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碾压混凝土坝安全监控理论和方法碾压混凝土坝是近20多年采用的新筑坝技术,融汇了常态混凝土坝的结构和碾压土石坝施工等优点由于碾压混凝土坝具有节约大量水泥、简化施工工艺、施工速度快、工程造价低和及早发挥工程效益等优点,该筑坝技术得到迅速推广应用至今已有20多个国家已建和在建碾压混凝土坝约200多座,其中中国近40座我国拟建的龙滩碾压混凝土重力坝(坝高217m)和在建的沙牌碾压混凝土拱坝(坝高132m),将是世界上最高的碾压混凝土重力坝和拱坝可以预料,随着西电东送和西部大开发,水资源将得到进一步的深入开发利用,这种筑坝技术将被广泛推广然而,在已运行的一部分碾压混凝土坝中,出现较多裂缝、漏水和溶蚀等现象,如加拿大的Revelstoke和中国的水东等碾压混凝土坝,相继出现裂缝、漏水和溶蚀等病变征兆,这不仅影响大坝的安全运行,而且有人对碾压混凝土坝的筑坝技术产生质疑因而,引起国际坝工界的高度重视,美国、加拿大、中国和日本等国的工程技术人员,针对设计、施工中的问题,尤其是施工质量,进行了试验研究但是,对原位监测资料进行分析和反分析,并由此监控碾压混凝土坝的安全运行以及反馈设计、施工等方面,还不够深入,以至对某些碾压混凝土坝出现的裂缝和漏水等现象难以解析这除了碾压混凝土筑坝历史短等原因外,其主要原因是对碾压混凝土坝的薄层碾压的层面和温度等还难以用较精确的数学模型和分析方法加以模拟因此,迫切需要对上述问题进行深入研究流场与应力场相互影响,即两者是耦合的为了使计算与实际更加接近,提出的以薄层单元模拟层面,采用渗流场与应力场耦合的粘弹性分析理论建立位移时空分布模型以及拟定一级变形监控指标,用渗流场与应力场耦合的粘弹塑性分析理论拟定二级变形监控指标6在总结以往拱坝坝肩稳定分析方法的基础上,依据监测资料,提出了建立碾压混凝土拱坝坝肩稳定分析预报模型以及用突变理论判别坝肩稳定性的方法其中,在已知坝肩最不利滑动面及滑移方向的情况下,针对坝体埋有足够的温度计,应用载常数,建立坝肩稳定分析预报模型在坝肩埋有位移测点,并可获得位移实测值的情况下,首先建立位移分析模型,然后应用突变理论,导出稳定分析判据,据此判别坝肩是否稳定3结语由上分析可知,碾压混凝土坝安全监控理论和方法及其应用研究,有着较大的实用意义和科学价值,在国内外学者的共同努力下发展较快,在对碾压混凝土坝施工期、蓄水期、运行期等各个阶段,均在开展相应的分析及反分析理论和方法的研究;止匕外,碾压混凝土坝的稳定分析的理论和方法也在深入研究,上述研究已取得了一定的进展,并取得了较多的研究成果但由于碾压混凝土坝具有层面特性,且筑坝历史较短,因而对其研究与常规混凝土坝相比要少得多,且起步较晚,尤其在利用原位观测资料对碾压混凝土坝进行正反分析,目前尚在起步阶段,在有限元分析、正反分析模型和方法、渗流分析、稳定分析、安全监控指标等方面,过去工作做得较少,尚需作进一步的深入研究1研究状况
1.1温度及温度应力分析方面碾压混凝土坝是近20年出现的新坝型,由于碾压混凝土坝的筑坝材料、施工工艺与常规混凝土坝不同,坝体温度的变化规律也不相同国内外学者对此进行一些研究,提出了一些计算方法,其基本思想是采用有限元法,模拟大坝的施工和运行过程,根据试验资料选取计算参数,逐时段分析坝体温度变化,但网格单元多,计算时间长针对这一问题,朱伯芳[1]提出了时间域分区异步长分析坝体温度场的方法止匕外,坝体在温度荷载作用下产生的变形包括弹性变形和徐变变形混凝土的徐变变形在总变形中占有较大比重,对结构应力有显著影响20世纪30年代,国内外学者就已经对这个问题进行了研究,提出了一些分析方法到目前为止,经过实践检验,对于碾压混凝土坝,比较满意的计算方法常采用初应变法分析温度应力
