趙其興

(1．貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽 550002;2．中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

貴州省境內(nèi)第一座全壩外摻氧化鎂(MgO)混凝土拱壩是建于2001年的沙老河拱壩，該壩在兩壩端產(chǎn)生了多條豎直、徑向分布的貫穿性裂縫［1］。三江拱壩在總結(jié)沙老河拱壩經(jīng)驗的基礎(chǔ)上于2003年建成并獲得成功，成為貴州省運用全壩外摻MgO混凝土拱壩技術(shù)的范例［2-5］，其在兩壩端設(shè)置誘導(dǎo)縫的經(jīng)驗先后在落腳河、馬槽河、老江底、魚簡河、黃花寨等拱壩工程得到推廣應(yīng)用［6-7］。

筆者結(jié)合三江拱壩長達(dá)十年的原型監(jiān)測資料［8］，以分析正倒垂觀測資料為主線，從拱壩宏觀變形角度討論混凝土外摻MgO后的工程意義。

1 大壩溫控設(shè)計

三江水庫是貴陽市北郊水廠的主要水源，總庫容687萬m3，為年調(diào)節(jié)小(一)型水庫。大壩為全壩外摻MgO混凝土雙曲拱壩，壩高71.5 m，壩頂弧長137.538 m，頂寬4m，底厚10.482 m。

設(shè)計時采用中國水利水電科學(xué)研究院的Saptis程序［9］進(jìn)行了多種溫控措施方案下的仿真計算，對比分析了無膨脹補償、單純膨脹補償、補償加少量縫等溫控方案。仿真計算表明三江拱壩由于壩體薄、散熱快，完工后第一個冬季即可回落至環(huán)境溫度。

在無MgO混凝土膨脹補償作用時，拱壩基礎(chǔ)約束區(qū)出現(xiàn)大范圍拉應(yīng)力，兩壩端拉應(yīng)力超過3.75 MPa，拱冠梁拉應(yīng)力達(dá)到1.86 MPa，大壩將開裂。在考慮MgO混凝土膨脹補償作用后，壩高40m以下部位應(yīng)力滿足抗裂要求，補償作用效果明顯，但兩壩肩有超過2.0 MPa的拉應(yīng)力，仍需輔以其他溫控措施。在兩壩肩1145 m高程各設(shè)一條誘導(dǎo)縫后，除基礎(chǔ)面局部應(yīng)力集中部位外，壩體拉應(yīng)力明顯改善且大都在1.5 MPa以內(nèi)，見圖1。在此基礎(chǔ)上，最終選擇了在兩壩肩各設(shè)置一條誘導(dǎo)縫并全壩外摻MgO混凝土的溫控措施方案。

MgO混凝土具有延遲性微膨脹的特性，主要利用該特性來補償大壩混凝土澆筑后升溫并回落到環(huán)境溫度所帶來的收縮問題，依靠自然散熱而不進(jìn)行人工通水冷卻，必要時設(shè)置少量的誘導(dǎo)縫或橫縫，這是三江拱壩工程溫控措施設(shè)計的基本理念。

圖1 中剖面各點第一主應(yīng)力最大值等值線 (單位:MPa)(誘導(dǎo)縫+MgO 4.5%)

2 大壩原型監(jiān)測

三江拱壩原型監(jiān)測項目有壩體變形(含撓度)、混凝土自生體積變形、壩體溫度、誘導(dǎo)縫開合度及壩基滲壓等，共在壩體內(nèi)部埋設(shè)了各類儀器142支(套)，其中應(yīng)變計50支、無應(yīng)力計28套、溫度計39支、裂縫計14套、測縫計6支、滲壓計5支。

正倒垂觀測以拱冠梁為基本監(jiān)測斷面，分別在約1/3壩高、2/3壩高和壩頂設(shè)置了變形監(jiān)測點，能夠了解壩體1125.60 m、1148.00 m、1169.50 m等3個高程的絕對位移狀態(tài)，表1摘錄了部分冬季和夏季時的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表1 大壩拱冠梁正倒垂位移監(jiān)測成果

壩體溫度場監(jiān)測斷面包含拱冠梁及兩側(cè)1/3拱圈共3個斷面，能夠了解到1100m、1115m、1132m、1145 m、1159 m、1163 m等高程壩體溫度，表2為冬季和夏季代表性日期壩體溫度的監(jiān)測成果。

