水利工程論文-碾壓混凝土拱壩沿層面破壞機(jī)理研究.doc

水利工程論文-碾壓混凝土拱壩沿層面破壞機(jī)理研究摘要：結(jié)合沙牌碾壓混凝土拱壩的非線性有限元計(jì)算，仿真結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)和巖灘碾壓混凝土拱圍堰炸除的實(shí)地考察，研究碾壓混凝土的本構(gòu)關(guān)系，沿層面產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)的原因，形成各向異性。用數(shù)值計(jì)算和仿真試驗(yàn)?zāi)M薄弱環(huán)節(jié)。在超載時(shí)層面首先開(kāi)裂，隨著超載加大，拱壩失去承載能力，直至壩體沿層面破壞，這與均質(zhì)的石膏結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)有本質(zhì)區(qū)別，它無(wú)法反映沿層面破壞的特征，而沿45方向破壞。炸除巖灘圍堰也證明了沿層面破壞的機(jī)理。因此對(duì)層面進(jìn)行“熱縫”澆筑和加墊層鋪筑，對(duì)提高層面抗剪和抗拉強(qiáng)度具有重要意義。關(guān)鍵詞：碾壓混凝土拱壩破壞機(jī)理層面常態(tài)混凝土拱壩結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究，一般用石膏模型進(jìn)行模擬。石膏為脆性材料，視為均質(zhì)體，壩體也為均質(zhì)體，與混凝土性能比較接近，其超載破壞特征如圖1所示，裂縫多數(shù)垂直于壩基面與水平面成一個(gè)傾角。筆者在承擔(dān)的九五國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目子題“高碾壓混凝土拱壩承載能力研究”中，用原型材料模擬拱壩，避免了復(fù)雜的模型材料相似轉(zhuǎn)換，形象直觀，在國(guó)內(nèi)屬首例。模擬層面結(jié)構(gòu)施工工藝，突破了壩體勻質(zhì)的設(shè)定，考慮碾壓混凝土破壞沿層面產(chǎn)生，并用ANSYS程序進(jìn)行非線性有限元計(jì)算，也獲得了類(lèi)似結(jié)果。與常態(tài)混凝土拱壩有本質(zhì)的區(qū)別。對(duì)巖灘碾壓混凝土拱圍堰炸除進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，也說(shuō)明了碾壓混凝土拱壩沿層面破壞。1碾壓混凝土拱壩的本構(gòu)關(guān)系碾壓混凝土拱壩分層碾壓，每層約30cm，根據(jù)施工情況，對(duì)層縫的處理方式及縫的結(jié)合質(zhì)量有所不同。所謂“熱縫”，間隔時(shí)間短，在初凝之前則直接覆蓋混凝土，碾壓層面呈骨料嵌入狀態(tài)，通過(guò)鉆孔取芯樣看出，骨料相互嵌入，“熱縫”基本上看不出縫，可近似看作為均質(zhì)體。施工縫及冷縫，間隔時(shí)間超過(guò)了終凝時(shí)間，或者超過(guò)了加墊層拌合物鋪筑允許的時(shí)間，雖然表面進(jìn)行了刷毛，沖毛，并清洗干凈后鋪水泥粉煤灰砂漿等措施，但沒(méi)有骨料相互嵌入，形成一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。至于初凝后，在加墊層鋪筑允許時(shí)間之前的縫面情況，介于二者之間，一般采用鋪筑水泥粉煤灰漿即可連續(xù)澆筑，并達(dá)到和滿(mǎn)足對(duì)層間結(jié)合的要求，但相對(duì)說(shuō)來(lái)，縫的不均勻程度和產(chǎn)生薄弱面的可能性要比“熱縫”要大。對(duì)于熱縫和在加墊層鋪筑允許時(shí)間之內(nèi)形成的縫，大量的層面易產(chǎn)生隱狀的層狀結(jié)構(gòu)，影響層面的粘結(jié)強(qiáng)度，其原因有以下幾個(gè)方面：拌合后的混凝土運(yùn)輸平倉(cāng)過(guò)程中，產(chǎn)生骨料分離，骨料顆粒鋪在層面上，粘結(jié)較差；碾壓混凝土在碾壓過(guò)程中形成孔隙和多余的水分排出困難，使層面形成薄弱環(huán)節(jié)；下層混凝土表面的干濕狀態(tài)不符合施工要求，碾壓混凝土的稠度VC值過(guò)大或過(guò)??