豐滿混凝土重力壩及凍脹變形分析

1、豐滿混凝土重力壩的凍脹變形分析盧正超，張進平，黎利兵，趙春，李素梅中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100044摘要：本文根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的凍脹變形機理、典型混凝土試件冰凍變形過程并結(jié)合豐滿大壩的溫度過程特點，定性地解釋了壩頂位移測值的歷年“雙峰”現(xiàn)象，界定了凍脹變形的涵義；采用溫度等效變形的有限元分析說明受凍脹影響，壩頂廊道處的位移除上抬外還會有向上游的水平位移；利用包含冰凍因子的統(tǒng)計模型對壩頂位移的分析表明豐滿大壩的加固工程對減小凍脹變形的影響確實起到了一定作用，位移測值“雙峰”現(xiàn)象已不明顯，但仍存在凍脹變形，表現(xiàn)出季節(jié)性的凍脹變形且時效變形仍有一定的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：豐滿混凝土重力壩，凍脹變形

2、，變形分析，補強加固，老化評估 1豐滿大壩的凍脹問題豐滿混凝土重力壩位于東北嚴(yán)寒地區(qū)，坐落在吉林省吉林市東南24km的第二松花江上。大壩最大壩高91m，壩頂全長1080m，分為60個壩段，壩段長18m， 9#19#為溢流壩段，21#31#為發(fā)電取水壩段，其它為擋水壩段。大壩于1937年開始施工，1942年11月下閘蓄水，1943年第一臺機組發(fā)電，1953年大壩全部完工，從水庫初期蓄水至今已運行60余年。大壩施工質(zhì)量較差， 從1954年1986年陸續(xù)進行了補充勘探、維修、補強、加固，大壩帶病基本維持正常運行。在1986年以后對大壩進行了全面補強加固，至1997年底基本完成。補強加固的主要措施之一

3、是壩頂加高1.2m至267.7m高程以及上下游面外包混凝土，一般為挖0.4m，澆1.0m，即加厚0.6m，但溢流面加厚1.2m。19852004年上下游水位、氣溫測值過程線見圖1。期間最高庫水位264.73m，最低225.10m。下游水位在195.89189.96m間變化。氣溫通常每年1011月出現(xiàn)負溫，持續(xù)到次年34月。圖1 1985年以來上下游水位及氣溫測值過程線圖2 上游水位及壩頂激光位移過程線在數(shù)十年長期運行過程中豐滿大壩發(fā)生了較嚴(yán)重的老化病害，包括表層的疏松開裂局部剝落、溢流面鼓包及大面積沖毀、壩頂抬高、水平施工縫脫開、溶蝕等。就變形監(jiān)測而言，壩頂沉陷水準(zhǔn)觀測資料顯示的壩頂抬高問題從

4、1963起便引起人們的注意。壩頂垂直位移的突出特點是歷年“雙峰”現(xiàn)象及長期抬高的趨勢性變化，如圖2所示。經(jīng)多方面的研究排除了觀測誤差、壩基變形、堿骨料反應(yīng)等的影響，認(rèn)為壩頂抬高是凍脹引起的1。春汛的影響也可排除，因為位移“雙峰”的初次峰值多發(fā)生在春汛之前，無春汛年份亦有“雙峰”現(xiàn)象。壩頂廊道廊道引張線及真空激光準(zhǔn)直水平位移的觀測資料顯示，壩頂水平位移實際上也存在“雙峰”現(xiàn)象，如圖2所示。如何更好地分析、解釋歷年“雙峰”現(xiàn)象及趨勢性變化，對于了解、評價凍脹對變形性態(tài)的影響以及進行大壩的老化評估是很有意義的。本文從混凝土結(jié)構(gòu)的凍脹變形機理解釋了“雙峰”現(xiàn)象的形成機制，利用有限元等效模擬計算說明冰凍

