沥青混凝土面板防渗层圆盘试验的应变计算方法.pdf

帚 朋 【 思弟l 3 7 别) 中国水能 及电气化 N o 8( T O T A L N o 1 3 7 ) 2 0 1 6 年 8 月 Ch i n a Wa t e r P o we r &E l e c t r i fi C a t i o n D OI ：1 0 1 6 6 1 7 j c n k i 1 1 5 5 4 3 T K 2 0 1 6 0 8 0 1 5 沥青混凝土面板防渗层圆盘试验的 应变计算方法 曹腾腾 ( 天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂， 贵J ,r1兴义5 6 2 4 0 0 ) 【 摘 要】 沥青混凝土面板防渗最近几年在国内广泛应用，尤其是抽水蓄能电站采用全库盆沥青混凝土防渗。 面板的最大问题是如何防止开裂，用应变的指标对沥青混凝土面板进行设计控制。国内已建的宝泉、张河湾、 呼和浩特抽水蓄能电站借鉴国外方法进行 的圆盘试验方法不一致，采用挠度评价方法却未建立应变评价方法。 本文给出了圆盘试验的初裂应变计算方法，同时与拉伸、小梁弯曲、压缩试验进行 了比较。 【 关键词】 沥青混凝土；面板；抽水蓄能；圆盘试验；应变 中图分类号：T V 6 4 2 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 3 - 8 2 4 1 ( 2 0 1 6)0 8 - 0 0 5 2 - 0 6 S t r a i n c a l c u l a t i o n me t h o d o f a s p h a l t c o n c r e t e p a n e l i mp e r v i o u s l a ye r di s c t y pe t e s t CAO Te n g t e n g ( T i a n s h e n g B r i d g e L e v e l ， H y d r o p o w e r D e v e l o p m e n t C o ， L t d H y d r o e l e c t r i c P o w e r P l a n t ， X i n g y i 5 6 2 4 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ：As p ha l t c o n c r e t e pa ne l i mp e r v i o us c o n t r o l i s wi de l y a p p l i e d i n Chi n a i n r e c e n t y e a r s Who l e r e s e r v o i r ba s i n b i t u mi n o u s c o n c r e t e i mp e rvi o u s me a s u r e i s a d o p t e d e s p e c i l y i n p u mp e d s t o r a g e p o we r s t a t i o n Ho w t o p r e v e n t c r a c k i s t h e m a x i m u m p r o b l e m o f t h e p a n e 1 S t r a i n i n d e x i s u s e d f o r d e s i g n c o n t r o l o n a s p h a l t c o n c r e t e p a n e l s C o n s t r u c t e d p r o j e c t s i n C h i n a s u c h a s B a o q u a n，Z h a n g h e wa n a n d Ho h h o t p u mp e d s t o r a g e p o w e r s t a t i o n s d r a w l e s s o n s f r o m f o r e i g n me t h o d s ，a n d t h e d i s c t y p e t e s t me t h o d t h e r e o f i s n o t c o n s i s t e n t T h e d e f l e c t i o n e v a l u a t i o n me t h o d i s a d o p t e d，b u t s t r a i n e v a l u a