2009年12月.水利水電快報EWRHI .第30卷第12期試驗與研究文章編號: 100102009020000大壩性狀分析[塞爾維亞] B.J. 古濟納摘要:地殼的應力場變化與變形大多是由構(gòu)造活動引起的,不一定伴有表觀動態(tài)效應(即地震),并通過相互作用可能經(jīng)過壩基影響大壩。隨著大壩使用壽命的臨近，這種現(xiàn)象的發(fā)生及其對大壩性狀的累積影響變得更加可能。為了監(jiān)測大壩性狀并檢測可能存在的偏差,從設計階段開始直至整個運行期,都需要對其進行觀測。尤其是要盡早報告各種變化、確定其起源、預測其進一步的發(fā)展趨勢及其對大壩安全的影響。關鍵詞:大壩;壩變形;性能分析;應力分析中團分類號:TV698. 11文獻標識碼:A確定引起大壩性狀變化的實際原因,特別是在塊與不連續(xù)面)的特點是:具有影響地殼變形和應力早期觀測其變化,是一項極為復雜、涉及多個學科的場(即其對外生與內(nèi)生活動的響應)的地質(zhì)力學特工作。性。大壩性狀發(fā)生變化可能與以下情況有關:可以證明,地殼中表面應力場極不均勻,而且受(1)大壩和(或其基巖的物理力學性能發(fā)生了地形 溫度變化等的制約。地殼或巖石變形因荷載變化;變化產(chǎn)生的變化與基質(zhì)巖塊和一系列不連續(xù)面的變(2)巖石圈發(fā)生內(nèi)生演變過程(構(gòu)造活動),然形有關。不連續(xù)面的變形可能在兩個方向發(fā)生,或后經(jīng)過基巖傳遞到大壩。者垂直于不連續(xù)面(包括張開),或者沿不連續(xù)面可在上述兩種情況下,大壩性狀的變化或異?？赡墚a(chǎn)生滑移,甚至可能兼而有之。第1種變形是垂能相似,本文對這兩個問題進行了研究。直于平面節(jié)理的應力變化的非線性函數(shù)。如果裂縫由于內(nèi)生活動引起的壩基性狀異常一般是間斷張開,巖石圈半空間就會發(fā)生局部斷裂。由于應力性發(fā)展和出現(xiàn)的,只有在大壩運行一段時期后 ,大壩變化,垂直于不連續(xù)面的應力趨于拉伸時，就會產(chǎn)生或其附屬建筑物已經(jīng)發(fā)生破壞時才能被發(fā)現(xiàn)。不連續(xù)面張開。本文旨在幫助及早發(fā)現(xiàn)和識別上述第2種現(xiàn)象地殼上部的應力場是由于重力、構(gòu)造活動以及及其對壩基性狀的影響,以及促進對監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)溫度變化形成的。應力場由主應力及最大主應力軌跡線表示。巖石圈內(nèi)的主應力通常隨深度的增加而解讀手段的升級和現(xiàn)代化。增大。觀測到地殼構(gòu)造活動區(qū)的應力場容易隨時間1地殼的應 力場變化與變形的變化而變化,即應力場是變化的,不受控制。某- -給定巖石圈區(qū)域發(fā)生變化的位置、范圍與速度及其本文將地殼視為- -個非均勻的半空間(或準空地質(zhì)力學特性取決于構(gòu)造活動以及外部因素的變間),將其分成若千個基質(zhì)巖塊和網(wǎng)格不連續(xù)面來進化,如土壤沖刷、石冰川巖層融化靜水壓力變化、滑行分析。不連續(xù)面主要是構(gòu)造活動和其他荷載及其坡活動、水庫蓄水等。變化產(chǎn)生的斷裂。半空間的兩個組成部分(基質(zhì)巖中國煤化工應的變形與位移收稿日期:2009-08-20FYHCNMHG2009年12月水利水電快報EWRHI .