朱錦杰，張 猛，王柳江，李得英

（1.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014；2.河海大學(xué)，江蘇南京，210098；3.黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司公伯峽發(fā)電分公司，青海化隆，810902）

1 工程概述

黃河公伯峽水電站位于青海省循化縣與化隆縣交界處的黃河干流上，是黃河上游龍-青河段規(guī)劃的第四個(gè)大型梯級(jí)電站。壩址以上流域面積143 619 km2，總庫(kù)容6.2億m3，電站裝機(jī)1 500 MW。水庫(kù)正常蓄水位2 005.00 m，校核洪水位2 008.28 m，設(shè)計(jì)洪水位2 005.00 m，死水位2 002.00 m。

大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程2 010.00 m，壩頂長(zhǎng)度429.00 m，最大壩高132.20 m，上游坡1∶1.4，下游坡1∶1.3～1∶1.5。面板混凝土設(shè)計(jì)采用525號(hào)普通硅酸鹽水泥，為二級(jí)配混凝土，標(biāo)號(hào)為C25W12F200。面板間設(shè)垂直縫，面板與趾板和高趾墻間設(shè)周邊縫，壩頂防浪墻與面板間設(shè)水平縫，與兩岸混凝土高趾墻間設(shè)伸縮縫。面板厚度0.3 m（頂部）～0.7 m（底部），共分為38塊，其中34塊寬度為12 m，左右岸4塊寬度6 m。面板采用單層雙向配筋，每向配筋率為0.3%～0.4%。大壩典型剖面見(jiàn)圖1。

工程于2001年8月開(kāi)工，2003年10月堆石體填筑完成并開(kāi)始澆筑面板，2004年7月面板澆筑完工；2004年8月水庫(kù)蓄水，2006年6月機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電，2006年8月樞紐工程竣工。

圖1 大壩典型剖面圖Fig.1 Typical profile of the dam

2 面板應(yīng)變應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置

在面板壩左0+052.50 m、壩左0+111.50 m、壩左0+159.50 m、壩左0+232.50 m及壩左0+304.50 m監(jiān)測(cè)斷面共布置26組三向應(yīng)變計(jì)，每組應(yīng)變計(jì)配置1支無(wú)應(yīng)力計(jì)，用以監(jiān)測(cè)面板混凝土的應(yīng)變應(yīng)力情況，見(jiàn)圖2。

3 面板應(yīng)變

從應(yīng)變計(jì)觀測(cè)成果看，面板應(yīng)變受溫度影響較大，隨溫度升降而增減，高程1 938.00 m以上較顯著；目前，面板內(nèi)大部分應(yīng)變計(jì)處于受壓狀態(tài)，且多數(shù)應(yīng)變測(cè)值趨于穩(wěn)定。見(jiàn)圖3。

3.1 應(yīng)變分布

順坡向中間中下部壓應(yīng)變較大，樁號(hào)0+52.50～0+304.50 m（5-26號(hào)面板）、高程1 900.00～1 960.00 m范圍內(nèi)壓應(yīng)變都在300×10-6以上，其中最大壓應(yīng)變?yōu)?70.5×10-6，對(duì)應(yīng)時(shí)間為2009年6月12日，目前（2012年12月）為702×10-6，出現(xiàn)在14號(hào)面板樁號(hào)0+159.50 m、高程1 938.00 m的SB-43測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖4（a）。施工期面板局部出現(xiàn)拉應(yīng)變，最大值為123.6×10-6，出現(xiàn)在10號(hào)面板樁號(hào)0+111.50 m、高程1 890.00 m的SB-31測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)時(shí)間為2004年5月25日。

水平向壓應(yīng)變較大分布區(qū)域與順坡向有所不同，面板中間上部壓應(yīng)變較大，即分布在樁號(hào)0+052.50～0+232.00（5-20號(hào)面板）、高程 1 900.00～2 005.00 m范圍內(nèi)，其壓應(yīng)變都在300×10-6以上，其中最大壓應(yīng)變?yōu)?14.2×10-6，對(duì)應(yīng)時(shí)間為2011年7月12日，出現(xiàn)在10號(hào)面板樁號(hào)0+111.50 m、高程1 956.00 m的SB-21測(cè)點(diǎn)；目前（2012年12月）壓應(yīng)變?yōu)?56.1×10-6，出現(xiàn)在14號(hào)面板樁號(hào)0+159.50 m、高程1 991.50 m的 SB-36測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖4（b）。施工期面板局部出現(xiàn)拉應(yīng)變，最大為222.6×10-6，出現(xiàn)在樁號(hào)0+111.50 m、高程1 938.00 m的SB-24測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)時(shí)間為2004年5月11日。