3 關(guān)于三江拱壩變形的討論

拱壩是一種大體積的空間殼體結(jié)構(gòu)，多拱梁試載法將之簡化為水平拱圈和豎直梁體系，通過拱和梁變位協(xié)調(diào)來求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力，以下討論基于該算法。

水庫水位和環(huán)境溫度周期性變化會導(dǎo)致水壓力及壩體溫度周期性變化，這是使拱壩產(chǎn)生周期性變形的原因。而壩體自重、泥沙壓力、地基變形、混凝土徐變及混凝土自生體積變形等則會導(dǎo)致拱壩非周期性的變形，除此以外，地震等其他原因也會引起大壩變形。

3．1 水壓力作用下的拱壩變形

三江拱壩下游水位較低，可忽略其影響，上游庫水壓力是引起拱壩變形的主要因素。上游水壓力在立面上呈三角形分布，平面上則為均勻分布，在其作用下，拱圈和梁都向下游產(chǎn)生變形(圖2)。

圖2 水壓力作用下的拱梁變形

如圖2(a)所示，純拱在均布水壓力作用下，拱圈變位有以下特征:①絕對位移指向下游。②均布荷載越大，拱圈的變形也越大;均布荷載相同時，拱跨度越大則其變形的絕對位移也越大。即庫水位越高，拱變形也越大。

表2 大壩溫度監(jiān)測成果

如圖2(c)所示，在三角形分布水壓力作用下，梁變位有以下特征:①絕對位移指向下游。②梁頂部位移最大、底部為零;庫水位越高水壓力越大，其導(dǎo)致的梁變形也越大。

如圖4(b)和圖2(d)所示，考慮拱梁變位協(xié)調(diào)后，可近似地將拱和梁視為相互支撐，即視為帶有無數(shù)彈簧支座的拱或梁，變形量減小，但位移始終指向下游，其幅值隨著庫水位的升高而加大，隨庫水位回落而減少。

3．2 溫度作用下的拱壩變形

拱壩上游面與庫水接觸，頂部及下游面與空氣接觸，運行期壩體溫度主要與環(huán)境溫度相關(guān)，而施工期尚與混凝土自身發(fā)熱性能及施工溫度控制措施等相關(guān)。這里并不討論如何求解壩體溫度本身，而是直接利用原型監(jiān)測成果來討論溫度作用對拱壩變形的影響。

溫度變化可分為兩類:一是對應(yīng)壩體溫度總體上升或下降，拱壩規(guī)范中記為Tm;二是同一斷面上、中、下游部位溫度差異的影響，即線性或非線性溫差，記為 Td。

Tm能夠引起拱圈的變形，但對頂部自由的懸臂梁而言則不會引起向上下游方向的變形。如圖3所示，溫升作用使得壩體混凝土熱脹，因兩拱端受基礎(chǔ)約束而產(chǎn)生類似于“頂托”的作用，拱圈有向上游變形使拱圈曲率半徑減小的趨勢;而溫降情況下混凝土冷縮，同樣因受兩拱端約束而產(chǎn)生與溫升相反的“拉直”效應(yīng)。換句話說，溫升使得拱壩向上游變形、溫降使拱壩向下游位移。

圖3 溫度變化的拱圈變形效應(yīng)

Td引起的變形具有局部性質(zhì)，且與其具體分布情況相關(guān)。由表2可知，三江拱壩在冬季時上下游表面溫度和內(nèi)部混凝土溫度基本一致，各部位Td均較小，基本可忽略不計;夏季時，庫水位以上Td較小也可忽略，但庫水位以下壩體溫度表現(xiàn)出上游面相對涼、下游面相對熱的規(guī)律，最大溫差部位達(dá)到6℃，這與壩體上游與溫度較低的庫水接觸、下游與溫度相對高的大氣接觸是相符的。局部溫差引起的變形效應(yīng)是使結(jié)構(gòu)局部彎曲，三江拱壩夏季時中下部壩體前涼后熱的總體分布所導(dǎo)致的彎曲變形與拱壩輪廓尺寸彎曲的方向相反，可近似理解為有將大體積殼體“扁平化”的趨勢。受到拱壩周邊基礎(chǔ)的約束，這種因Td而產(chǎn)生的扁平化作用會導(dǎo)致壩體產(chǎn)生向下游方向的相對位移，在一定程度上減小夏季溫升時大壩向上游變形的幅度。