；卸料集中，鋪料厚度過(guò)大，振動(dòng)壓實(shí)能量不足，密實(shí)度小于要求值，這些因素都將引起層面薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)VC值適中，層面在初凝前便覆蓋，碾壓使上層骨料嵌入到下層混凝土之中，形成咬合，看不出層面。研究工作制作32塊試塊(150mm150mm150mm)，分兩組進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，第一組順試塊1/2水平面劈拉，第二組垂直水平面劈拉，第一組抗拉強(qiáng)度比第二組低10%12%，但也有少數(shù)試件僅低于5%6%。第二組則代表碾壓混凝土本體性能。使碾壓混凝土產(chǎn)生了各向異性狀態(tài)。2層面模擬冷縫及在加墊層鋪筑允許時(shí)間內(nèi)部份的縫面由于層面沒(méi)有骨料相互嵌入，抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都低于碾壓混凝土本體，按抗拉強(qiáng)度約低20%計(jì)。對(duì)沙牌拱壩進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)施工具體情況取每10m為一層。ANSYS程序規(guī)模龐大，節(jié)點(diǎn)單元均可超過(guò)2萬(wàn)，方可模擬層面狀態(tài)。超載計(jì)算只計(jì)入自重和水壓力，不計(jì)溫度荷載。設(shè)計(jì)水壓力作用下徑向位移r的分布特征，由于壩軸線左右岸不對(duì)稱(chēng)，壩體徑向位移分布不對(duì)稱(chēng)，右半拱位移大于左側(cè)拱。最大徑向位移32.08mm位于壩頂拱冠上游偏右岸，大約距拱冠1015m處。圖2表示出壩體上游徑向位移分布(括號(hào)內(nèi)為第一模型試驗(yàn)值)。當(dāng)自重不變加到2.82倍設(shè)計(jì)水壓力時(shí)，拱壩失去承載能力。除周邊裂縫貫穿壩體上下游外，主要裂縫位于壩體中部的水平層面。圖3給出拱壩破壞前上下游面的主要裂縫(破壞后的裂縫無(wú)法給出，因?yàn)楣皦尾荒艹休d時(shí)，程序不能給出收斂解)。從圖可以看出，破壞前，層面在下游面全部拉開(kāi)，拱壩底部1760.01770.0m高程之間的層面裂縫幾乎上下游貫通，1770.0m高程以上的層面在靠近拱端處上下游貫通，未達(dá)到拱冠，右拱端開(kāi)裂嚴(yán)重。當(dāng)水壓力超載倍數(shù)為1.5時(shí)，1760.01800.0m高程之間的層面裂縫主要位于拱端，1800.0m高程以上除拱端外，下游拱冠處也有局部開(kāi)裂。當(dāng)水壓力超載倍數(shù)為2.8時(shí)，層面裂縫由下游向上游、由拱端向拱冠擴(kuò)展，直到完全不能承載。(a)1.5倍設(shè)計(jì)水壓力(b)2.8倍設(shè)計(jì)水壓力圖3碾壓混凝土層面開(kāi)展情況(陰影部分代表開(kāi)裂)3超載試驗(yàn)及破壞特征沙牌拱壩最大壩高132m，其中拱壩高117.5m，弧高比2.13，厚高比0.238，最大半徑R224.75m，采用三心圓拱，材料二級(jí)配C20，三級(jí)配C20。模型比尺180，頂厚0.12m，底厚0.35m，弧長(zhǎng)3.13m，模擬每層厚0.10m，間隔4h。1998年9月4日澆筑第一個(gè)模型，2000年6月3日澆筑第二個(gè)模型。采用扁千斤頂加水壓荷載，自重荷載簡(jiǎn)化后加到壩頂。3.1第一個(gè)模型2.0倍設(shè)計(jì)水壓力下的應(yīng)力分布和徑向位移。拱向壓應(yīng)力y：上游最大拱向壓應(yīng)力y=-12.01MPa，向兩岸逐漸減小，全部受壓，右側(cè)壓應(yīng)力大于左側(cè)。下游拱向應(yīng)力全部受壓，兩端壓應(yīng)力最大，y=-18.82MPa，受橫縫的影響中部應(yīng)力呈馬鞍型。梁向應(yīng)力z:上游面以受壓為主，最大壓應(yīng)力z:-6.83MPa，下游梁向應(yīng)力以受拉為主，最大拉應(yīng)力z:5.54MPa(實(shí)際應(yīng)變值為212)。徑向位移以拱冠為最大，r=88.8mm，向兩岸逐漸減小，從壩頂向壩底減小，兩條橫縫處最大徑向錯(cuò)動(dòng)12mm。