5、作用對壩頂處的垂直及水平位移的影響，最后利用包含冰凍因子的統(tǒng)計模型對1997年1月至2004年12月時段壩頂廊道真空激光準(zhǔn)直觀測的垂直及水平位移資料進行了分析。2混凝土的凍脹機理及大壩的凍脹變形混凝土結(jié)構(gòu)中的冰凍作用是一個歷時較長的復(fù)雜的物理過程，其具體的作用機制至今尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識。主要有三種解釋2：（1）水結(jié)冰后體積增加9%，在混凝土內(nèi)部孔隙中形成水壓力。在超過混凝土的抗拉強度時，混凝土發(fā)生破壞；（2）冰透鏡體的形成。由于混凝土中大一些的結(jié)冰的孔隙的蒸汽壓力與小一些的存在自由水的孔隙不同，使得自由水往結(jié)冰處流動并即結(jié)成冰，由于冰與水的體積差異，自由水受到擠壓，從而第一種機制發(fā)生作用；（3

6、）滲透作用?；炷林锌紫端械奈镔|(zhì)如石灰、鹽等對水的冰點有影響。由于這些物質(zhì)不會進入冰中，結(jié)冰處附近的物質(zhì)濃度隨著冰的形成逐漸升高。在滲透作用下，其他孔隙的水會往結(jié)冰處流動，從而降低物質(zhì)濃度，使得結(jié)冰持續(xù)進行。尚未結(jié)冰的孔隙水受到擠壓，形成了水壓力。混凝土的冰凍作用取決于多種因素的共同作用：（1）混凝土的飽和度；（2）混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)；（3）混凝土的孔隙水化學(xué)成分；（4）負溫作用（冰凍速率、冰凍周期長度）等。混凝土孔隙水結(jié)冰往往存在超冷現(xiàn)象（低于零度仍不結(jié)冰）。從混凝土耐久性的角度來看，混凝土的反復(fù)冰凍作用是一種漸進破壞過程（凍融破壞），會導(dǎo)致混凝土的強度（抗拉、抗壓、抗折）降低、彈模下降和/

7、或質(zhì)量損失等質(zhì)量劣化，凍融破壞過程實際上是水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)由密實體到松散體的過程，而在這一發(fā)展過程中，又伴隨著裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，但水化產(chǎn)物成分基本保持不變，基本上是一物理變化過程3。從結(jié)構(gòu)變形的角度來看，混凝土結(jié)構(gòu)的在冰凍作用下，在冰凍范圍自外往里逐漸擴展過程中除溫降作用下的收縮外還會產(chǎn)生一定的膨脹，冰凍范圍自外往里逐漸消退過程除溫升作用下的膨脹外還會產(chǎn)生一定的收縮。此外，在反復(fù)冰凍作用，混凝土結(jié)構(gòu)還會產(chǎn)生殘余的膨脹變形。因此，即所謂混凝土的凍脹變形應(yīng)包括這三方面的涵義。圖3 典型混凝土試件長度及溫度關(guān)系圖4圖432#壩段頂部壩體負溫區(qū)變化采用美國“ASTM C671-94混凝土試樣承受冷凍時臨界

8、膨脹的試驗方法”4測試混凝土試件，典型的試件長度及溫度關(guān)系見圖3。試件為圓柱形，直徑75mm，高度150mm。根據(jù)圖3所示變形過程可知，如試件承受的溫度變化過程如同豐滿大壩壩址氣溫，在低溫季節(jié)的“凍結(jié)融解”過程中，若試件很快凍透，試件的變形過程將出現(xiàn)兩個峰值；若試件不能凍透，將只出現(xiàn)一個峰值。因此，如果豐滿大壩混凝土的凍脹變形過程如圖3所示，由于豐滿大壩不會被凍透，因此，在冬春季結(jié)冰及化凍過程中將只出現(xiàn)一個峰值，加上高溫季節(jié)的一個峰值，將形成歷年“雙峰”現(xiàn)象。3凍脹變形的有限元等效模擬由于混凝土凍脹的物理過程的復(fù)雜性，混凝土大壩凍脹變形難以直接模擬計算。對于豐滿大壩，壩體縱縫及水平縫結(jié)冰對壩頂

9、位移的會構(gòu)成影響，可稱之為離散的局部凍脹對位移的影響。但實際上可以進行均質(zhì)化等效?，F(xiàn)采用等效溫度變形的方法模擬混凝土的凍脹變形（假定凍脹變形均勻、各向同性），以便對廊道處的監(jiān)測變形的性態(tài)形成認(rèn)識。對32#壩段進行了有限元分析。根據(jù)實測資料，豐滿混凝土大壩的負溫區(qū)域如圖4所示2。考慮到負溫區(qū)并不等于凍脹區(qū)，且計算的目的是定性分析，計算時對凍脹區(qū)進行了簡化。有限元計算采用MSC.Marc按線彈性求解。計算中采用較簡單的材料分區(qū)，即大壩混凝土彈模Ec=18GPa/15GPa (220m以下/220m以上)，基礎(chǔ)彈模Er=18 Gpa，熱膨脹系數(shù)=10´10-6/。計算了多種工況，凍深模擬了

