丰满混凝土重力坝及冻胀变形分析.docx

丰满混凝土重力坝的冻胀变形分析

卢正超，张进平，黎利兵，赵春，李素梅
中国水利水电科学研究院，北京，100044

摘要：本文根据混凝土结构的冻胀变形机理、典型混凝土试件冰冻变形过程并结合丰满大坝的温度过程特点，定性地解释了坝顶位移测值的历年“双峰”现象，界定了冻胀变形的涵义；采用温度等效变形的有限元分析说明受冻胀影响，坝顶廊道处的位移除上抬外还会有向上游的水平位移；利用包含冰冻因子的统计模型对坝顶位移的分析表明丰满大坝的加固工程对减小冻胀变形的影响确实起到了一定作用，位移测值“双峰”现象已不明显，但仍存在冻胀变形，表现出季节性的冻胀变形且时效变形仍有一定的发展趋势。
关键词：丰满混凝土重力坝，冻胀变形，变形分析，补强加固，老化评估
1丰满大坝的冻胀问题
丰满混凝土重力坝位于东北严寒地区，坐落在吉林省吉林市东南24km的第二松花江上。大坝最大坝高91m，坝顶全长1080m，分为60个坝段，坝段长18m，9#～19#为溢流坝段，21#～31#为发电取水坝段，其它为挡水坝段。大坝于1937年开始施工，1942年11月下闸蓄水，1943年第一台机组发电，1953年大坝全部完工，从水库初期蓄水至今已运行60余年。大坝施工质量较差，从1954年~1986年陆续进行了补充勘探、维修、补强、加固，大坝带病基本维持正常运行。在1986年以后对大坝进行了全面补强加固，至1997年底基本完成。补强加固的主要措施之一是坝顶加高1.2m至267.7m高程以及上下游面外包混凝土，一般为挖0.4m，浇1.0m，即加厚0.6m，但溢流面加厚1.2m。
1985~2004年上下游水位、气温测值过程线见图1。期间最高库水位264.73m，最低225.10m。下游水位在195.89~189.96m间变化。气温通常每年10~11月出现负温，持续到次年3~4月。

图11985年以来上下游水位及气温测值过程线
图2上游水位及坝顶激光位移过程线
在数十年长期运行过程中丰满大坝发生了较严重的老化病害，包括表层的疏松开裂局部剥落、溢流面鼓包及大面积冲毁、坝顶抬高、水平施工缝脱开、溶蚀等。就变形监测而言，坝顶沉陷水准观测资料显示的坝顶抬高问题从1963起便引起人们的注意。坝顶垂直位移的突出特点是历年“双峰”现象及长期抬高的趋势性变化，如图2所示。经多方面的研究排除了观测误差、坝基变形、碱骨料反应等的影响，认为坝顶抬高是冻胀引起的[1]。春汛的影响也可排除，因为位移“双峰”的初次峰值多发生在春汛之前，无春汛年份亦有“双峰”现象。坝顶廊道廊道引张线及真空激光准直水平位移的观测资料显示，坝顶水平位移实际上也存在“双峰”现象，如图2所示。
如何更好地分析、解释历年“双峰”现象及趋势性变化，对于了解、评价冻胀对变形性态的影响以及进行大坝的老化评估是很有意义的。本文从混凝土结构的冻胀变形机理解释了“双峰”现象的形成机制，利用有限元等效模拟计算说明冰冻作用对坝顶处的垂直及水平位移的影响，最后利用包含冰冻因子的统计模型对1997年1月至2004年12月时段坝顶廊道真空激光准直观测的垂直及水平位移资料进行了分析。
2混凝土的冻胀机理及大坝的冻胀变形
混凝土结构中的冰冻作用是一个历时较长的复杂的物理过程，其具体的作用机制至今尚未形成统一的认识。主要有三种解释[2]：（1）水结冰后体积增加9%，在混凝土内部孔隙中形成水压力。在超过混凝土的抗拉强度时，混凝土发生破坏；（2）冰透镜体的形成。由于混凝土中大一些的结冰的孔隙的蒸汽压力与小一些的存在自由水的孔隙不同，使得自由水往结冰处流动并即结成冰，由于冰与水的体积差异，自由水受到挤压，从而第一种机制发生作用；（3）渗透作用。混凝土中孔隙水中的物质如石灰、盐等对水的冰点有影响。由于这些物质不会进入冰中，结冰处附近的物质浓度随着冰的形成逐渐升高。在渗透作用下，其他孔隙的水会往结冰处流动，从而降低物质浓度，使得结冰持续进行。尚未结冰的孔隙水受到挤压，形成了水压力。
混凝土的冰冻作用取决于多种因素的共同作用：（1）混凝土的饱和度；（2）混凝土的孔隙结构；（3）混凝土的孔隙水化学成分；（4）负温作用（冰冻速率、冰冻周期长度）等。混凝土孔隙水结冰往往存在超冷现象（低于零度仍不结冰）。
从混凝土耐久性的角度来看，混凝土的反复冰冻作用是一种渐进破坏过程（冻融破坏），会导致混凝土的强度（抗拉、抗压、抗折）降低、弹模下降和/或质量损失等质量劣化，冻融破坏过程实际上是水化产物结构由密实体到松散体的过程，而在这一发展过程中，又伴随着裂缝的出现和发展，但水化产物成分基本保持不变，基本上是一物理变化过程[3]。
从结构变形的角度来看，混凝土结构的在冰冻作用下，在冰冻范围自外往里逐渐扩展过程中除温降作用下的收缩外还会产生一定的膨胀，冰冻范围自外往里逐渐消退过程除温升作用下的膨胀外