1.2渗流分析方面20多年来,随着碾压混凝土坝规模的扩展,国内外学者对碾压混凝土的渗透性作了一些探索但由于碾压混凝土层面渗流问题的复杂性,系统研究的成果不多我国开展这项研究工作较早,主要在“七•五”期间结合铜街子工程、“八•五”期间结合龙滩工程作了一些试验及理论分析其中,朱岳明等[2]根据碾压混凝土坝逐层碾压构成的成层体系的结构特点,指出碾压混凝土坝的渗透性是由碾压混凝土本体和层面的渗透性决定,具有明显的各向异性,对一般坝工而言,可视碾压混凝土本体是一种均质各向同性体介质,其渗流特性可用简单的达西渗透定律来表示,层面渗流行为为缝隙水流,与层面的水力隙宽、粗糙度、连通率、层面应力应变行为以及加载历史有关,在渗流分析时,可简化成等效模型来处理速宝玉等于20世纪90年代初涉足碾压混凝土渗透机理的研究领域,他们通过对施工现场取样,在室内进行大量试验,获得了系统的资料,指出碾压混凝土本体的渗透系数与常规混凝土基本一致,层面是渗水的主要通道,水平向与垂直向渗透各向异性比可达几十倍甚至几百倍张有天等[3]根据沿层面渗流极不均一的特点,指出如何建立统计模型,以代表层面渗透极不均一性是渗流分析的前提,他们用不相关的随机模型作为层面渗流计算模型,将要分析的层面划分成等面积的小区,每个小区的渗透系数按正态分布,由给定的渗透系数均值及方差,用计算机生成一组正态分布的渗流分析的层面统计模型的样本这个模型考虑了施工质量的离散性而造成渗透系数的离散性,而渗透系数的离散性对渗控设计的影响是相当大的,这种观点及理论是先进的,但由于问题的复杂性仿真难度较大尽管对碾压混凝土渗流研究是近年来发展起来的,但人们对裂缝渗流的研究却有几十年的历史,国内外学者提出了许多解决裂隙岩体渗流计算模型鉴于碾压混凝土的层面结构特点与裂隙岩体有些类似,在分析其渗流时,常借用分析裂隙岩体渗流的方法来研究目前用于分析碾压混凝土坝渗流问题的计算模型可归纳为等效连续介质模型、离散裂隙网络模型和双重介质模型
1.3位移分析方面国外位移资料分析工作起步较早1955年,意大利的法那林和葡萄牙的罗卡等,应用统计回归方法定量分析了大坝的变形观测资料在此基础上,法那林等又于1977年提出了混凝土大坝变形的确定性模型和混合模型,即将理论计算值(运用有限元计算)与实测数据有机地结合起来法国在资料分析方面力求简便和迅速,采用了MDV方法监测大坝,即在测值序列中去掉水压和温度分量后的剩余部分(时效和残差),并分析其规律,判断大坝的运行工况我国的大坝监测资料分析工作起步较晚在1974年以前主要是定性分析,即通过绘制位移过程线和算出特征值来分析大坝的运行状态1974年以后,陈久宇等[4]应用统计回归分析原型观测资料,并将分析成果加以物理成因解释80年代中期,吴中如等[5]对影响混凝土坝体位移的因子作了深入研究,导出了时效位移的表达式,用周期函数模拟水压等周期荷载,并用非线性二乘法进行参数估计;提出了坝体水平位移的时间序列分析法以及建立连拱坝位移确定性模型的原理和方法自20世纪80年代末,蓝悦明等逐渐将灰色系统理论(Grey System).