10、1m，3m及5m等三種情況（上游面至245.0m高程，下游面至201.6m高程）。溫升試算了多種方案，確定溫升50時的計算垂直位移與實測位移分析結(jié)果較為接近。計算結(jié)果表明：（1）壩頂廊道處受凍脹影響產(chǎn)生向上的垂直位移的同時，也有向上游的水平位移。凍脹影響最大抬高出現(xiàn)在壩頂下游側(cè)，最大的向上游的水平位移出現(xiàn)在壩頂上游側(cè)。（2）計算結(jié)果中水平向位移是鉛直向位移的710倍。對于32#壩段早期測值統(tǒng)計分析結(jié)果中，兩向位移的凍脹分量變幅分別為8.07mm和2.28mm，相差近4倍。定性來看，兩者結(jié)果是一致的,其差別可能由多種因素引起。4壩頂位移的統(tǒng)計模型分析利用包含冰凍因子的統(tǒng)計模型對壩頂激光水平、垂直

11、兩向位移進行了分析。統(tǒng)計模型的分量組成如下：水位分量：H、H2、H3和H4，其中H=(h-200)/70，h為測時當(dāng)天平均水位；溫度分量：Sin(s)、Cos(s)、T7、T15、T30、T60、T90、T120，其中，t為測時距分析起始日期的時間長度（天），Ti表示測時前i天的平均氣溫；時效分量：t，ln(1+t)，e-kt。其中t為時間長度，k=0.01。凍脹分量：ISin(2s)、ICos(2s)、ISin(4s)、ICos(4s)、ISin(8s)、ICos(8s)、I15-7，I15-15，I15-30，I30-7，I30-15，I30-30凍脹分量中三角函數(shù)前的字符“I”表示“凍脹

12、因子”以區(qū)別同一模型中的周期函數(shù)，s=2(t- t0)，t為時間長度，t0為分析起始時期到同年11月1日的時間距離（天數(shù)）。上述各因子的無效時段（數(shù)值歸零階段）按最小者計算。氣溫滯后作用因子Ii-j，i為氣溫滯后影響的時間長度；j為滯后影響時間之前的所取平均溫度的天數(shù)。應(yīng)該說明的是，考慮凍脹影響統(tǒng)計模型中的水位分量、時效分量同一般統(tǒng)計模型，但在溫度分量中去掉半年周期因子。此外，混凝土結(jié)冰后熱膨脹系數(shù)會有所增大，溫降收縮及溫升膨脹的影響也會增加。在對位移進行回歸分析時，零上或零下溫升溫膨脹溫降收縮直接歸之于溫度因子，反復(fù)冰凍作用下的殘余膨脹變形，則歸結(jié)到趨勢性變形的時效因子中。利用上述模型對壩頂

13、激光水平、垂直兩向位移進行了分析。凍脹問題最為顯著的47#以及位移變幅最大的35#壩段的回歸結(jié)果見表1。表1傳統(tǒng)與考慮凍脹兩種模型回歸結(jié)果統(tǒng)計表 （單位：mm）編號分析時段模型方程復(fù)相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差V35I19850104-19881207Y=-36.09+26.37e*k*t+0.1596t+0.5926LN(1+t)+28.53h-17.05h*2-01I307+0.3820E-01I3015+1.752ISIN(2s)-0.8215ISIN(4s)+0.2220ICOS(4s)-0.1116ISIN(8s)0.98310.18V47I19850104-19881207Y=-56.43+42

14、.46e*k*t+0.2720t+0.8897LN(1+t)+37.38h-23.04h*2-3.553SIN(s)-1.430COS(s)-0.1390T0120-0.1363E-01I157+2.769SIN(2s)+0.1494ICOS(2s)-1.382ISIN(4s)+0.8103E-01ICOS(4s)-0.3267ISIN(8s)0.97650.19D35I19850111-19881207Y=39.73-19.32e*k*t-0.1759t-56.37h+49.11h*3+7.088SIN(s)+8.434COS(s)+0.2271T090+0.2827T0120+0.2820

