大坝性状分析

2009年12月.水利水电快报EWRHI .第30卷第12期试验与研究文章编号: 100102009020000大坝性状分析[塞尔维亚] B.J. 古济纳摘要:地壳的应力场变化与变形大多是由构造活动引起的,不一定伴有表观动态效应(即地震),并通过相互作用可能经过坝基影响大坝。随着大坝使用寿命的临近，这种现象的发生及其对大坝性状的累积影响变得更加可能。为了监测大坝性状并检测可能存在的偏差,从设计阶段开始直至整个运行期,都需要对其进行观测。尤其是要尽早报告各种变化、确定其起源、预测其进一步的发展趋势及其对大坝安全的影响。关键词:大坝;坝变形;性能分析;应力分析中團分类号:TV698. 11文献标识码:A确定引起大坝性状变化的实际原因,特别是在块与不连续面)的特点是:具有影响地壳变形和应力早期观测其变化,是一项极为复杂、涉及多个学科的场(即其对外生与内生活动的响应)的地质力学特工作。性。大坝性状发生变化可能与以下情况有关:可以证明,地壳中表面应力场极不均匀,而且受(1)大坝和(或其基岩的物理力学性能发生了地形 温度变化等的制约。地壳或岩石变形因荷载变化;变化产生的变化与基质岩块和一系列不连续面的变(2)岩石圈发生内生演变过程(构造活动),然形有关。不连续面的变形可能在两个方向发生,或后经过基岩传递到大坝。者垂直于不连续面(包括张开),或者沿不连续面可在上述两种情况下,大坝性状的变化或异常可能产生滑移,甚至可能兼而有之。第1种变形是垂能相似,本文对这两个问题进行了研究。直于平面节理的应力变化的非线性函数。如果裂缝由于内生活动引起的坝基性状异常一般是间断张开,岩石圈半空间就会发生局部断裂。由于应力性发展和出现的,只有在大坝运行一段时期后 ,大坝变化,垂直于不连续面的应力趋于拉伸时，就会产生或其附属建筑物已经发生破坏时才能被发现。不连续面张开。本文旨在帮助及早发现和识别上述第2种现象地壳上部的应力场是由于重力、构造活动以及及其对坝基性状的影响,以及促进对监测系统数据温度变化形成的。应力场由主应力及最大主应力轨迹线表示。岩石圈内的主应力通常随深度的增加而解读手段的升级和现代化。增大。观测到地壳构造活动区的应力场容易随时间1地壳的应 力场变化与变形的变化而变化,即应力场是变化的,不受控制。某- -给定岩石圈区域发生变化的位置、范围与速度及其本文将地壳视为- -个非均匀的半空间(或准空地质力学特性取决于构造活动以及外部因素的变间),将其分成若千个基质岩块和网格不连续面来进化,如土壤冲刷、石冰川岩层融化静水压力变化、滑行分析。不连续面主要是构造活动和其他荷载及其坡活动、水库蓄水等。变化产生的断裂。半空间的两个组成部分(基质岩中国煤化工应的变形与位移收稿日期:2009-08-20FYHCNMHG2009年12月水利水电快报EWRHI .第30卷第12期(包括其上部区域)以及变形特性的潜在变化(局在非承压含水层中,含水层内构造荷载的变化部)。后者可能是局部或者区域性出现,沿不连续面引起测压水头梯度临时发生变化，并导致水通过水呈均匀或不均匀分布。此外,应力场即使没有发生力有效孔隙向自由表面流动,反之亦然。对于后一重大变化,地壳也可能产生位移。种情况,水的流动一直持续到在水力有效孔隙内形应力场的变化常常是无规律的，变化强度有大成测压水头场的初始变化状态。在该过程期间,最有小,不- -定产生察觉得到的动态效应(地震)。在后在岩石基质中形成应力场,在节理系中形成接触横跨构造驱动力轨迹线的区域内，应力场变化以及应力,其前提都是含水层的水文条件(人流量或者出伴生的变形可能是相当发散和无法预测的。