3.2第二個(gè)模型(1)2.0倍設(shè)計(jì)水壓力下的應(yīng)力分布和徑向位移。拱向應(yīng)力y:上游最大拱向應(yīng)力y=-10.87MPa，向兩岸逐漸減小，全部受壓。下游拱向應(yīng)力幾乎全部受壓，兩端壓應(yīng)力最大，y=-12.66MPa，中部因受橫縫的影響應(yīng)力呈馬鞍型。梁向應(yīng)力z:上游面壩踵以受拉為主，最大拉應(yīng)力z=3.56MPa(實(shí)際137)，最大壓應(yīng)力z=-3.17MPa；下游梁向應(yīng)力以受拉為主，最大拉應(yīng)力z=1.45MPa。徑向位移以拱冠為最大，r=73.6mm，向兩岸逐漸減小，從壩頂向壩底減小，兩條橫縫處有徑向錯(cuò)動(dòng)，最大徑向錯(cuò)動(dòng)6.0mm，右岸橫縫沿拱向張開(kāi)3.2mm。(2)2.7倍設(shè)計(jì)水壓力下的應(yīng)力分布和徑向位移。拱向應(yīng)力y:上游拱向應(yīng)力分布是在1830.0m高程壓應(yīng)力為最大，y=-12.74MPa，向兩岸逐漸減小，全部受壓，右側(cè)壓應(yīng)力大于左側(cè)。下游拱向應(yīng)力全部受壓，兩端壓應(yīng)力最大，y=-17.78MPa，中部應(yīng)力呈馬鞍型。梁向應(yīng)力z:上游面最大拉應(yīng)力z:3.69MPa(實(shí)際142)，下游梁向應(yīng)力以受拉為主，最大拉應(yīng)力z:7.64MPa(實(shí)際293)。徑向位移以拱冠為最大，r=224.8mm，向兩岸逐漸減小，從壩頂向壩底減小，橫縫處最大徑向錯(cuò)動(dòng)13.6mm，右岸橫縫沿拱向張開(kāi)8.0mm。3.3破壞特征第一模型當(dāng)水壓力加到2.5倍設(shè)計(jì)水壓力時(shí)，1786.70m和1798.70m高程沿水平碾壓層面從右岸開(kāi)始開(kāi)裂，迅速向左岸延伸，一直到達(dá)左岸。1827.50m高程從右岸邊開(kāi)始開(kāi)裂迅速延伸，接近拱冠，然后豎向轉(zhuǎn)向壩頂。層面間的錯(cuò)動(dòng)，模型達(dá)3mm，原型為240mm，徑向位移由159.20mm增加到207.20mm，荷載不能繼續(xù)上升，結(jié)構(gòu)失去承載能力。拱壩破壞后的主要裂縫見(jiàn)圖4。第二模型當(dāng)水壓力加到2.7倍設(shè)計(jì)水壓力時(shí)，結(jié)構(gòu)失去承載能力，破壞情況與第一個(gè)模型基本相同。過(guò)去所作的石膏模型或其他均質(zhì)體模型，裂縫多出現(xiàn)在45方向，即垂直岸坡方向，因?yàn)檫@些地方主拉應(yīng)力最大，幾條破壞性裂縫呈交錯(cuò)狀態(tài)。碾壓混凝土是呈層狀結(jié)構(gòu)，層面為薄弱環(huán)節(jié)，仿真結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)是模擬了層面薄弱環(huán)節(jié)。因此裂縫首先出現(xiàn)在薄弱的層面，圖3的破壞模式反應(yīng)了結(jié)構(gòu)呈層破壞?！熬盼濉眹?guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目驗(yàn)收此子題時(shí)，專(zhuān)家組肯定了這種破壞模式是合理的，反映了碾壓混凝土的本構(gòu)關(guān)系，反映了碾壓混凝土的呈層狀態(tài)。應(yīng)指出的是圖中拉應(yīng)力大于22MPa是不妥的，因?yàn)槔瓚?yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度后，-曲線軟化，應(yīng)變值開(kāi)始下降，只是應(yīng)變值升高，為了便于表示，仍采用E，而且設(shè)E值不變，才會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。4巖灘拱圍堰炸除觀測(cè)及分析巖灘下游拱圍堰高40m，半徑124.84m，中心角60，1988年5月建成，1991年炸除。巖灘拱圍堰施工時(shí)，每施工1.82.4m，則停下來(lái)立模和安裝混凝土預(yù)制塊，待模板裝好后繼續(xù)進(jìn)行碾壓上升，間隔時(shí)間為一天或數(shù)天，總之由于多種原因使壩體產(chǎn)生冷縫。巖灘