第30卷第12期(包括其上部區(qū)域)以及變形特性的潛在變化(局在非承壓含水層中,含水層內(nèi)構(gòu)造荷載的變化部)。后者可能是局部或者區(qū)域性出現(xiàn),沿不連續(xù)面引起測壓水頭梯度臨時發(fā)生變化，并導致水通過水呈均勻或不均勻分布。此外,應力場即使沒有發(fā)生力有效孔隙向自由表面流動,反之亦然。對于后一重大變化,地殼也可能產(chǎn)生位移。種情況,水的流動一直持續(xù)到在水力有效孔隙內(nèi)形應力場的變化常常是無規(guī)律的，變化強度有大成測壓水頭場的初始變化狀態(tài)。在該過程期間,最有小,不- -定產(chǎn)生察覺得到的動態(tài)效應(地震)。在后在巖石基質(zhì)中形成應力場,在節(jié)理系中形成接觸橫跨構(gòu)造驅(qū)動力軌跡線的區(qū)域內(nèi)，應力場變化以及應力,其前提都是含水層的水文條件(人流量或者出伴生的變形可能是相當發(fā)散和無法預測的。流量)沒有發(fā)生變化。對于地殼上部區(qū)域的應力場變化及變形,可以測壓水頭場臨時變化的幅度與持續(xù)時間取決利用壩址地形加以調(diào)整。變化可能包括殘余應力釋于:放,伴有變形以及動態(tài)效應。內(nèi)生過程和/或外生過(1)構(gòu)造荷載變化的量級與時程;程叮能引發(fā)這些變化。(2)幾何形狀、水力特性和含水層的邊界條件;如果地殼中外部(外生)荷載的變化與構(gòu)造活動(3)節(jié)理系孔隙的變形特性。-致,其相互作用可能產(chǎn)生額外的效應。水庫蓄水如果發(fā)生地震，預計測壓水頭場的短期變化可與放空以及地下水位的大幅變動,都有可能造成沿能有所加快。由于測壓水頭場的瞬時變化,可能導不連續(xù)面的不均勻位移。沿現(xiàn)有的和新發(fā)育的不連致巖石圈產(chǎn)生額外(局部)的可恢復變形。相應位移續(xù)面無論是否產(chǎn)生不均勻位移都會使應力場發(fā)生變一直持續(xù)到測壓水頭場達到穩(wěn)定狀態(tài)以及與斷裂半化,使地殼變形,并可能伴有動態(tài)效應。在應力場不空間構(gòu)造荷載變化有關的巖石圈發(fā)生最后變形。穩(wěn)定的區(qū)域,外部(外生)荷載的變化可能產(chǎn)生額外在承壓含水層中,構(gòu)造荷載的變化必然同時伴的構(gòu)造效應,并伴有變形與動態(tài)效應。除發(fā)生大規(guī)模地震之外，地殼變形的變化常常有測壓水頭場的永久變化,穿過.上覆不透水層的水不會引起大家的關注。主要是在長距離施工(如道力斷裂除外。當含水層對上覆地層的靜水壓力超過路與隧洞等)中觀測地殼變形,在此類工程中,土體地靜壓力時,如果構(gòu)造荷載上升,則可能發(fā)生后一種不穩(wěn)定、溫度變化和其他影響常常會引起變形。情況。最好選擇能夠自動記錄連續(xù)壓力的封閉式點式2測壓水頭的變化測壓管來監(jiān)測應力場變化的潛在影響。在某些情況含水層內(nèi)測壓水頭場由于地殼的應力場變化與下,在不同鉆孔深處開展多級監(jiān)測是記錄測壓水頭變形而發(fā)生的變化是本研究的主題。本文的含水層的一種合適方法。是指具有- -定有效孔隙率并充滿水的一部分地殼，測壓計應埋在建筑物的兩側(cè)，以監(jiān)測潛在的活即水飽和又有一定滲透性、允許抽水或注水的透水斷層。在石灰?guī)r含水層中,在密集巖溶區(qū)的下面也應安放測壓計。對于承壓或半承壓含水層,可采用巖石區(qū)?；顒訕?gòu)造演化、氣壓變動、重力以及其他荷載對敞開式測壓計或管柱盡可能窄的測壓計(安放在含巖石圈的影響都有可能引發(fā)測壓水頭場的瞬時變水層覆蓋層之上),以減少測壓計的惰性?