總的來說，可以歸結(jié)為溫升作用使拱壩向上游變形、溫降使拱壩向下游變形。

3．3 三江拱壩變形規(guī)律

由表1所列數(shù)據(jù)可知，無論庫水位和壩體溫度如何變化，拱冠梁處壩體的變形在左右岸方向均較小，基本上都在3 mm以內(nèi)，說明三江拱壩的對稱形態(tài)較好。

拱冠梁處壩體變形以上下游方向為主，如圖4(a)所示，至目前為止，壩頂 1169.50 m高程向上游位移最大達(dá)16 mm、向下游位移最大達(dá)7 mm;向上游的最大位移出現(xiàn)在1148.00m高程，達(dá)21mm，該高程未出現(xiàn)向下游的絕對位移值，最小向上游位移值為0;而在 1125.60 m高程，向上游的最大位移為3mm、向下游的最大位移為8.6 mm。圖4(b)為壩體溫度呈現(xiàn)周期性變化后，典型的夏季(2006年8月)拱冠梁變形狀態(tài)，圖4(c)為典型冬季(2009年3月)狀態(tài)，圖4(d)為典型夏、冬季的變形情況對比示意。

圖4 拱梁實測變形(正倒垂成果) (單位:mm)

3．4 關(guān)于正倒垂監(jiān)測基準(zhǔn)時機(jī)的討論

由表1第一行數(shù)據(jù)可知三江拱壩正倒垂監(jiān)測以2003年11月12日為基準(zhǔn)點。查同期混凝土自生體積變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，此時混凝土膨脹量為34～89 με，已完成十年后總膨脹量(74～170 με)的43% ～63%。換言之，混凝土剩余膨脹量(40～88 με)對拱壩變形的影響將在正倒垂監(jiān)測數(shù)據(jù)中得到反映，而基準(zhǔn)日期之前約占總量一半的膨脹所產(chǎn)生的變形量已錯失監(jiān)測良機(jī)。

根據(jù)混凝土溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖5所示，壩體溫度在澆筑混凝土后因水泥等水化發(fā)熱而迅速上升至27～36℃，隨后經(jīng)歷了半年到一年的自然冷卻，至2003年11月時壩體溫度已降至15～23℃之間，平均19℃。大致在一年后，壩體溫度開始呈現(xiàn)隨環(huán)境溫度規(guī)律性變化的特征，基本上以當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?5℃為橫軸，水位以上壩體溫度變化范圍約為5～25℃，底部壩體溫度變化范圍約為10～20℃。據(jù)此，相對于正倒垂監(jiān)測基準(zhǔn)日期而言，后續(xù)監(jiān)測到的溫度變形是以溫降為主:夏季高溫時除靠近頂部暴露在空氣中的壩體有近10℃的溫升以外，底部壩體相對于基準(zhǔn)日期反而有約3℃的溫降，中部逐漸過渡;而冬季時全部為溫降，溫降幅度約為10～13℃。

圖5 壩體實測溫度過程線及理論分析過程線

觀察三江水庫蓄水記錄，該項目于2004年5月完成蓄水安全鑒定后封堵導(dǎo)流洞，沖沙底孔于同年7月1日下閘后開始蓄水。其后除2005年5、6兩個月因故將水庫水位降到 1135 m附近以外，后續(xù)8年半時期內(nèi)，水庫均維持在較高水位運行，多在1155～1165 m之間。相應(yīng)地，正倒垂監(jiān)測基準(zhǔn)日期水庫水位較低，也就是說，水壓力導(dǎo)致的拱壩變形在正倒垂監(jiān)測數(shù)據(jù)中能得到反映。

由以上討論可知，在工程條件允許的情況下，正倒垂監(jiān)測時機(jī)應(yīng)盡量靠前安排，這樣才能完整地捕捉到相關(guān)信息。

3．5 關(guān)于MgO混凝土膨脹變形的討論

根據(jù)三江拱壩實測變形數(shù)據(jù)，無論夏季(圖4(b))還是冬季(圖4(c))，拱冠梁變形后的絕對位移均表現(xiàn)為靠近底部指向下游，中上部指向上游。由上節(jié)討論可知，相對于基準(zhǔn)日期，正倒垂將監(jiān)測到水庫蓄水后產(chǎn)生的全部水壓力、施工期向運行期過渡的混凝土降溫以及接近一半的剩余膨脹量所帶來的拱壩變形。水壓力及溫降作用都使拱壩拱冠產(chǎn)生向下游的變形，而在兩端基巖約束下混凝土膨脹作用將產(chǎn)生與溫升相似的效果，即使拱冠產(chǎn)生向上游的變形。分析拱冠梁中上部位移始終指向上游(尤其是冬季)的原因，是混凝土膨脹產(chǎn)生的向上游變形量超過了水壓力和溫降帶來的向下游變形量，而到了壩體中下部，隨水頭增加水壓力作用逐漸占了上風(fēng)，才表現(xiàn)為向下游的絕對位移。而夏季和冬季拱冠梁變形的差異，則主要是夏冬季節(jié)溫度變化所致。

