Page 6 - 2023年第54卷第4期

中，可能引起开裂，从而对大坝安全带来不利影响。
但实际上，截止目前很少有重力坝观测到坝踵拉应力。王志远 ［１８ － ２０］ 对新安江、五强溪、丹江口以
及美国方坦那等 １０余座重力坝观测应力进行了分析，结果表明蓄水后坝踵均处于受压状态，平均竖
向压应力在－ １．０～ － ２．３ＭＰａ 之间，部分与蓄水前相比压应力反而增加，平均增加 － ０．２８ＭＰａ ，且库水
位变动对应力影响较小。结论认为 “重力坝坝踵基本处于受压状态，蓄水后在垂直方向的压应力不是
增加了就是维持原状，迄今为止尚未发现因库水位上升导致坝踵如通常设计所预期的那样使拉应力迅
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速增长的实例”。钮新强 ［２１］ 基于三峡应力实测结果，指出泄 ２坝段坝踵压应力在蓄水前最大达 － ５～
－ ６ＭＰａ ，蓄水后压应力减小但减小量值在 １ＭＰａ以内，远小于材料力学和有限元计算结果，且始终处
于较大的受压状态，与王志远 ［１８ － ２０］ 及其他学者介绍的龚咀 ［２２］ 、漫湾 ［２３］ 、丹江口 ［２４］ 、新安江 ［２５］ 、江
垭 ［２６］ 以及文献［２７ － ２８］等国内外重力坝的观测结果规律一致。
对于坝踵应力这种规律的形成原因，王志远 ［１９］ 认为主要是蓄水后混凝土的湿胀、坝体降温、基础
灌浆等因素所致。国外学者在萨扬舒申斯克水电站坝踵离上游面不同距离处埋设了专门的湿度计，实
［２０］
测蓄水前后上游坝面混凝土含水率增加 １．５％ ［２０］ ，计算出坝面的湿胀压应力达 － １．７７ＭＰａ 。樊明
哲 ［２９ － ３０］ 以黄龙滩、白水峪重力坝为对象，研究了湿胀变形对坝踵应力的影响，认为蓄水后混凝土的湿
胀变形是坝踵压应力增长的主要来源。彭虹 ［３１］ 也认为混凝土湿胀对压应力有较大贡献。长江科学院的
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研究结果表明 ［３２］ ，绝湿状态下混凝土受到水分侵入时，可产生大约 ２０ × １０ 的应变，若取三峡工程
Ｃ ２５混凝土弹性模量为 ２５ＧＰａ计算，可产生 ０．５ＭＰａ的压应力，由于坝体内部混凝土可近似绝湿状
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态，可以推断湿胀应力主要出现在大坝表面，不是实测压应力偏大的主要原因。张国新等 ［３３］ 分析了特
高拱坝坝踵应力的实测结果与计算结果的差异，认为坝踵仪器埋设位置、应力?应变仪器的局限性及设
计中未计入的部分温度荷载是造成差异的主要原因，同时扬压力是以渗透压力的形式主要作用于坝体
底部，可减小基础及混凝土之间的有效应力，也是影响坝踵应力的因素之一，但对位于坝体内部测点
的实测应力影响有限。周建平等 ［３４］ 以小湾拱坝为例比较了坝踵实测应力和计算应力的差距，提出增加
压应力观 测、以 有 效 应 力 为 观 测 指 标 的 建 议。温 立 峰 等 ［３５］ 、李 明 超 等 ［３６］ 、王 立 成 等 ［３７］ 和 张 国 新
等 ［３８］ 研究了水对大坝变形、应力及稳定的影响。
重力坝扬压力的研究已有一个多世纪的历史，众多学者，包括我国的张光斗 ［３９］ 、潘家铮 ［４０］ 、朱
伯芳 ［４１］ 、刘世康 ［４２］ 等都研究过这个问题，金峰在文献［４３］中进行了较为详细的综述分析。目前将岩
石和混凝土视为孔隙介质，采用广义有效应力原理计算应力，Ｂ系数取为 Ｂ ＝ １ － Ｃｓ?Ｃ ＝ １ － Ｋ?Ｋｓ的算法
得到了多数学者的支持，梁通等 ［４４］ 推导了基于广义有效应力原理的渗透力有限元方程并计算了取不同
Ｂ系数时对坝体应力的影响。
Ｂ系数的不同取值代表渗透力不同的作用强度，考虑基岩被构造面切割且渗透性好，一般取 Ｂ ＝ １ ，
混凝土的 Ｂ在 ０～１之间，取 Ｂ ＝ ０ 时渗透压力以面力的形式作用坝底，即面扬压力（规范扬压力的算法
等价于 Ｂ ＝ ０），当 Ｂ ＝ １时为渗透体积力。混凝土有效应力按广义有效应力公式计算。混凝土的 Ｂ系
数，早些年一般认为接近 １，近些年一 些 观 测和 研究 倾向 于 ０．５～０．６ ［４３］ ，金 峰等 ［４３ － ４４］ 的 研究认为：
“当基岩和混凝土的 Ｂ值不同时，在坝体和地基的交界面存在面力形式的水压力”。采用有限单元法计
算渗流场，进而按广义有效应力原理计算渗透荷载时，即可反映这种面力作用。
重力坝坝踵是一个应力状态非常复杂的部位，应力状态除受水压、自重和扬压力影响外，还受整
体温度荷载、坝踵附近的温湿度变化、渗透压力、孔隙水压力、坝踵与基础材料特性的非均质性、材
料的非线性等因素影响，多数因素规范方法无法考虑。在规范方法计入的荷载中扬压力作用于坝体底
面，默认坝踵是坝底面上游侧，而坝踵观测点一般设置在离坝底和上游面一定距离的混凝土内部，理
论坝踵和观测坝踵的位置差异，直接影响扬压力对坝踵应力的贡献。
本文以一座 ２００ｍ高重力坝为例，以典型剖面为分析对象，采用规范方法和有限元方法，以设计
扬压力分布与不同的扬压力作用形式（面力、不同 Ｂ系数的渗透力），研究扬压力对两种坝踵位置应力
的贡献，分析理论坝踵和实测坝踵的应力变化规律，揭示计算坝踵应力和实测坝踵应力差异中的扬压
力影响。

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