；Ｔ诤奢d變化-定時,測壓水頭場的變化取決于采用上述測壓計應能確定并預測在具有水力有含水層的類型及其水力有效孔隙的類型與特性。效孔隙且充滿水的區(qū)域,巖石圈內(nèi)的應力場是否發(fā)可將含水層分為以下幾種類型:生變化，也可以連續(xù)自動地記錄測壓水頭。(1)非承壓含水層或半承壓含水層,其上表面在地震發(fā)生之前,巖石圈相應部分的應力場發(fā)直接與大氣壓接觸;生了變化。視含水層中這些變化的速度而定,常伴(2)全承壓含水層,不與大氣壓直接接觸。有測壓水頭場的相應變化。測壓水頭場的變化被視當構(gòu)造荷載發(fā)生變化時,含水層中的地下水也為地震的征兆或地震的后果。承擔一部分荷載。節(jié)理中滯留的水承擔了一-部分節(jié)中國煤頭變化時,隨著時理系的荷載,而海綿狀孔隙中滯留的水可以取代一間的接觸應力會臨時部分巖石基質(zhì)荷載。在非承壓含水層中,部分承擔減少CNM HG-步引起沿不連變化的構(gòu)造應力是暫時的。續(xù)面的不均勻位移,不-定產(chǎn)生表觀動態(tài)效應?！?.[塞爾維亞] B.J.古濟納 大壩性狀分析影響。3大壩與基巖之間相互作用的變化通常只有在對大壩進行長期觀測以后才能察覺壩基基巖代表巖石圈的上表面,與大壩一起承內(nèi)生源引起的巖石圈應力場變化與變形對相互作用受由于構(gòu)造活動在地殼中引發(fā)的應力場變化與變變化的影響。在建筑物使用壽命期間,可能多次出形。在此，大壩是指所有的附屬設施,包括灌漿帷現(xiàn)相互作用的變化,但不- -定總是在同一個方向。幕、排水系統(tǒng)、進水口、泄水建筑物或溢洪道以及附然而,任何破壞或損壞都是累積造成的。近的水電站等。內(nèi)生源相互作用的變化表明,大壩及早識別壩基中是否存在相互作用的變化絕非附近區(qū)域應力場的變化誘發(fā)了應力狀態(tài)的變化及沿易事。當這樣的變化常常類似于包括風化在內(nèi)的外生影響引起的變化時,情況尤甚。壩基節(jié)理的變形。在相互作用發(fā)生變化之后,在相當長的一-段時間4基巖性狀出 現(xiàn)的異常情況內(nèi),大壩可能不會顯現(xiàn)出遭受破壞的顯著跡象。在巖石圈內(nèi)發(fā)生應力場變化與變形時，相互作用的變化及壩基性狀出現(xiàn)異?？赡鼙砻鲀?nèi)生源引起巖石圈其對大壩的后續(xù)影響取決于但不限于以下因素:的應力場變化與變形。本文所指的壩基性狀出現(xiàn)異(1)河谷地貌;常是指應力、變形與位移以及大壩基巖的測壓水頭(2)壩區(qū)巖石圈上部應力場的特性;場與水庫水位發(fā)生了變化。主要是指由于以下幾種(3)壩基的地質(zhì)及地質(zhì)力學特性;情況而引起的意外變化:(4)大壩建筑物及其布置;(1)壩基的永久位移與變形超過預計值;(5)大壩基巖中應力場的原地狀態(tài);(2)壩基的位移和變形與水庫水位(即外部荷(6)綜合以上各種因素。載)的函數(shù)關系發(fā)生了永久變化;在壩區(qū),不論沿巖石內(nèi)的不連續(xù)面是否發(fā)生不(3)大壩基巖內(nèi)的測壓水頭場以及滲透水的總均勻位移,都可能造成內(nèi)生源的巖石圈變形。沿不量 與流型發(fā)生了意想不到的臨時變化或永久變化。連續(xù)面的不均勻位移可能對建在硬巖上的混凝土壩在確定是否出現(xiàn)異常情況時,首先必須確定并不利。