混凝土损伤开裂对拱坝抗震安全性的影响研究

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1、高拱坝蓄水期谷幅时效变形机理研究张国新1,2，程恒1，周秋景1，刘有志1（1.中国水利水电科学研究院，北京，100038；2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京，100038）摘要：目前我国一些高拱坝在蓄水后表现出谷幅缩短的现象，影响大坝工作性态和长期安全状况。本文依托溪洛渡拱坝工程，对各个监测点的谷幅变形过程进行回归分析，分离出由水位变动瞬时引起的变形、气温引起的变形以及时效变形分量。基于回归分析成果，采用有限元方法，分别研究库盘水压、基岩温度变化、水文地质条件改变等因素对谷幅变形的影响。通过分析各因素对谷幅变形的影响程度，揭示溪洛渡拱

2、坝谷幅持续收缩的主要诱因。分析结果表明，库盘水压和基岩温度变化会引起一定的谷幅收缩变形，但变形量值远小于实测变形，并非溪洛渡谷幅变形的主要诱发因素。谷幅变形主要是由近坝区水文地质条件的改变所触发的岸坡的时效变形，以沿层间层内错动带构造面的蠕变变形为主。谷幅蠕变变形的驱动力是高地应力，触发因素是水文地质条件变化引起的构造面材料软化和有效应力减小。关键词：高拱坝；谷幅变形；蠕变；触发；机理收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（51579252）；国家重点研发计划项目（2016YFB0201000）；中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项项目（

3、SS0145B322017）。第一作者及通讯作者简介：张国新，男，1960年生，博士，教授级高级工程师，主要从事数值计算方法、水工结构数值分析、混凝土坝温度应力与温度控制等方面的研究。E-mail:zhanggx@iwhr.com1引言我国高坝大库大部分位于西南地区，河谷快速下切和强褶皱山系形成了复杂的地形地质条件。高坝工程规模大，水位高，对岸坡扰动剧烈。水库蓄水后，会破坏岸坡原有的平衡状态，诱发岸坡岩体产生变形。如意大利的Beauregard拱坝在蓄水初期，左岸山体出现重力式座滑变形，座滑速度与库水位上升成正比例关系[1]。瑞士的Zeuzie

4、r拱坝正常运行21年后，经观测发现由于坝基底部400米深处Gotthard隧洞的开挖导致饱和岩体排水，坝基岩体从饱和状态过渡到非饱和状态，导致坝基产生不均匀沉陷和谷幅收缩变形[2]。清江隔河岩水库茅坪滑坡体1993年水库蓄水后开始变形，截止2004年累计水平位移2747.1mm,垂直位移548.4mm[3,4]。我国拉西瓦水电站果卜边坡蓄水后产生倾倒变形，目前库水位已稳定至正常蓄水位，实测岸坡顶部前缘最大位移40m左右，岸坡变形还在发展，未完全收敛[5]。因此，蓄水对岸坡变形的触发机理以及岸坡变形的时空演化规律是值得关注的问题。目前我国高坝大库

5、陆续进入蓄水期和运行期，锦屏一级、二滩、溪洛渡等高拱坝在蓄水后两岸山体向河谷中心收缩变形，出现出谷幅减小的现象。实测监测资料显示，在蓄水期或蓄水完成后，锦屏一级拱坝谷幅减少值约为10mm[6]，溪洛渡拱坝截止到2017年4月谷幅减小值约为50.94~74.84mm。事实上，在早期一些拱坝工程中，也存在谷幅收缩现象，如二滩拱坝谷幅收缩约为3.5mm[7]，李家峡拱坝谷幅收缩约15~30mm[8]，因变形小或收敛速度较快，对谷幅收缩现象的研究不够深入，多为定性判断，如杨杰等[8]将李家峡拱坝的谷幅变形归因于库水压力不断增大后裂隙破碎带收缩变形、渗透

6、压力增大和岩体强度参数降低。近期溪洛渡拱坝和锦屏一级拱坝谷幅变形的持续发展，引起坝工界对该现象的高度重视。杨强等[6]从有效应力变化的角度分析了锦屏一级拱坝的谷幅变形，认为蓄水初期裂隙水压力改变了岩体平衡状态，使库盘岩体产生塑性变形，是蓄水期谷幅变形的主要驱动力。刘有志、张国新等[9]提出开挖及蓄水过程会对近坝基岩产生扰动，从而产生蠕变变形，导致谷幅收缩变形。梁国贺等[10]通过建立逐步回归模型，分析了溪洛渡拱坝谷幅发展过程与库水位、气温以及其它作用因子的相关性，认为谷幅收缩主要是由其它作用分量主导，而与库水位及气温的相关性较小。总体而言，已有

7、研究对谷幅收缩变形的成因分析仍然偏少，并未关注蓄水作用下谷幅时效性变形机理，难以正确认识岸坡谷幅收缩变形的演化过程。溪洛渡拱坝整个蓄水过程谷幅收缩持续增加，谷幅变形明显，收缩量值与水位变化相关性不明显，具有明显的时效性。本文依托溪洛渡拱坝工程，研究库盘水压、基岩温度变化、水文地质条件改变等因素对谷幅变形的影响。通过分析各因素对谷幅变形的影响程度，揭示溪洛渡拱坝谷幅变形机理。2溪洛渡谷幅变形监测资料分析2.1工程概况溪洛渡拱坝工程位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的金沙江溪洛渡峡谷，大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高285.5m。大坝自2009年3月

8、开始浇筑大坝混凝土，至2014年3月，大坝至封顶高程610m，7月整体接缝灌浆完成。大坝于2014年9月已达到正常蓄水位。为观测岸坡谷幅变形特征，工程