流量)没有发生变化。对于地壳上部区域的应力场变化及变形,可以测压水头场临时变化的幅度与持续时间取决利用坝址地形加以调整。变化可能包括残余应力释于:放,伴有变形以及动态效应。内生过程和/或外生过(1)构造荷载变化的量级与时程;程叮能引发这些变化。(2)几何形状、水力特性和含水层的边界条件;如果地壳中外部(外生)荷载的变化与构造活动(3)节理系孔隙的变形特性。-致,其相互作用可能产生额外的效应。水库蓄水如果发生地震，预计测压水头场的短期变化可与放空以及地下水位的大幅变动,都有可能造成沿能有所加快。由于测压水头场的瞬时变化,可能导不连续面的不均匀位移。沿现有的和新发育的不连致岩石圈产生额外(局部)的可恢复变形。相应位移续面无论是否产生不均匀位移都会使应力场发生变一直持续到测压水头场达到稳定状态以及与断裂半化,使地壳变形,并可能伴有动态效应。在应力场不空间构造荷载变化有关的岩石圈发生最后变形。稳定的区域,外部(外生)荷载的变化可能产生额外在承压含水层中,构造荷载的变化必然同时伴的构造效应,并伴有变形与动态效应。除发生大规模地震之外，地壳变形的变化常常有测压水头场的永久变化,穿过.上覆不透水层的水不会引起大家的关注。主要是在长距离施工(如道力断裂除外。当含水层对上覆地层的静水压力超过路与隧洞等)中观测地壳变形,在此类工程中,土体地静压力时,如果构造荷载上升,则可能发生后一种不稳定、温度变化和其他影响常常会引起变形。情况。最好选择能够自动记录连续压力的封闭式点式2测压水头的变化测压管来监测应力场变化的潜在影响。在某些情况含水层内测压水头场由于地壳的应力场变化与下,在不同钻孔深处开展多级监测是记录测压水头变形而发生的变化是本研究的主题。本文的含水层的一种合适方法。是指具有- -定有效孔隙率并充满水的一部分地壳，测压计应埋在建筑物的两侧，以监测潜在的活即水饱和又有一定渗透性、允许抽水或注水的透水断层。在石灰岩含水层中,在密集岩溶区的下面也应安放测压计。对于承压或半承压含水层,可采用岩石区。活动构造演化、气压变动、重力以及其他荷载对敞开式测压计或管柱尽可能窄的测压计(安放在含岩石圈的影响都有可能引发测压水头场的瞬时变水层覆盖层之上),以减少测压计的惰性。化。在荷载变化-定时,测压水头场的变化取决于采用上述测压计应能确定并预测在具有水力有含水层的类型及其水力有效孔隙的类型与特性。效孔隙且充满水的区域,岩石圈内的应力场是否发可将含水层分为以下几种类型:生变化，也可以连续自动地记录测压水头。(1)非承压含水层或半承压含水层,其上表面在地震发生之前,岩石圈相应部分的应力场发直接与大气压接触;生了变化。视含水层中这些变化的速度而定,常伴(2)全承压含水层,不与大气压直接接触。有测压水头场的相应变化。测压水头场的变化被视当构造荷载发生变化时,含水层中的地下水也为地震的征兆或地震的后果。承担一部分荷载。节理中滞留的水承担了一-部分节中国煤头变化时,随着时理系的荷载,而海绵状孔隙中滞留的水可以取代一间的接触应力会临时部分岩石基质荷载。在非承压含水层中,部分承担减少CNM HG-步引起沿不连变化的构造应力是暂时的。续面的不均匀位移,不-定产生表观动态效应。●2.[塞尔维亚] B.J.古济纳 大坝性状分析影响。3大坝与基岩之间相互作用的变化通常只有在对大坝进行长期观测以后才能察觉坝基基岩代表岩石圈的上表面,与大坝一起承内生源引起的岩石圈应力场变化与变形对相互作用受由于构造活动在地壳中引发的应力场变化与变变化的影响。在建筑物使用寿命期间,可能多次出形。