就建在極易變形基巖上的混凝土重力壩而且消除測量與讀數(shù)可能存在的誤差,以及剔除采用言,這種相互作用的影響可能在壩基基巖產(chǎn)生塑性有缺陷的或率定不準的監(jiān)測設備獲取的數(shù)據(jù)。變形時結(jié)束,而塑性變形必然引起大壩應力發(fā)生--由于所列出的大部分異常情況可能是內(nèi)生因素定的變化,但不會對建筑物造成任何力學破壞。與外生因素共同造成的,下面分別按每種因素加以對于部分或全部建在破碎硬巖上的混凝土壩，總結(jié),以便確定是否存在由于構(gòu)造成因造成的大壩其整體性與安全性可能受到這種相互作用變化的影應力場變化與變形,并認識其對大壩建筑物和壩基響。在這種情況下,大壩可能阻礙巖石圈表面的未可能產(chǎn)生的影響。擾動變形,而且通過相互作用可能受到難以承受的4.1外生源引起的異常情況超大荷載的作用,從而產(chǎn)生變形和結(jié)構(gòu)破壞。對于建在峽谷中的大壩,特別容易發(fā)生后- -種情況。水通過靜水壓力作用在大壩基巖上。大壩傳遞相互作用的變化也可能影響土壩的灌漿廊道和到基巖的荷載,其分布取決于壩型、建筑物布置基灌漿帷幕或灌漿幕。如果巖石圈內(nèi)應力場的變化引巖本身的地質(zhì)力學特性以及基巖內(nèi)原地應力狀態(tài)。起壩址處的河谷展寬,繼之出現(xiàn)不連續(xù)面張開,則可直接作用在壩基上的水力荷載取決于所形成的測壓能出現(xiàn)這種情況。已經(jīng)證明,后一種情況對于建在水頭場，而后者可能受壩基基巖內(nèi)止水和排水工程易蝕巖石上的任何壩型的大壩都是相當危險的,如及其水力效應的明顯影響。果大壩基巖存在可溶巖,則情況尤甚。4.1.1壩基永久變形由于內(nèi)生源相互作用的變化,不論靜水壓力是壩基永久變形可能與巖石基質(zhì)有關。隨著時間否引起大壩變形,有可能在各個方向上產(chǎn)生沿壩基的推移,在周期性荷載作用下，破碎巖石的永久變形節(jié)理的變形和位移。對于建在地質(zhì)力學性能不均勻隨著基礎沉陷的逐漸減小而增加(潰壩情況除外)。的基巖上的大壩,可能形成非常復雜的位移和變形中國煤化工:知時,永久變形狀態(tài)。對于建在陡峭峽谷中的拱壩,大壩兩翼巖塊取決于YHCNMHG其土力學特性。之間的不均勻位移可能暫時不會對大壩建筑物造成如果 填縫料被沖走,導致裂縫遭到永久擠壓,也可能●3.2009年12月水利水電快報EWRHI第30卷第12期.使永久變形增大。理內(nèi)法向應力占優(yōu)勢的原地狀態(tài)和水庫水位。4.1.2測壓水 頭場的永久變化在情況①時,從大壩傳遞過來的水力荷載以及測壓水頭場的變化可能與以下情況有關:直接作用在基巖上的水力荷載將由大壩以下及附近(1)節(jié)理系被堵塞;較大范圍的巖石區(qū)承受。在情況②時,水力荷載將(2)大壩基巖內(nèi)灌漿帷幕與節(jié)理系受損;只由大壩以下(或土壩的粘土心墻)和下游的巖石承(3)壩基巖石基質(zhì)遭受溶融或沖蝕;受。在情況③時,隨著水庫水位的變化,壩基的靜態(tài)(4)大壩基巖內(nèi)排水系統(tǒng)被堵塞。模式可能從①變到②,最后變到③。測壓水頭場發(fā)生永久變化與通過大壩基巖的滲如果大壩基巖內(nèi)應力場變化由內(nèi)生(構(gòu)造)活動漏通常是漸進式的,在大壩運行期間可能隨時發(fā)生。引起,則在大壩靜態(tài)模式下,可能發(fā)生變化。灌漿帷幕損壞與漿材從節(jié)理系中被沖走,或灌4.3.3 測壓水頭場與滲水的永久變化漿帷幕區(qū)的初始充填有關。