計(jì) 陽

(南水北調(diào)中線實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100000)

1 概 述

絕大部分混凝土壩體都存在著一定的裂縫，在已建工程中出現(xiàn)過裂縫擴(kuò)張，這些問題最終會(huì)由于高水頭的靜水壓力產(chǎn)生滲漏，繼而引發(fā)滲透破壞，最終威脅大壩的安全。當(dāng)施加液壓使有效應(yīng)力降至零度或零度以下時(shí)，土壤中就會(huì)發(fā)生水力壓裂，這種現(xiàn)象在灌漿工業(yè)中廣為人知，因?yàn)楣酀{壓力過大，鉆孔中的漿液流失。在大壩中，如果由于儲(chǔ)存的水而產(chǎn)生的孔隙壓力足夠高，能夠?qū)误w的有效應(yīng)力降低到零或零以下，則水力壓裂就可能在壩的薄弱處發(fā)生。研究表明，水力壓裂是大壩潰壩的原因之一[1-3]。

對(duì)于混凝土裂縫擴(kuò)展的研究大多數(shù)為采用各類力學(xué)模擬軟件進(jìn)行的數(shù)值模型研究[4]。王洋等[5]應(yīng)用ANSYS有限元軟件，模擬了混凝土受到不同荷載時(shí)裂縫擴(kuò)張情況?；趯?shí)驗(yàn)的測(cè)算研究較少，模型軟件盡管建立模型和施加連續(xù)的荷載變量很容易，但對(duì)于壩體實(shí)際的狀況可能模擬不到位。因此，本文根據(jù)實(shí)際的壩體受力情況，設(shè)計(jì)荷載實(shí)驗(yàn)。本文的研究重點(diǎn)是模擬高混凝土重力壩壩踵表面由水力劈裂對(duì)水平裂縫的影響研究，主要內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置的運(yùn)行操作及測(cè)量實(shí)驗(yàn)步驟；記錄施加不同應(yīng)力時(shí)混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果；分析和討論不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)下重力壩水力劈裂的安全性。

2 實(shí)驗(yàn)研究

混凝土重力壩在平面上來看，其縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于橫向距離。但實(shí)際上，壩體是分段澆筑的，且以橫截面受力情況來分析，也是屬于平面應(yīng)力結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于高混凝土重力壩(H>200 m)，但其厚度為10～20 m，受力情況見圖1。

圖1 重力壩裂縫周圍的應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)壩體橫截面的受力情況，制作圓柱體混凝土試件，見圖2。具體尺寸數(shù)據(jù)均已在圖2中標(biāo)明，且設(shè)置了一個(gè)“圓盤”型的裂縫，裂縫直徑為150 mm，用以模擬在壩體中的實(shí)際裂縫。在左右兩邊預(yù)埋兩根鋼管至圓盤底下，用以施加靜水壓力，作為水力劈裂的荷載。另外，在圓柱體的上下兩個(gè)截面上施加軸向荷載，以模擬混凝土自重產(chǎn)生的壓力，部分地方可能會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

圖2 單軸應(yīng)力水壓致裂試驗(yàn)混凝土試件(單位：mm)

圖3為模具部件包含的預(yù)埋錨桿。在錨桿周圍以及在最后的末端節(jié)點(diǎn)處將產(chǎn)生集中應(yīng)力，集中應(yīng)力地方如果過于靠近裂縫，會(huì)影響裂縫的擴(kuò)張，所以盡量將試件的長(zhǎng)度加大一點(diǎn)，達(dá)到3倍以上。

圖3 有裂紋試樣的模具部件(單位：mm)

為了形成圖2所示的裂縫，將兩塊直徑均為150 mm的圓形不銹鋼板堆疊在一起，形成一個(gè)圓盤形缺口，澆筑進(jìn)入混凝土試件中。試件的制備過程見圖4，混凝土配合比設(shè)計(jì)符合混凝土重力壩項(xiàng)目的要求。試件在相應(yīng)條件下靜置7天后，待試件穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在測(cè)試完水管的流通性之后，將所有試樣均存放在蒸汽室中，保持試件的含水率、強(qiáng)度等不受外界的影響干擾，以便進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。表1給出了實(shí)驗(yàn)混凝土試件的骨料粒度分布(GSD)以及水灰比和其他兩種外加劑的含量；表2為具體的荷載情況和混凝土的抗壓(拉)強(qiáng)度。