在此，大坝是指所有的附属设施,包括灌浆帷现相互作用的变化,但不- -定总是在同一个方向。幕、排水系统、进水口、泄水建筑物或溢洪道以及附然而,任何破坏或损坏都是累积造成的。近的水电站等。内生源相互作用的变化表明,大坝及早识别坝基中是否存在相互作用的变化绝非附近区域应力场的变化诱发了应力状态的变化及沿易事。当这样的变化常常类似于包括风化在内的外生影响引起的变化时,情况尤甚。坝基节理的变形。在相互作用发生变化之后,在相当长的一-段时间4基岩性状出 现的异常情况内,大坝可能不会显现出遭受破坏的显著迹象。在岩石圈内发生应力场变化与变形时，相互作用的变化及坝基性状出现异常可能表明内生源引起岩石圈其对大坝的后续影响取决于但不限于以下因素:的应力场变化与变形。本文所指的坝基性状出现异(1)河谷地貌;常是指应力、变形与位移以及大坝基岩的测压水头(2)坝区岩石圈上部应力场的特性;场与水库水位发生了变化。主要是指由于以下几种(3)坝基的地质及地质力学特性;情况而引起的意外变化:(4)大坝建筑物及其布置;(1)坝基的永久位移与变形超过预计值;(5)大坝基岩中应力场的原地状态;(2)坝基的位移和变形与水库水位(即外部荷(6)综合以上各种因素。载)的函数关系发生了永久变化;在坝区,不论沿岩石内的不连续面是否发生不(3)大坝基岩内的测压水头场以及渗透水的总均匀位移,都可能造成内生源的岩石圈变形。沿不量 与流型发生了意想不到的临时变化或永久变化。连续面的不均匀位移可能对建在硬岩上的混凝土坝在确定是否出现异常情况时,首先必须确定并不利。就建在极易变形基岩上的混凝土重力坝而且消除测量与读数可能存在的误差,以及剔除采用言,这种相互作用的影响可能在坝基基岩产生塑性有缺陷的或率定不准的监测设备获取的数据。变形时结束,而塑性变形必然引起大坝应力发生--由于所列出的大部分异常情况可能是内生因素定的变化,但不会对建筑物造成任何力学破坏。与外生因素共同造成的,下面分别按每种因素加以对于部分或全部建在破碎硬岩上的混凝土坝，总结,以便确定是否存在由于构造成因造成的大坝其整体性与安全性可能受到这种相互作用变化的影应力场变化与变形,并认识其对大坝建筑物和坝基响。在这种情况下,大坝可能阻碍岩石圈表面的未可能产生的影响。扰动变形,而且通过相互作用可能受到难以承受的4.1外生源引起的异常情况超大荷载的作用,从而产生变形和结构破坏。对于建在峡谷中的大坝,特别容易发生后- -种情况。水通过静水压力作用在大坝基岩上。大坝传递相互作用的变化也可能影响土坝的灌浆廊道和到基岩的荷载,其分布取决于坝型、建筑物布置基灌浆帷幕或灌浆幕。如果岩石圈内应力场的变化引岩本身的地质力学特性以及基岩内原地应力状态。起坝址处的河谷展宽,继之出现不连续面张开,则可直接作用在坝基上的水力荷载取决于所形成的测压能出现这种情况。已经证明,后一种情况对于建在水头场，而后者可能受坝基基岩内止水和排水工程易蚀岩石上的任何坝型的大坝都是相当危险的,如及其水力效应的明显影响。果大坝基岩存在可溶岩,则情况尤甚。4.1.1坝基永久变形由于内生源相互作用的变化,不论静水压力是坝基永久变形可能与岩石基质有关。随着时间否引起大坝变形,有可能在各个方向上产生沿坝基的推移,在周期性荷载作用下，破碎岩石的永久变形节理的变形和位移。对于建在地质力学性能不均匀随着基础沉陷的逐渐减小而增加(溃坝情况除外)。的基岩上的大坝,可能形成非常复杂的位移和变形中国煤化工:知时,永久变形状态。对于建在陡峭峡谷中的拱坝,大坝两翼岩块取决于YHCNMHG其土力学特性。