認。

      3.2 分析結(jié)論

      通過以上分析,可以得出一些十分有意義的結(jié)論:①僅數(shù)米至十幾米長的混凝土中的鋼筋,在壓力達到臨界值時將發(fā)生屈曲失穩(wěn),其臨界屈曲應(yīng)變值εr小于混凝土的峰值壓應(yīng)變,并主要取決于混凝土對鋼筋的側(cè)向支撐剛度,不再隨著鋼筋的進一步加長而降低。②提高鋼筋的側(cè)向支撐剛度k是最有效的提高臨界屈曲應(yīng)變εr的方法,而且當k達到一定值后,可消除由鋼筋屈曲引發(fā)的面板擠壓破壞。提高k值的具體措施主要可以考慮設(shè)置箍筋和提高混凝土的抗拉強度。③臨界屈曲應(yīng)變εr與鋼筋直徑d無關(guān),d值僅影響鋼筋屈曲曲線的半波長l/m,并與l/m呈線性關(guān)系。半波長l/m是確定箍筋間距的重要依據(jù)。

      上面的分析還是十分粗糙的,離實際應(yīng)用還有相當?shù)木嚯x。尤其要指出的是,混凝土對鋼筋的側(cè)向支撐剛度k目前是一個全新的力學(xué)參數(shù),需對其開展深入細致的研究。急需查明的k的影響因素包括鋼筋保護層厚度、混凝土拉伸強度、箍筋 (方式、直徑和間距)等。同時,混凝土面板中鋼筋的實際情況也與圖3所示的分析模型不完全相同,鋼筋并不位于面板中心,鋼筋上下側(cè)混凝土的支撐也不對稱,必定有強有弱,相應(yīng)的數(shù)值分析模型還有待建立。

      4 結(jié)語

      目前一些高面板壩中出現(xiàn)了面板的擠壓破壞。與沿垂直縫的擠壓破壞不同,水平向擠壓破壞由于破壞了原有面板的連續(xù)性,且其發(fā)生部位多位于面板中下部,隱蔽性強,處理難度大,造成的工程危害也較大。如何認識和應(yīng)對這類擠壓破壞,目前國內(nèi)外還沒有達成共識。本文的初步分析結(jié)果說明,這種擠壓破壞極可能是由鋼筋的受壓屈曲失穩(wěn)引發(fā)的,根據(jù)相關(guān)分析得出了這種破壞的特點。筆者呼吁盡快有針對性地開展對這類破壞的機理和工程措施的研究,以便為300 m級高面板壩工程的建設(shè)提供技術(shù)支撐。

      鋼筋在受壓區(qū)混凝土面板中的主要作用是限制裂縫寬度。如果確認這種鋼筋在高面板壩中誘發(fā)了面板的擠壓破壞,除了研究設(shè)置水平向軟接縫和調(diào)整配筋等應(yīng)對措施外,探討在面板局部位置用其他方法替代目前的配筋限裂方法,取消部分配筋,也是情理之中的事,比如采用鋼纖維混凝土面板等[11]。

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