在某些情況下,灌漿體大壩基巖內(nèi)應力場的變化將導致節(jié)理系變形發(fā)的抗沖力可能從一開始就很低,或隨著時間的推移,生變化,進而導致基巖的水力特性發(fā)生變化,灌漿帷由于伴生的物理化學過程,抗沖力可能越來越低。幕也受變形的影響。因此,通過大壩基巖的滲透和測壓水頭場將發(fā)生變化，伴有大壩基巖內(nèi)節(jié)理系水4.2內(nèi)生 源引起的異常情況力荷載的變化。沖刷導致橫跨帷幕的節(jié)理張開,進在這種情況下,可能的異常情況取決于較大范--步增大通過大壩基巖的滲透(與外生荷載情況相圍壩區(qū)巖石圈的應力場變化與變形,以及大壩建筑同)。如果在壩下已經(jīng)安裝了滲透水控制和監(jiān)測系物與其基巖之間相互作用的相應變化。此時,不論統(tǒng),可以證明它能比單個測壓計更可靠地反映壩基大壩外部荷載如何,異常都會經(jīng)常發(fā)生。異常主要內(nèi)測壓水頭場的變化。是零星發(fā)生的，且在大壩施工期間可能被激活。由于地震波的傳播,灌漿帷幕也可能發(fā)生永久性破壞,并將連帶影響測壓水頭場的變化。4.3大壩基巖的永久位移和變形4.3.4 測壓水頭場的瞬時變化這些位移和變形的基本特性之一-是:不論作用壩基內(nèi)測壓水頭場的瞬時變化是較大范圍壩區(qū)在大壩基巖上的活荷載的方向如何,各個方向都可巖石圈內(nèi)應力場變化的可靠指標和信號。這些變化能發(fā)生變化。位移和變彤是累積發(fā)生的,在大壩使可能強烈地影響混凝土壩的穩(wěn)定性,特別是如果排用壽命期間可能改變其位置與方向。雖然大壩基巖水系統(tǒng)設置不當或發(fā)生阻塞,則會影響拱壩壩肩的變形-般沿巖石圈最大主應力變化的軌跡線,但是穩(wěn)定性。同理,還會誘發(fā)水庫內(nèi)及其附近滑坡。壩基內(nèi)相互作用的相應變化可能很不均勻。對地震波傳播引起的應力場瞬時變化與短期變使用設置在靠近壩基的粘土心墻中的應變儀，化應加以區(qū)分。并通過觀測灌漿廊道中的變形與位移情況,便可確4.3.5地震引起的大壩基巖變形定土壩基巖內(nèi)變形的變化。在地屣期間,地震波會引起地殼中應力場的瞬這些變形可能表現(xiàn)為沿不連續(xù)面的基質(zhì)巖塊的時變化。在震中附近區(qū)域,隨著應力場發(fā)生額外的不均勻位移和不連續(xù)面張開,這視壩基基巖內(nèi)應力永久變化,可能誘發(fā)現(xiàn)有的和可能新發(fā)育的不連續(xù)場的前期狀態(tài)而定。面發(fā)生瞬時及額外的永久變形。4.3.1壩基內(nèi)變 形特性的變化壩基的相互作用也可能發(fā)生額外的永久變化。斷裂半空間的變形包括巖石基質(zhì)的變形與裂縫這些變化取決于諸如河谷地貌、基巖(基質(zhì)和節(jié)理.系統(tǒng)的變形。應變和應力與節(jié)理系之間的關系是非系)的地質(zhì)力學特性、基巖內(nèi)應力場的原地狀態(tài)以及線性函數(shù)關系。因此,如果由于構(gòu)造活動造成大壩大壩的型式和結(jié)構(gòu)等因素?；鶐r內(nèi)應力場變化與變形,進而會導致壩基變形特5未來的考慮性發(fā)生變化。4.3.2壩基靜態(tài)模式的變化中國煤化工的大壩,地殼中出在施加水力荷載時,如果大壩基巖內(nèi)的節(jié)理系現(xiàn)應,可能影響大壩建不能承受拉伸應力,則大壩基巖可能表現(xiàn)為:①1/2筑物MH..CNMHC狀出現(xiàn)異常可能空間;②1/4空間;③情況①和②的綜合,取決于節(jié)(下轉(zhuǎn)第14頁，4●2009年12月水利水電快報EWRHI第30卷第12期.