圖4 試驗(yàn)裝置照片

表1 混凝土成分

表2 水力壓裂試件

3 測(cè)試程序

從試驗(yàn)室取出試樣后，將其固定在15 000 kN的試驗(yàn)機(jī)上。試樣的進(jìn)水口與液壓加載裝置相連，出水口與水壓傳感器相連。需要注意的是，試樣的進(jìn)水口和出水口應(yīng)向下，以確保水管中的空氣可以完全排除。試驗(yàn)前，試樣表面應(yīng)風(fēng)干，以便觀察漏水情況。通過試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件施加恒定載荷以模擬垂直應(yīng)力σy，然后通過液壓加載裝置在試件裂縫處施加可變水壓。每個(gè)階段的水壓都會(huì)增加，直到達(dá)到最終值。水壓的典型增量見圖5。同時(shí)，必須確保試驗(yàn)為準(zhǔn)靜態(tài)荷載，且水壓應(yīng)在每個(gè)階段保持恒定至少1 h，以便水壓有時(shí)間發(fā)展，使水可以到達(dá)每個(gè)微缺陷。這種設(shè)置與重力壩上的實(shí)際情況非常接近，因?yàn)樗畮熘械乃蛔兓ǔ７浅＞徛?/p>

在混凝土斷裂力學(xué)理論中，混凝土裂縫的完整荷載-位移曲線見圖6。只有在位移控制試驗(yàn)的情況下，才能獲得峰后響應(yīng)。但本文中的測(cè)試是由負(fù)載控制的，只能記錄荷載-位移曲線的發(fā)展部分，且傳感器可檢測(cè)到的最大水壓等于導(dǎo)致混凝土試樣水力破裂的臨界值，即圖6中的Pmax值。

圖5 水壓增加的圖示

圖6 混凝土的完整荷載-位移曲線

以試樣Ⅳ為例，當(dāng)水壓增加至3.2 MPa時(shí)，試件表面細(xì)微處的裂縫開始逐漸滲水，大約15 min后，裂縫出現(xiàn)較大擴(kuò)張，直接從滲流變?yōu)閲娚洌髾z測(cè)到內(nèi)部的水壓暴跌，見圖7。因此，引起水力壓裂的水壓臨界值為3.2 MPa。圖8為試驗(yàn)后的試樣。應(yīng)注意的是，試樣表面上的裂紋與先前嵌入的裂紋大致平行，這是因?yàn)樵谝郧暗脑囼?yàn)中，最大混凝土骨料尺寸小于30 mm，并且小于本工程中的最大骨料(80 mm)。粗骨料周圍的迂回導(dǎo)致圖7中裂縫的傾斜。

圖7 試樣表面上的泄漏

圖8 試驗(yàn)后的試樣

4 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同試樣的水力壓裂總結(jié)

由表3可知，裂縫擴(kuò)展與混凝土強(qiáng)度和荷載條件有關(guān)?；诒?測(cè)試結(jié)果，在數(shù)據(jù)分析中采用普通最小二乘法(OLS)，并擬合相應(yīng)公式：

pw=0.6ft+σy+a

(1)

其中：pw為水力壓裂下的臨界水壓，MPa；ft為混凝土的單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；σy為試樣兩端的壓縮壓力，MPa,對(duì)于拉伸壓力，σy為負(fù)；a為恒定系數(shù)，MPa，為了與本研究中5個(gè)樣本的結(jié)果相匹配，a取0.32 MPa。

式(1)的左側(cè)為水力壓裂的驅(qū)動(dòng)載荷，右側(cè)為阻力。可以看出，混凝土抗拉強(qiáng)度的60%左右貢獻(xiàn)于抗力，豎向壓應(yīng)力σy可以線性增加抗力，如果σy為拉應(yīng)力，則線性降低抗力。試驗(yàn)結(jié)果表明，水力壓裂的臨界水壓為1.5～3.2 MPa，與高重力壩(H>200 m)上的最大水壓(水庫水頭)相似，并根據(jù)重力壩壩踵處的應(yīng)力情況進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)證明，水力壓裂是高重力壩上的一個(gè)實(shí)際問題。此外，式(1)表明混凝土強(qiáng)度不會(huì)有效提高抗水力壓裂能力。因此，在水力劈裂的情況下，垂直應(yīng)力是改進(jìn)重力壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范在考慮200 m以上重力壩水力劈裂時(shí)，可能存在大壩安全問題，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)高重力壩設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)。如果大壩上游表面上的垂直應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，則有利于抵抗水力壓裂，這將是改進(jìn)設(shè)計(jì)規(guī)范的關(guān)鍵，但需要進(jìn)行更多的研究來量化垂直應(yīng)力σy。在本研究中，僅進(jìn)行了一次復(fù)制(即表3中的試樣Ⅰ-R)，這無法完全驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，因此增加樣本數(shù)量在未來的研究中意義重大。

5 結(jié) 語

本文提出了一種研究重力壩水力劈裂的試驗(yàn)方法。利用高重力壩工程混凝土，模擬重力壩踵的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)行了一系列不同混凝土強(qiáng)度和單軸應(yīng)力的水力劈裂試驗(yàn)。結(jié)果表明，裂縫周圍的垂直應(yīng)力對(duì)水壓致裂有重要影響，只有約0.6倍的抗拉強(qiáng)度對(duì)試件的抗水壓致裂性能有貢獻(xiàn)。試驗(yàn)還表明，如果重力壩非常高(H>200 m)，水庫水頭將導(dǎo)致大壩上游表面裂縫處的水力壓裂。因此，在高重力壩設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮水力劈裂的影響。