在導(dǎo)致拱壩結(jié)構(gòu)變形的其他因素中，因三江拱壩拱冠梁及中部壩段斷面均向下游側(cè)傾斜，僅靠近兩岸端部壩體倒向上游側(cè)，故壩體自重產(chǎn)生的位移也應(yīng)為指向下游，不能解釋三江拱壩指向上游的位移;混凝土徐變是壩體應(yīng)力松弛的原因，也不能使壩體產(chǎn)生向上游的變形;泥沙壓力和水壓力相似，也是使大壩向下游變形;此外，沒有跡象表明地基變形或地震等其他原因?qū)е麓髩萎a(chǎn)生了向上游的變形。

綜上所述，唯一能解釋正倒垂監(jiān)測數(shù)據(jù)反映三江拱壩變形指向上游的，就是三江大壩混凝土外摻MgO后產(chǎn)生了后期微膨脹，這種膨脹作用使拱壩產(chǎn)生了向上游變形的效應(yīng)，而如圖6所示的大壩混凝土自生體積變形監(jiān)測數(shù)據(jù)也支持了這種判斷。此外，圖6還表明MgO混凝土自生體積變形已穩(wěn)定，不存在MgO混凝土安定性及無限制膨脹等問題。

圖6 壩體混凝土自生體積變形實測過程線(1145.00高程)

外摻MgO后的混凝土獲得了延遲性的微膨脹性能，產(chǎn)生了類似于溫升的變形效應(yīng)，在一定程度上減小了溫降產(chǎn)生的拉應(yīng)力，并使大壩向上游變形，這種現(xiàn)象不僅在三江拱壩工程中被監(jiān)測到，同樣也在其他工程中被監(jiān)測到，如圖7所示沙老河拱壩拱冠(正倒垂)變形過程也與三江拱壩相類似。

圖7 沙老河拱壩拱冠(正倒垂)變形實測過程線

3．6 關(guān)于MgO混凝土室內(nèi)外差別的討論

李光偉等［10］通過對比試驗發(fā)現(xiàn)全級配混凝土的彈性模量、彎曲強(qiáng)度、徐變等均不同于濕篩試件，因此建議大壩工程計算時應(yīng)調(diào)整室內(nèi)試驗取得的參數(shù)。由于監(jiān)測儀器對混凝土骨料粒徑的限制，施工中剔除大骨料是現(xiàn)在通行的做法，朱伯芳［11］認(rèn)為內(nèi)部監(jiān)測儀器測值與工程實際不一致，提出這一室內(nèi)外差別不容忽視。

筆者原計劃通過整理三江拱壩變形數(shù)據(jù)，通過反演計算的方法，找到將試驗室中混凝土自生體積變形成果進(jìn)行工程修正的方法。但由于三江拱壩工程實測的環(huán)境量不齊全，難以分離出氣溫、水壓分量及時效分量，因此無法將時效分量與MgO分量進(jìn)行對比分析并獲得定量的數(shù)據(jù)，故本文最終只能開展定性分析工作。

除大壩混凝土室內(nèi)外差別因素以外，實際工程設(shè)計中難以準(zhǔn)確界定全部參數(shù)或邊界條件，不能在真正意義上做到精確計算。因此，建立一些定性或宏觀的判斷、經(jīng)驗是有必要的，此時的計算與評價標(biāo)準(zhǔn)總體上是一種相對的評價體系。

4 結(jié)語

通過對三江拱壩等工程長達(dá)十年的正倒垂觀測，發(fā)現(xiàn)全壩混凝土外摻MgO后使拱壩產(chǎn)生了類似于溫升效果的變形特性，在宏觀變形上進(jìn)一步驗證了MgO混凝土的膨脹效應(yīng)。此外，長期內(nèi)部監(jiān)測數(shù)據(jù)表明MgO混凝土自生體積變形已經(jīng)穩(wěn)定，大壩混凝土的長期安定性是可靠的。

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