之间的不均匀位移可能暂时不会对大坝建筑物造成如果 填缝料被冲走,导致裂缝遭到永久挤压,也可能●3.2009年12月水利水电快报EWRHI第30卷第12期.使永久变形增大。理内法向应力占优势的原地状态和水库水位。4.1.2测压水 头场的永久变化在情况①时,从大坝传递过来的水力荷载以及测压水头场的变化可能与以下情况有关:直接作用在基岩上的水力荷载将由大坝以下及附近(1)节理系被堵塞;较大范围的岩石区承受。在情况②时,水力荷载将(2)大坝基岩内灌浆帷幕与节理系受损;只由大坝以下(或土坝的粘土心墙)和下游的岩石承(3)坝基岩石基质遭受溶融或冲蚀;受。在情况③时,随着水库水位的变化,坝基的静态(4)大坝基岩内排水系统被堵塞。模式可能从①变到②,最后变到③。测压水头场发生永久变化与通过大坝基岩的渗如果大坝基岩内应力场变化由内生(构造)活动漏通常是渐进式的,在大坝运行期间可能随时发生。引起,则在大坝静态模式下,可能发生变化。灌浆帷幕损坏与浆材从节理系中被冲走,或灌4.3.3 测压水头场与渗水的永久变化浆帷幕区的初始充填有关。在某些情况下,灌浆体大坝基岩内应力场的变化将导致节理系变形发的抗冲力可能从一开始就很低,或随着时间的推移,生变化,进而导致基岩的水力特性发生变化,灌浆帷由于伴生的物理化学过程,抗冲力可能越来越低。幕也受变形的影响。因此,通过大坝基岩的渗透和测压水头场将发生变化，伴有大坝基岩内节理系水4.2内生 源引起的异常情况力荷载的变化。冲刷导致横跨帷幕的节理张开,进在这种情况下,可能的异常情况取决于较大范--步增大通过大坝基岩的渗透(与外生荷载情况相围坝区岩石圈的应力场变化与变形,以及大坝建筑同)。如果在坝下已经安装了渗透水控制和监测系物与其基岩之间相互作用的相应变化。此时,不论统,可以证明它能比单个测压计更可靠地反映坝基大坝外部荷载如何,异常都会经常发生。异常主要内测压水头场的变化。是零星发生的，且在大坝施工期间可能被激活。由于地震波的传播,灌浆帷幕也可能发生永久性破坏,并将连带影响测压水头场的变化。4.3大坝基岩的永久位移和变形4.3.4 测压水头场的瞬时变化这些位移和变形的基本特性之一-是:不论作用坝基内测压水头场的瞬时变化是较大范围坝区在大坝基岩上的活荷载的方向如何,各个方向都可岩石圈内应力场变化的可靠指标和信号。这些变化能发生变化。位移和变彤是累积发生的,在大坝使可能强烈地影响混凝土坝的稳定性,特别是如果排用寿命期间可能改变其位置与方向。虽然大坝基岩水系统设置不当或发生阻塞,则会影响拱坝坝肩的变形-般沿岩石圈最大主应力变化的轨迹线,但是稳定性。同理,还会诱发水库内及其附近滑坡。坝基内相互作用的相应变化可能很不均匀。对地震波传播引起的应力场瞬时变化与短期变使用设置在靠近坝基的粘土心墙中的应变仪，化应加以区分。并通过观测灌浆廊道中的变形与位移情况,便可确4.3.5地震引起的大坝基岩变形定土坝基岩内变形的变化。在地屣期间,地震波会引起地壳中应力场的瞬这些变形可能表现为沿不连续面的基质岩块的时变化。在震中附近区域,随着应力场发生额外的不均匀位移和不连续面张开,这视坝基基岩内应力永久变化,可能诱发现有的和可能新发育的不连续场的前期状态而定。面发生瞬时及额外的永久变形。4.3.1坝基内变 形特性的变化坝基的相互作用也可能发生额外的永久变化。断裂半空间的变形包括岩石基质的变形与裂缝这些变化取决于诸如河谷地貌、基岩(基质和节理.系统的变形。应变和应力与节理系之间的关系是非系)的地质力学特性、基岩内应力场的原地状态以及线性函数关系。因此,如果由于构造活动造成大坝大坝的型式和结构等因素。基岩内应力场变化与变形,进而会导致坝基变形特5未来的考虑性发生变化。