水库大坝蓄水和坝体混凝土结构受应力研究

　　摘    要：　水库大坝对于各区域的生活用水调配以及农业灌溉都有着十分重要的意义，同时大坝也是进行防旱和防涝的枢纽。而大坝裂缝对于水库大坝的战略应用及日常运作造成了非常严重的影响，因此，探讨并分析水库大坝应力变形及抗水力劈裂问题具有重大意义。本文将从水库大坝初次快速蓄水、蓄水速度以及坝体混凝土结构受应力三个方面着手，针对水库大坝受应力变形及抗水力劈裂问题展开研究，并提出一些相关的建议，望能为提高水库大坝的安全性及使用年限提供一定的参考与帮助。

　　关键词 :     水库大坝;应力变形;抗水力劈裂;探讨;

　　水库大坝的建造和投入使用，需要技术人员进行安全检测与管理，以保证水库大坝不会发生工程事故，同时要努力避免未来可能会出现的大坝裂缝问题[1]。目前我国很多水库的大坝存在应力变形以及抗水力劈裂的问题，对于此问题，业内学者给出了很多的解决方式，本文将针对应力变形产生的原因，结合蓄水问题，对水库大坝的受力和工程结构问题进行研究。

　　1. 水库初次快速蓄水对大坝应力变形和抗水力劈裂的影响

　　1.1 、国内部分水库施工蓄水过程

　　在建筑行业中修建水利大坝的施工蓄水过程有八个步骤，这八个步骤需要采用逐级加载的方式。首先第一个阶段是对地基覆盖层级两岸的山体进行蓄水，这个阶段是整个蓄水过程是否顺利的基础，其他七个阶段分别是在坝体横截面填充至328米，336米，354米，373米，396米，412米，428米时。

　　1.2、 有限元模型构建

　　如图1所示，对于大坝和水库的有限元三维立体模型，在构造上看起来并不复杂，但是如果加上材料和力矩这些要素就会变得难以计算。这时候如果用简单的BIM技术很难对有限元模型进行构建和分析。对于这样的模型构建需要用到八个节点，六个平面进行网格划分，同时还要应对，随时可能发生变化的气候情况和山体变动。对大坝进行应力分析少不了要对坝体和基岩的结构特性进行分析，力的作用离不开承载它的物质。水的压力以及在基面上所产生的应力是很复杂的模型，尤其是在水平面不断上升的时候，其力学系统的变化并不是线性的，而是各种非线性合力的组合。

　　图1 大坝有限元三维立体模型

　　1.3 、应力变形特性分析及抗水力劈裂分析

　　应力是物体由于外因变形时产生的内力，在对于应力的研究上，水库大坝的力学文献对其研究不够深入。在每一个不同截面上的单位面积的内力，都有着复杂的变化，对内力进行分析，应该对应力状态、应力张量、平衡微分以及参与应力消除的问题进行考量。在水库大坝的应力分析方面，我们主要用到的是塑性力学的应力张量，这样的力一般是平均正应力，应力偏量张量不是很大，而且是唯一的。从上图可以看出，在水面急剧上升的时候，劈裂渗透压力是向上的，而水压力是向下的，这样就容易造成水压楔劈效应，水压楔劈效应是造成坝体断裂和产生裂缝的主要原因之一。在对坝体的应力变形进行数值分析时，要考虑渗透单元，对每一个渗透单元的裂缝和裂缝的尖端进行定量分析。在坝体的顶端和高程部分要进行最大沉降和最大水平位移的数值统计，从而分析工程的可行性以及产生裂缝的可能性，尽量降低工程风险，提高大坝使用年限。

　　图2 变形特性分析

　　2. 蓄水速度对水库大坝应力变形特性的影响

　　对水库大坝影响最大的应力变形因素无疑是蓄水速度，由于水库本身的战略地位，其在面对水涝等自然灾害来临时，往往需要面对很极限的应力变化。在短时间内的水位快速变化，会对坝体的结构造成严重的冲击。蓄水速度过快，会在大坝本身产生巨大的应力，这种应力在实验室里很难模拟出来，只能在每一个小的结构单元内进行仿真模拟。水库大坝由于本身的设计思路和应用方向不同，在面对不同情况的自然灾害时，如果缺乏有效的应对措施，则在对大坝造成冲击的时候，会对周围的居民生活造成影响。

