坝前基岩高坎对高拱坝坝踵应力的影响

坝前基岩高坎对高拱坝坝踵应力的影响
徐福卫;陈海玉
【摘要】针对高拱坝坝踵易开裂这一问题,以200 m高的科恩布赖茵拱坝为例,分析了该坝坝前高坎对坝踵应力的影响,认为坝前基岩高坎与坝体相结合的这种方式对拱坝坝踵应力有不利影响,会导致坝踵发生严重开裂.
【期刊名称】《水电与新能源》
【年(卷),期】2010(000)001
【总页数】3页(P25-27)
【关键词】高拱坝;基岩高坎;坝踵
【作者】徐福卫;陈海玉
【作者单位】襄樊学院土木工程系,湖北,襄樊,441053;襄樊学院土木工程系,湖北,襄樊,441053
【正文语种】中文
【中图分类】TV642.4
1 问题的提出
在近 150年的发展历史中,拱坝以其独有的强超载能力及自调节性能在世界各国的坝工实践中得到了很大的发展。

然而,拱坝的开裂现象却几乎和拱坝的历史一样久远。

我国现行混凝土拱坝设计规范对坝体拉应力的控制,体现了基本上不允许坝体开裂的设计指导思想。

拱坝是 3边固定且以承受压应力为主的高次超静定结构,容
易因应力集中或局部缺陷而开裂。

特别是高拱坝,坝踵区常常会发生局部开裂,但这种局部开裂,只有当其发展到一定程度时,才会危及坝体安全。

纵观一个多世纪以来国内外拱坝开裂事故,高拱坝的开裂在拱坝开裂事故中占有相当大的比重,坝踵开裂尤为普遍。

随着国家西部大开发战略的进一步实施以及国家电力能源结构的调整,我国西部(特别是西南地区)的水电能源开发正如火如荼地进行,正有一批 300 m级的高拱坝待建和正在修建,为此研究高拱坝坝 -基结合方式的敏感性,从以往坝踵开裂的工程实例吸取经验教训,对我国今后高拱坝建设以及运行管理乃至对高拱坝设计准则的完善都有十分重要的意义。

本文结合奥地利 200 m高的科恩布赖茵拱坝工程实例,基于前置共轭梯度理论的有限单元法对坝体和地基应力进行三维有限元分析,对高拱坝坝 -基结合方式的敏感性进行分析,并对科恩布赖茵拱坝坝踵开裂的成因进行讨论。

2 工程实例
科恩布赖茵(Kölnbrein)坝[1-2]位于奥地利南部卡林西亚 (Carinthia)马耳塔(Malta)河上,坝顶高程1 902 m,坝底高程 1 702 m,坝高 200 m,坝顶长626m,坝顶、坝底的厚度分别为 7.6 m和 36 m,两岸坝座处最大厚度 42 m,坝体混凝土量160万 m3,是 1座极薄的双曲拱坝,由奥地利öDK公司于 1974～1977年间修建,是当时欧洲运行中最高的 1座拱坝。

由于经济原因,高拱坝一般采用分期封拱、分期蓄放水的施工方式。

科恩布赖茵大坝 1976年开始部分蓄水,到 1977年蓄水至最高水位以下 50 m,占水库蓄水总量的50%。

在此之前的蓄水过程中无任何异常情况发生。

但当 1978年库水位首次超过1 860m高程时,却观测到了一系列异常情况:基础廊道内排水孔中滲透流量达 200 L/s;中间最高坝段坝基扬压力及裂隙水压力达 100%的库水压力;下游坝址有上抬趋势。

由于发生了未曾预料到的现象,无法继续蓄水。

对观测资料的分析表明,坝踵地
基附近很可能存在一个受拉区,因而损坏了灌浆帷幕。

随后进行的钻孔岩芯、电视摄像检查等都证实了上述结论,在坝踵区产生了从坝表面斜向下发展至地基的裂缝,并撕裂了灌浆帷幕,坝踵开裂如图 1所示。

图1 科恩布赖茵大坝坝踵开裂坝段的横剖面图
经补强后,水位继续上升,当 1983年水位超过1 890 m高程时,拱坝工作性态进一步恶化,滲流量在最高水位时达 1 000 L/s。