圖2 面板內(nèi)部應(yīng)變布置圖Fig.2 Distribution of monitoring points for strains of face slab

圖3 面板應(yīng)變典型測(cè)點(diǎn)測(cè)值過(guò)程線Fig.3 Graphs of strains of the face slab by typical monitoring points

圖4 面板混凝土應(yīng)變分布圖Fig.4 Distribution of strain on the face slab concrete

3.2 面板應(yīng)變類(lèi)比分析

表1為國(guó)內(nèi)外部分面板壩最大應(yīng)變統(tǒng)計(jì)值。公伯峽大壩面板應(yīng)變與同類(lèi)百米級(jí)工程比，其分布規(guī)律基本相同。公伯峽面板應(yīng)變以壓縮應(yīng)變?yōu)橹?，順坡向最大壓?yīng)變?yōu)?70.5×10-6，拉應(yīng)變?yōu)?23.6×10-6；水平向最大壓應(yīng)變?yōu)?14.2×10-6，拉應(yīng)變?yōu)?22.6×10-6。順坡向與水平向較大拉應(yīng)變均出現(xiàn)在施工期，與表中所列舉的大壩基本一致。與同等規(guī)模面板堆石壩相比，面板中間壓應(yīng)變不算大，如160.00m高的阿里亞壩順坡向最大壓應(yīng)變?yōu)?65×10-6，132.50 m高的珊溪壩最大壓應(yīng)變達(dá)952×10-6，178.00m高的天生橋一級(jí)壩最大壓應(yīng)變達(dá)1152×10-6。

4 面板混凝土應(yīng)力

面板混凝土應(yīng)力利用應(yīng)變計(jì)和無(wú)應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)資料采用變形法計(jì)算而得。

面板混凝土彈性模量根據(jù)前期試驗(yàn)取得：

徐變度參考類(lèi)似工程取用：

求得各方向的正應(yīng)力后，就可以計(jì)算出剪應(yīng)力、主應(yīng)力和方向，即：

上式中H代表水平向；P代表順坡向；PH代表45°方向；θ代表主應(yīng)力方位角。

高程1 938 m以上測(cè)點(diǎn)受氣溫影響顯著，以下受溫度影響較弱。面板大部分區(qū)域受壓，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力；順坡向大壓應(yīng)力分布在面板的中下部即壩左0＋52.50～0＋304.50 m（5～26號(hào)面板）、高程1900.00～1 960.00m范圍，與大壓應(yīng)變區(qū)域基本對(duì)應(yīng)，最大壓應(yīng)力11.4MPa；面板上部即高程1985.00m以上出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，達(dá)2～4 MPa，見(jiàn)圖5（a）。水平向大壓應(yīng)力分布在面板的中部即壩左0＋70.50～0＋165.50 m（7-15號(hào)面板）、高程1 930.00～2 000.00 m范圍，最大壓應(yīng)力為7.12 MPa；在面板上部靠左右岸區(qū)域即高程1 985.00 m以上、樁號(hào)壩左0+280.00 m以左及壩左0+060.00 m以右出現(xiàn)拉應(yīng)力，其中右岸上部拉應(yīng)力達(dá)2～4 MPa，見(jiàn)圖5（b）。

2011年12月13日實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力方向與順坡向及水平向較接近，即最大主應(yīng)力方向大致沿順坡向和水平向，最大主壓應(yīng)力為13.13 MPa，與順坡向成30°角，出現(xiàn)在中間中下部，該處歷史最大主壓應(yīng)力13.58 MPa；最大主拉應(yīng)力為4.24 MPa，與順坡向成25.8°角，出現(xiàn)在面板右上角，該處歷史最大主拉應(yīng)力4.88 MPa。見(jiàn)圖5（c）。

面板應(yīng)力分布與同規(guī)模同類(lèi)面板壩分布規(guī)律一致。面板基本處于受壓狀態(tài)，順坡向及水平向最大壓應(yīng)力均未超過(guò)C25混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（11.9 MPa），歷史最大主壓應(yīng)力達(dá)到13.58 MPa，略超設(shè)計(jì)值，但仍小于混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)（16.7 MPa），遠(yuǎn)小于檢測(cè)抗壓強(qiáng)度值（最小值29.8 MPa），而且大壓應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在面板中間中下部，處于三向受壓較好的受力狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似天生橋一級(jí)面板發(fā)生的擠壓破損情況。面板局部，如面板上部水平向左右岸附近及面板中間上部順坡向出現(xiàn)拉應(yīng)力，超過(guò)C25混凝土軸心抗拉強(qiáng)度，可能出現(xiàn)裂縫等情況，但面板配有鋼筋會(huì)限制裂縫的發(fā)展，只要及時(shí)維護(hù)處理，能保證面板運(yùn)行安全。