15、E-01I1530+0.1379I307-0.1138I3015-6.881ISIN(2s)+1.599ISIN(4s)+0.5530ISIN(8s) 0.99130.56D47I19850111-19881207Y=34.10-17.74e*k*t-0.1586t-41.79h+36.26h*3+3.271SIN(s)-6.060ISIN(2s)-0.4605ICOS(2s)+2.048ISIN(4s)+0.5952ISN(8s)0.99060.51分析得到了以下幾點認(rèn)識：（1）1997年大壩加固后，對減小凍脹變形的影響確實起到了一定作用，兩個方向的位移，特別是垂直位移，測值中“雙峰”現(xiàn)象已

16、不明顯。這可歸結(jié)到兩個原因：其一，壩頂?shù)募痈呒跋掠渭雍袷沟膲误w溫度場發(fā)生變化，負溫區(qū)域的位置有一定的提高，凍脹變形的區(qū)域的位置也發(fā)生了一定的變化；其二，壩頂以下10m范圍的鋼筋加固等措施所產(chǎn)生的變形約束對減小凍脹變形產(chǎn)生有利的影響。（2）對豐滿大壩而言凍脹變形依然存在，這兩個方向位移中仍表現(xiàn)出季節(jié)性的凍脹變形且時效變形有一定的發(fā)展趨勢。因為凍脹條件是客觀存在的，不可能徹底“根除”。以歷史上凍脹問題較為嚴(yán)重的47及附近各個測點的水平位移測值為例做一說明。圖5為這幾個測點的測值過程線，從中可以看到歷年24月份有類似早期“雙峰”變化的現(xiàn)象，2002年測值無此現(xiàn)象是因為45月份無測值。由于1997年之

17、后的24月的測值每月僅一次，因此不可能象早期測值序列那樣表現(xiàn)出凍脹變形影響的全貌。判斷出激光水平位移中仍受到一定凍脹變形影響的另一個根據(jù)是回歸分析的結(jié)果，47壩段不設(shè)凍脹因子的統(tǒng)計模型回歸結(jié)果過程線見圖6，其中溫度分量的最大值（向下游方向位移）出現(xiàn)在1112月份，提前日平均最低氣溫一個月左右，顯然受到了凍脹變形（向下游方向位移）的影響。設(shè)凍脹因子的統(tǒng)計模型回歸結(jié)果過程線見圖7。（3）壩頂激光測點位置水平位移存在一定變幅向上游方向的時效位移（最大值在3mm左右），大致有一左岸測點變幅大于右岸的分布規(guī)律。按最大時效分量的變幅估計，近8年之間的年平均變化率為0.37mm/年左右，從時效分量的變化形態(tài)

18、來看，雖然沒有明顯加速現(xiàn)象但仍以一定的速率在發(fā)展。圖8為靠右岸的24個測點時效分量及變化速率過程線，從中可看到壩頂水平位移時效仍以一定的速率在發(fā)展的情況。（4）垂直位移的時效分量各測點變幅在0.003.10mm之內(nèi)。與水平位移的時效分量的分布情況類似，變幅大致有一左岸大、右岸小的分布規(guī)律。5結(jié)語（1）根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的凍脹機理、典型混凝土試件冰凍變形過程，并結(jié)合豐滿大壩不會被凍透的溫度過程的特點可以很好地解釋了壩頂位移測值的歷年“雙峰”現(xiàn)象；圖5壩頂激光水平位移代表性過程線圖647壩段不設(shè)凍脹分量的回歸結(jié)果過程線圖7 47壩段設(shè)凍脹分量的回歸結(jié)果過程線圖8右岸壩頂水平位移時效分量過程線（2）從結(jié)構(gòu)變形的角度來看，混凝土大壩的凍脹變形包括：在冰凍作用下冰凍范圍自外往里逐漸擴展過程中在溫降作用下收縮的同時產(chǎn)生一定的膨脹，冰凍范圍自外往里逐漸消退過程在溫升作用下膨脹的同時產(chǎn)生一定的收縮以及在反復(fù)冰凍作用下產(chǎn)生殘余