4.3.2坝基静态模式的变化中国煤化工的大坝,地壳中出在施加水力荷载时,如果大坝基岩内的节理系现应,可能影响大坝建不能承受拉伸应力,则大坝基岩可能表现为:①1/2筑物MH..CNMHC状出现异常可能空间;②1/4空间;③情况①和②的综合,取决于节(下转第14页，4●2009年12月水利水电快报EWRHI第30卷第12期.中修复闸门。在扁平止水条的柔性范围内,闸墙必另一端由齿轮箱和闷头轴承支承。蜗杆固定到伸出须平行、平整并垂直于闸孔底板。扁平型止水的防齿轮箱的垂直轴上,并配置-一个手轮。渗效果可能比不上J型止水和导轨板。Hydro Gate公司的启闭机能用固定在其顶部的电动阀门传动装置驱动垂直输人轴,从而实现电动3.4闸门启闭机.操作。该单元还包括1台电动机、反转控制器、用于启闭机由具有2个卷筒的蜗杆蜗轮装置组成,升降与停止的按钮站、2个指示灯、齿轮传动限位开可同时卷绕2根缆绳。单根缆绳从每个卷简延长到关扭矩开关以及用于紧急操作的手轮。闸门面板的底部角落。配备电动操作机构的启闭机,利用逻辑控制方启闭机齿轮箱由完全放在铸铁外壳中的蜗杆和法控制流量和水位,或者与其他过程控制的交互,可蜗轮传动装置组成。铸铁外壳固定在被锚固在闸墙实现弧形闸门的自动运行。顶部或一根支承梁 上的一个支架上。.赵艳春译自英刊(水力发电与坝工建设>2008 年第12期卷简轴由跨越闸孔的卷简管和每端用于卷缆绳赵树湘校和连接短轴的法兰组成。- -端支承在一个轴座上, .(编辑:朱晓红)(上接第4页)对大坝基岩中测压水头场进行连续自动观测，因为是岩石圈内出现应力场变化与变形的征兆。因此，测压水头场中意想不到的瞬时变化可视为内生源引必须确定大坝基岩中是否存在异常情况，预测其进起的基岩中应力场变化的-一个可靠指标。一步的发展趋势,并分析其对大坝整体性的可能影在识别基岩性状是否发生异常时,必须避免使响。当然,采取任何修复措施都应考虑到已经识别用有缺陷的监测设备,并保证测量精度。的异常情况可能是由内生(构造)因素或外生因素引对内生源引起的坝基性状异常进行分析,应包起的。括预测其进-步的发展及其对大坝整体性和安全性当内生过程和外生过程相似时,识别单个异常的可能影响。情况出现的原因与起源是一项相当复杂的工作。为在大坝使用期间,随着勘查与研究方法的不断了尽早识别大坝基岩中内生源引起的应力场变化与改进，上述问题的解决应该是构造物理学进- -步研变形,设立一套精度和可靠性高的合适的监测系统究的主题。很重要。在大坝运行期间,需要对该系统及测量结赵宁琼译自英刊(水力发电与坝工建设>2009年第1期果的相关分析工具不断地进行更新和升级。孔祥林校特别应该注意的是:建立-一个相应的系统,以便*************.***........*.*.*..*********.***..****.*.....**.......(上接第7页)(3)锚喷支护对洞室变形有较好的控制作用,[3]王启耀. 陡倾角层状岩体中大型地下洞室群围岩变形能够有效地减小围岩的变形和缩小塑性区的范围。的预报与控制[博士学位论文][D].上海:同济大学,2004.参考文献:[4]蒋臻蔚 .王启耀.陡倾角层状岩体中巨型地下洞室群的围岩稳定问题[J].公路交通科技, 2005.22(6):127-[1]张玉珲,唐仪兴.层状岩体强度异向性地下洞室的有限130.元分析[J].地下空间, 199,19(1):30- 34.[2] D. 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