表1 國(guó)內(nèi)外部分面板壩最大應(yīng)變統(tǒng)計(jì)值Table 1 Statistics of maximum strain of some concrete face rockfill dams both at home and abroad

圖5 面板混凝土應(yīng)力分布圖Fig.5 Distribution of stress on the face slab concrete

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算成果

采用“土石壩靜、動(dòng)力流固耦合可視化分析軟件”建立三維有限元計(jì)算模型。網(wǎng)格剖分按面板分縫進(jìn)行，地面完全以實(shí)際開(kāi)挖線為界。單元剖分時(shí)考慮了材料分區(qū)、觀測(cè)儀器的埋設(shè)高程、施工填筑順序等。本模型共劃分三維有限元單元20 330個(gè)，節(jié)點(diǎn)22 649個(gè)。

根據(jù)壩體填筑階段壩左0+075.00 m斷面、壩左0+130.00 m斷面與壩左0+230.00 m斷面的內(nèi)部變形觀測(cè)資料反演及2004年8月～2011年8月的大壩表面變形資料反演得壩體堆石E-B模型參數(shù)及流變參數(shù)，應(yīng)用此反演參數(shù)對(duì)堆石壩面板應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

順坡向應(yīng)力：大壩蓄水后，在大壩堆石自身流變和水荷載作用下，面板產(chǎn)生法向撓度，同時(shí)面板沿壩軸向中間受壓、兩側(cè)受拉，面板中部的應(yīng)力最大，兩頭較小。應(yīng)力最大值發(fā)生在大壩河床部位面板的中部附近，最大壓應(yīng)力為3.6 MPa。見(jiàn)圖6（a）。

水平向應(yīng)力：河床中間段面板向溝谷中間的擠壓變形，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，并向兩側(cè)逐漸減小，最大壓應(yīng)力為8.7 MPa；而在壩體向河谷拖拽過(guò)程中，兩岸山體對(duì)面板產(chǎn)生約束作用，所以?xún)砂抖蚊姘灞憩F(xiàn)為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為6 MPa。見(jiàn)圖6（b）。

圖6 面板應(yīng)力計(jì)算值分布圖Fig.6 Distribution of calculated stress of the face slab

6 實(shí)測(cè)成果與結(jié)構(gòu)計(jì)算成果的對(duì)比分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算目前面板順坡向最大壓應(yīng)力發(fā)生在主壩河床最深處面板的中部附近（10號(hào)面板的中部附近），最大為3.6 MPa；實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在14號(hào)面板樁號(hào)左0＋159.50 m、高程1 938.00 m處（14號(hào)面板的中部略偏下處），為11.4 MPa，計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值，且發(fā)生部位略有不同，但兩者分布均呈面板中下部壓應(yīng)力最大、中間上部為拉應(yīng)力，分布規(guī)律基本一致。

結(jié)構(gòu)計(jì)算面板水平向最大壓應(yīng)力發(fā)生在大壩河床面板靠近河谷段的中下部（10號(hào)面板的中下部），最大值為8.7 MPa，最大拉應(yīng)力發(fā)生在壩頂部?jī)蓚?cè)靠近山體部位的面板，最大值為6 MPa。實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)力為7.12 MPa，出現(xiàn)在10號(hào)面板中上部，最大拉應(yīng)力2.52 MPa，發(fā)生在右岸面板頂部（5號(hào)面板高程1 991.50 m處）。實(shí)測(cè)壓應(yīng)力較計(jì)算值略小，雖然發(fā)生在同一塊面板但高程略有不同；拉應(yīng)力實(shí)測(cè)值較計(jì)算值小，位置也有所差別，原因是結(jié)構(gòu)計(jì)算的最大拉應(yīng)力處未布置監(jiān)測(cè)儀器，故未能監(jiān)測(cè)到。

7 結(jié)語(yǔ)

面板應(yīng)力應(yīng)變實(shí)測(cè)資料與有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算成果表明：面板應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值極值及發(fā)生部位略有不同，但二者的成果均顯示面板應(yīng)變應(yīng)力在一定范圍內(nèi)變化，與同類(lèi)型同規(guī)模面板堆石壩相比，面板應(yīng)力應(yīng)變不大，測(cè)值分布基本合理，規(guī)律正常，面板結(jié)構(gòu)應(yīng)力在合理范圍內(nèi)。

[1]朱錦杰.天生橋一級(jí)大壩面板應(yīng)力分析[J].水力發(fā)電,2005.

[2]朱錦杰，張猛.公伯峽水電站面板裂縫成因和危害性分析專(zhuān)題報(bào)告[R].國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)大壩安全監(jiān)察中心,2012.