　　施工人员需对施工过程中的不确定因素和施工完成后的日常维修和管理等做好预备方案，保证水库大坝的使用年限和修建安全。对于不同的水库限制其蓄水速度要根据实际情况，应该先对当地的地质情况和大坝周围的建筑以及身体情况进行摸排勘察。对水库大坝附近的岩石情况进行排查至关重要，勘察人员需要勘测区域内的地形地貌，选择比较狭小的V型谷或者U型的基岩河谷作为修建地址。这个原因是由于U型谷或V型谷的岩石结构比较致密，能够有效节省修建基层的混凝土重力坝，而且这样的骨型能够对水流产生比较好的缓冲效果，对蓄水速度的限制并不高。岩石结构的抗水性能坚硬程度以及渗水性能需要有科学的评估方法，如果能够选择花岗岩为基岩结构是最好的。当然在一些岩石丰富的地貌附近，也容易产生风化岩石的现象，这时大坝的建设需要考虑加入混凝土，以防止坝体不稳的现象发生。一般来说，坝址需要选择在拥有隔水层的横谷，便于在水流经过时起到阻碍作用，而上游段的岩石结构也是水流缓冲作用的重要一环，便于对水流进行集中，使水库大坝发挥应有的作用。蓄水速度在不同季节也要受到一定的影响，在冬季由于温度使岩石和金属的影响小，物理性质相对稳定，唯一需要考虑的问题在于水库结冰。但在夏季温度较高时，金属材料容易发生膨胀现象，这将对蓄水速度产生较大影响。

　　3. 坝体混凝土结构受应力影响产生裂缝

　　由于现代水利工程中所用的大坝建筑材料是混凝土与钢筋，或者土石坝结构，这些材料在不发生重大自然灾害的情况下，能够保持其稳定性，但用久之后难免会产生质量问题。这样的裂缝产生，主要是由塑性收缩和温差导致的，在一些特殊情况下，还会产生安定性裂缝。由于混凝土在凝固的过程中会产生散热现象，对比较大块的混凝土来讲，在极端外界环境影响下，会产生一定的收缩应力，这样的应力在超过混凝土本身承受能力时，会造成断裂现象。由于水库大坝的组成结构包含金属材料和非金属材料，在两种材料结合的部分，金属材料的分子特性致密，且存在各向同性的性质，这种性质与钢筋混凝土内部混乱的结构不同，因此两者相交的界面上双方受到同样的内力，但内力的作用效果有所不同。

　　对于原材料使用钢筋混凝土而不使用其他材料，在经济学上是无法解决的。有很多材料用于建造水库大坝比混凝土要好，但是价格却十分昂贵。解决此问题可以从优化混凝土的材料配比方面出发，将农村的炉灰或者一些砂石掺入，能够有效的改善混凝土的硬度和可塑性以及能够有效地抗腐蚀。对于水库大坝应力变形，有一部分因素是因为混凝土的塑性收缩。由于混凝土的基层和模板之间的可塑性不是很好，或者喷洒的养护剂不够均匀，在遇到大风天气和比较暴烈的日光时，对混凝土的结构和物理性质会造成一定的影响，由于材料中会有呈弱酸性的硅酸盐水泥，容易对一些材料造成腐蚀，从而引起裂缝。呈现裂缝的本质也是因为应力不均匀同时作用在混凝土上的应力超出地基的承受能力。目前用于解决这种问题的方式是采取化学材料的嵌缝和水泥灌浆。在空气温度和湿度比较适宜的情况下，对产生的裂缝进行修补。灌浆加固与化学材料嵌缝不一样的地方在于，化学材料嵌缝是在施工过程中进行的，而灌浆加固是在容易产生裂缝的位置进行后续的预防处理。灌浆的流程比较复杂，需要凿槽、钻孔、冲洗等。

　　4. 总结

　　对水库大坝应力变形及抗水力劈裂进行探讨，从水库初次快速蓄水对大坝应力变形和抗水力劈裂的影响、蓄水速度对水库大坝应力变形特性的影响、坝体混凝土结构受应力影响产生裂缝这三个方面进行分析，指出了目前在水库大坝修建和使用中应力变形的原因和抗水力劈裂的一些方式，希望本文的研究和探讨能够对水库大坝的安全性和使用年限做出一定的贡献。

　　参考文献

　　[1]谢路云关于水库大坝工程安全检测的探析[J]建筑工程技术与设计,2018(04):1816.

　　[2]宁保辉来亦姝，王春磊，等前坪水库大坝应力变形及抗水力劈裂研究[J].人民黄河,2019,41(05):126-129.

　　[3]姜成俊阿白冲水库大坝静应力及变形计算分析[J].水利建设与管理，2018,38(02):37-42.

　　[4]刘洪德劈裂灌浆技术在水库大坝防渗施工中的应用[J]陕西水利,2018(04): 146-147.