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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。

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。此外，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