中修復閘門。在扁平止水條的柔性范圍內(nèi),閘墻必另一端由齒輪箱和悶頭軸承支承。蝸桿固定到伸出須平行、平整并垂直于閘孔底板。扁平型止水的防齒輪箱的垂直軸上,并配置-一個手輪。滲效果可能比不上J型止水和導軌板。Hydro Gate公司的啟閉機能用固定在其頂部的電動閥門傳動裝置驅(qū)動垂直輸人軸,從而實現(xiàn)電動3.4閘門啟閉機.操作。該單元還包括1臺電動機、反轉(zhuǎn)控制器、用于啟閉機由具有2個卷筒的蝸桿蝸輪裝置組成,升降與停止的按鈕站、2個指示燈、齒輪傳動限位開可同時卷繞2根纜繩。單根纜繩從每個卷簡延長到關扭矩開關以及用于緊急操作的手輪。閘門面板的底部角落。配備電動操作機構(gòu)的啟閉機,利用邏輯控制方啟閉機齒輪箱由完全放在鑄鐵外殼中的蝸桿和法控制流量和水位,或者與其他過程控制的交互,可蝸輪傳動裝置組成。鑄鐵外殼固定在被錨固在閘墻實現(xiàn)弧形閘門的自動運行。頂部或一根支承梁 上的一個支架上。.趙艷春譯自英刊(水力發(fā)電與壩工建設>2008 年第12期卷簡軸由跨越閘孔的卷簡管和每端用于卷纜繩趙樹湘校和連接短軸的法蘭組成。- -端支承在一個軸座上, .(編輯:朱曉紅)(上接第4頁)對大壩基巖中測壓水頭場進行連續(xù)自動觀測，因為是巖石圈內(nèi)出現(xiàn)應力場變化與變形的征兆。因此，測壓水頭場中意想不到的瞬時變化可視為內(nèi)生源引必須確定大壩基巖中是否存在異常情況，預測其進起的基巖中應力場變化的-一個可靠指標。一步的發(fā)展趨勢,并分析其對大壩整體性的可能影在識別基巖性狀是否發(fā)生異常時,必須避免使響。當然,采取任何修復措施都應考慮到已經(jīng)識別用有缺陷的監(jiān)測設備,并保證測量精度。的異常情況可能是由內(nèi)生(構(gòu)造)因素或外生因素引對內(nèi)生源引起的壩基性狀異常進行分析,應包起的。括預測其進-步的發(fā)展及其對大壩整體性和安全性當內(nèi)生過程和外生過程相似時,識別單個異常的可能影響。情況出現(xiàn)的原因與起源是一項相當復雜的工作。為在大壩使用期間,隨著勘查與研究方法的不斷了盡早識別大壩基巖中內(nèi)生源引起的應力場變化與改進，上述問題的解決應該是構(gòu)造物理學進- -步研變形,設立一套精度和可靠性高的合適的監(jiān)測系統(tǒng)究的主題。很重要。在大壩運行期間,需要對該系統(tǒng)及測量結(jié)趙寧瓊譯自英刊(水力發(fā)電與壩工建設>2009年第1期果的相關分析工具不斷地進行更新和升級?？紫榱中Ｌ貏e應該注意的是:建立-一個相應的系統(tǒng),以便*************.***........*.*.*..*********.***..****.*.....**.......(上接第7頁)(3)錨噴支護對洞室變形有較好的控制作用,[3]王啟耀. 陡傾角層狀巖體中大型地下洞室群圍巖變形能夠有效地減小圍巖的變形和縮小塑性區(qū)的范圍。的預報與控制[博士學位論文][D].上海:同濟大學,2004.參考文獻:[4]蔣臻蔚 .王啟耀.陡傾角層狀巖體中巨型地下洞室群的圍巖穩(wěn)定問題[J].公路交通科技, 2005.22(6):127-[1]張玉琿,唐儀興.層狀巖體強度異向性地下洞室的有限130.元分析[J].地下空間, 199,19(1):30- 34.[2] D. 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