随后的探测工作证实,在紧靠原裂缝并在其下游侧又出现了一条与其大致平行的斜向贯穿性裂缝,并在坝面出露于铺盖之上,因而滲漏量很大。

根据对观测资料的分析,第二次发生裂缝的水位大致为 1 890 m 高程。

1988年经奥地利政府批准,采用由瑞士坝工专家龙巴迪博士提出的加固方案,于 1994年完成,至此才完成了该坝 10余年漫长的修补过程。

据报道,该坝用于加固工程的费用已超过原坝的造价。

因此,坝踵开裂对坝体的危害是相当大的,必须予以注意。

3 坎体及地基应力的有限元分析
(1)计算模型的建立
为了更好地分析坝前基岩高坎对高拱坝坝踵应力的影响,笔者建立了两个不同的有限元计算模型,一个是根据本工程的实际情况生成的三维模型,一个是去掉本工程的坝前高坎生成的三维模型。

两个计算模型的三维有限元计算模型及其典型剖面如图2、图 3所示。

图2 三维计算有限元模型图
图3 计算模型典型剖面图
(2)计算参数的选取
为研究高拱坝坝踵抗裂特性,在进行计算时采用该工程开裂时的水位,即计算工况为1 860m高程水位(158.00m水头)和自重的联合作用。

(3)计算成果分析
从两个模型拱坝坝踵的应力特征可以看出,在此工况荷载作用下两个模型拱坝坝踵都出现了拉应力,拉应力区见图 4所示。

由于坝前高坎的存在,使得坝踵附近的受拉区从地基内上升至坝体内,而在不带坎的计算模型中坝体与带坎模型中相同的高程位置,其拉应力值较小,只有 0.21 MPa,没有超过坝踵混凝土的抗拉强度 1.3 MPa,此处应该不会开裂。

带坎模型中坝踵处的拉应力值为 2.48MPa和不带坎的模型坝踵的拉应力最大值为 2.88MPa,都超过了混凝土和岩体的抗拉强度,坝踵处应会出现裂缝。

图4 两个模型的拉应力区
同时两个模型坝踵的拉应力值都超过了混凝土的抗拉强度,在此处应该会有裂缝的出现。

但对两个模型来说,裂缝的出现对坝体产生的危害却是完全不一样的。

对于不带坎模型的裂缝,我们可以采取措施让其往地基中扩展,只要裂缝的扩展不破坏防滲帷幕,对坝体的安全运行的危害就较小;而带坎模型中因受坝前地基高坎的约束(不带坎模型与带坎模型只有此处不同),导致拉应力区出现在坝体中,受这个拉应力区的影响,裂缝自上而下直接往坝体中扩展,这样势必对坝体有一个剪断作用,使得本来很薄的坝体变得更薄,削弱拱坝悬臂梁的作用。

随着裂缝的扩展,水压力的入侵,拉应力区的后移,很可能会出现贯穿性的裂缝(如图 5)。

而在实际工程中,和上述分析非常吻合,如图 1所示,科恩布赖茵大坝在刚刚建成后第一次蓄水过程中,坝踵处出现了两条贯穿性的裂缝,导致水库严重漏水,大坝承受的扬压力达到库水压力的 100%,给大坝的安全运行造成严重的危害,使该坝经历了十几年的修复过程[3-4]。

图5 两个模型的裂缝发展情况
很明显,坝体前的高坎(与坝体相连)对坝体的影响较大,虽然对大坝在自重荷载作用下的应力状态有积极的作用,但它在增加水荷载作用时对坝踵的应力影响却很大。

因受坝前高坎的约束,使得本来应该出现在地基中的拉应力区提升到坝体中,这样裂缝的出现就不是往地基中发展,而是在坝体中往大坝下游发展,从而有可能将拱冠梁
剪断,削弱拱坝中悬臂梁的作用,甚至出现贯穿性裂缝,导致严重漏水,科恩布赖茵大坝坝踵开裂的一个主要原因很有可能就是这个坝前高坎造成的。

4 结论
(1)坝踵裂缝首先发生在坝踵角缘应力集中处,且自上而下向坝内扩展,库水压力是引起裂缝的主要荷载。

(2)坝踵前高坎的存在加剧了坝踵附近的应力集中,改变了坝踵附近拉应力区的位置。

(3)应重视高拱坝坝与坝基的联接设计,坝踵区较高的坎不宜与坝体固结,宜与坝体脱开。

参考文献:
【相关文献】
[1]汝乃华,姜忠胜.大坝安全与事故·拱坝[M].北京:水利水电出版社,1995.
[2]Lombardi G.Kölnbrein Dam:an unusual solution for an unusual problem[J].Water Power
＆Dam Construction,1991(6):31-34.
[3]田斌,夏颂佑.高拱坝坝踵开裂机理研究进展[J].水电站设计,1997(4):1-6.
[4]夏颂佑,鲁慎吾.Kölnbrein拱坝坝踵开裂机理探讨[J].水电站技术,1993(3):26-33.。