模糊数学、神经网络等引入大坝安全监控领域,建立位移预报模型,分析评价大坝的安全性近几年来,国内外资料分析工作向纵深发展吴中如等[6]通过引入空间三维坐标,提出了混凝土坝空间位移场的时空分布模型,将单测点模型拓宽至空间三维;黄铭、李珍照等17」提出了重力坝位移二维分布模型,且把单测点统计模型扩展为空间多测点统计模型鉴于施工期坝基开挖卸载的时间效应以及加载过程中基岩和坝体压缩变形的时间效应,对坝体位移和应力有显著影响且监测系统不到位的情况,吴中如等用基岩和大坝的粘弹性模型,分析坝体和基岩施工期的变形,建立了一种特殊的施工期位移监控模型上述研究工作,在常规混凝土坝中开展比较深入,并取得了大量的研究成果,但在碾压混凝土坝中研究较少,且不少地方为研究空白
1.4资料反分析方面资料反分析是根据原型观测资料,引入适当数学模型,求出正分析中的计算参数和计算模型等大坝和坝基存在某些不确定因素,因此,原型观测与反馈工作得到了广泛应用和发展国内外对大坝的反馈工作开展比较深入,尤其是混凝土坝的反馈分析吴中如等[8]提出利用原型观测资料,由确定性模型或统计模型并结合有限元计算成果,反演大坝的综合弹性模量、混凝土导温系数、温度线膨胀系数、断裂韧度、纵缝等价摩擦系数、拱坝温度荷载、徐变度等方法;Giusepptti等[9]提出有明显物理概念的确定性模型,并以此来反演坝体的弹性模量、温度线膨胀系数在渗流参数反分析方面,国内外学者做了大量的研究工作,王士军、刘嘉忻[10]利用钻孔中实测的地下水位,通过反分析推算土石坝坝体和坝基的渗透系数;吴中如等利用测孔水位和渗流量,结合渗流有限元分析,反演坝体和基岩的渗透系数上述研究工作,目前主要在常规混凝土坝内进行,而对于碾压混凝土坝则处于起步阶段
1.5渗流场与应力场耦合分析方面渗流场与应力场耦合分析起源于20世纪70年代Bellier和Wittke等[11,12]分析法国Malpasset拱坝失事原因时,发现坝基渗流场与应力场相互作用是垮坝的主要原因拱坝受载后坝基裂隙岩体产生应力集中,改变了裂隙岩体的渗流场,使渗压增加,并相互作用,从而导致拱坝失稳之后,国内外众多学者开始涉足这个领域Gale等研究了均布正交裂隙中渗流场随介质应力的变化;陶振宇等用耦合有限元法分析了对水库诱发地震有利的断层组合但在碾压混凝土坝方面,渗流场与应力场耦合分析研究尚在起步阶段,这方面研究成果较少
1.6变形监控指标研究方面变形监控指标是监控大坝安全的重要指标,是当前国内外坝工界研究的重要课题由于影响大坝变形的因素很多,如地形、地质、坝型、筑坝材料、施工质量和运行时间等,因而拟定变形监控指标的难度较大,国外在这方面的报道很少在国内,吴中如等[5]对此问题进行了研究,提出了用置信区间法、典型监控效应量的小概率法、极限状态法,拟定坝体和坝基的位移监控指标置信区间法简单、易掌握然而,当大坝没有遭遇过最不利荷载组合或者资料系列很短,则在以往监测效应量的资料中,不包含最不利荷载组合时的监测效应量,显然用这些资料建立的数学模型只能用来预测大坝遭遇荷载范围内的效应量,其值不一定是警戒值同时,资料系列不同,分析计算结果的标准差也不相同;显著性水平不同,置信区间也不同;如果标准差较大,由该法定出的监控指标可能超过大坝监测效应量的真正极值另外,该法没有联系大坝失事的原因和机理,物理概念不十分明确,以及没有联系大坝的重要性(等级和级别)等小概率法定性联系了对强度和稳定不利的荷载组合所产生的效应量,并根据以往观测资料来估计监控指标,显然比置信区间估计法提高了一步当有长期观测资料,并真正遭遇较不利荷载组合时,该法估计的监控指标才接近极值,否则只能是现行荷载条件下的极值然而,确定失事概率还没有规范,失事概率取值带有一定的经验性,所以,由此估计的监控指标不一定是真实的极值与此同时,该法没有定量联系强度和稳定控制条件极限状态法求得的监测效应量的监控指标是该效应量的极值但是必须有完整的大坝和地基的材料物理力学参数的试验资料,并求得的效应量极值与选用的材料本构模型有关对于安全监测指标的拟定,常规混凝土坝正在开展这方面的研究工作,而对于碾压混凝土坝,过去的研究很少,几乎是一个研究空白
1.7稳定分析方面在稳定分析方法方面,经典的基于力学机理的分析方法已趋于成熟,即通过确定最危险的滑裂面,获得滑裂面的各种参数,再经计算得到安全系数目前众多学者致力于从系统论、信息论、控制论角度出发,来研究大坝、基础或边坡稳定性卓家寿等用干扰能量法来确定滑裂面、滑动方向,并导出了最小稳定安全系数上述方法比较成功的应用于常规混凝土坝,但对于碾压混凝土坝,尚有很多技术问题有待进一步研究2研究进展众所周知,大坝与基础存在较多不确定因素因此,原位监测资料分析与反分析被坝工界列为研究重点对于常规混凝土坝,国内外许多学者如Fanelli、陈久宇、吴中如、朱伯芳等在这方面进行了大量工作,取得了较多成果,并得到广泛应用而对碾压混凝土坝,尽管在设计和施工时,对影响碾压混凝土坝工程质量的因素如混凝土配合比、浇筑温度、碾压质量、施工工艺以及混凝土养护等作了分析和研究,然而,对原位监测资料的分析和反分析研究还不深入,以至某些碾压混凝土坝出现裂缝、漏水等,难以加以解析这除了碾压混凝土筑坝历史相对较短外,最重要原因在于碾压混凝土坝的薄层碾压的层面和温度等比较复杂,与之对应的荷载、计算参数、边界条件、计算方法等还难以精确模拟,使目前水工设计还难以做到完全与工程实际相吻合,有时会有较大的出入;而且目前国内外有关这方面的资料甚少为此,以河海大学为首,结合多座碾压混凝土坝原位观测资料,对碾压混凝土坝安全监控理论及其应用进行了深入的研究和分析,在施工期的分析及反分析理论和方法、渗流分析及反分析理论和方法、蓄水期的分析及反分析理论和方法、运行期的分析及反分析理论和方法、拱坝坝肩稳定分析的监控模型等方面取得了大量的研究成果[13]在下列方面有创新和突破1针对坝体埋有一定数量的温度计情况,提出以这些温度计的测值为约束条件,用有限元法建立碾压混凝土坝坝体温度场时空分布模型;利用受气温影响显著的坝体下游表面埋设的温度计测值,反演坝体热力学参数;然后模拟坝体施工过程,用三维有限元分析坝体温度场的变化过程2利用坝体在施工过程中埋设的一些应力应变计的观测资料,研究并提出根据观测得到的应力应变资料,反演碾压混凝土徐变参数的方法,并由此用反演所得的徐变参数、热力学参数,模拟施工过程,用粘弹性有限元分析坝体应力变化序列及转异特征3层面是碾压混凝土坝渗流的薄弱面,许多学者通过试验证明了这点,但在理论上研究的并不多为此通过分析碾压混凝土坝的渗流特性,以薄层单元模拟层面,采用恰当的数学模型,反演坝体渗流参数然后,正演分析碾压混凝土坝的渗流规律,定性和定量分析层面影响碾压混凝土坝渗流场的机理4鉴于碾压混凝土坝的组成材料及施工工艺与常规混凝土坝不同,为此,引入伯格斯模型、广义凯尔文模型、萨瓦拉模型等粘弹性和粘弹塑性模型,以薄层单元模拟层面,用非线性有限元建立蓄水期大坝的变形确定性模型;并根据实测位移资料反演的变形参数,拟定变形监控指标5在运行期己逐渐形成渗流场,碾压薄层层面的渗流,使得渗。