t i o n me t ho d i s no t e s t a b l i s he dI n t h e p a pe r ，i n i t i a l c r a c k s t r a i n c a l c u l a t i o n me t h o d i s gi v e n Me a n whi l e，i t i s c o mp a r e d wi t h t e n s i o n，s ma l l b e a m be n di n g a nd c o mpr e s s i o n t e s t Ke y wor ds ：a s p ha l t c o nc r e t e；pa n e l ；p ump e d s t o r a g e；d i s c t e s t ；s t r a i n 1 研究背景及意义 抽水蓄能电站防渗面板施工技术复杂，投入运行 后面板需要经受极端 的运行条件 ，比如极端的温度 、 水位 的周期性频繁变化 等。面板最大 的问题 是如何 防 止开裂 。国外研究沥青混凝土 面板变形性 能较为先进 的是瑞士华禄 ( Wa l o )工程集团的实验室，其做法 是一个成型沥青混凝土圆板 ，让其中点挠度承受1 1 0 的变形 不漏水 以证 明在给定 配合 比的条件下沥青混 凝 土具有很强 的柔性变形 能力 。国内借鉴学 习后 ，在 西 龙池 、宝泉 、张河湾 、呼和浩 特抽水 蓄能 电站 的沥青 混凝土研究中均有使用，但是不同的科研单位其方法 科 竽 计 允 及 上 任 议 丌 S c i e n t i fi c Re s e a r c h E n g i n e e r i n g D e s i g n b 变形前 位 于 中面法 线 的各点 ，变形 后仍 位 于 弹性曲面的同一法线 ，且法线各点间的距离不变。 c 类 同于梁 的平 面假 设 。变 形前 原 为平 面 的梁 其横截面变形后仍保持为平面，且仍然垂直于变形后 的梁轴线 。 d 平行 于中 面 的各 层 材料 互不 挤 压 ，即板 内垂 直于板 面的正应力 较小 ，可忽略不计 。 分析模型：半径为R、 厚度为h 的圆平板受轴对称 载荷 P ： ， 在 r 、 0 、 。 圆柱 坐标 系中 ， 有 M 、 M Q 三个 内力 分量 ； 轴对称性 ： 几何对称， 载荷对称， 约束对称， 在 r 、 O , z 圆柱坐标 系 中， 挠度 只是 r的 函数， 而 与 无关 。 根据平衡方程 、几何协调方程、物理方程可得 应变与挠度关系几何方程 d O r 一 ( 1 ) d w 。 一了 薄板小 挠度 弯曲微分 方程 + 一 = Q rd r ( 2 ) d r j r d D 、 图 9 固定圆薄板受力示意 图 根据 图 9口确定作用在半径 为 r的 圆柱截 面上 的 剪力 ，即 Q ，： =p 2 r 代入式 ( 2 )中，得均布载荷作用下圆平板弯曲 微分方程为 导 ( r 警 ) = 2p Dr c 3 ， 对 r 连 续两 次 积 分得 到挠 曲面 在半 径 方 向的斜 率为 ： 十 一 CI F +一 C 2 ( 4 ) d r 1 6 D。 2 。 r 、。 对 r 连 续 三 次 积 分 ，得 到 中 面在 弯 曲后 的挠 度 为 ： +竿+ C 一 2 1n r ( 5 ) + 下+ + L 3 【 C 、 C ： 、 C 。 均为积分常数。对于圆平板，在板中 心处 r=0挠曲面的斜率与挠度均为有限值，因而要 求积分常数 C ： = 0 ，于是上述方程改写为 =i V 6 1 3+ 丁 Cl l- d r ( 6 ) 1 6 D 2 、 。 = 6 4 D +譬 ( 7 ) 一十 + c 3 ( 7 ) 式 中 C 、C 3由边 界条 件确 定 ，由于圆盘 试验 为 周边固支圆平板 ( 在支承处不允许有挠度和转角 ) ， 因此 r = R ，警= 0 r = R = 0 将上述边界条件代入式 ( 6 ) 、式 ( 7 ) ，解得积 分常数为 c 一焉 C3 = 6t ? R4 代入式 ( 6 ) 、式 ( 7 )得周边固支平板的斜率和 挠度方程 为 =一一p r( R d r 1 6 D 一r ) ( 8 ) L ， ， = ( 尺 一 = 1 63 e_ ， ( 一r 2 ) 2 1- 2 - ( 9 ) 一 3 p R4 ( = 一 1 6 将 = h和式 ( 8 )代入式 ( 1 )得上下表面的 径 向应变和周 向应变为 = ) 1- E 2 ( 1 O ) = )1- E z 2 。 ) 科学研究及工 程设计 Sc i e n t i f i c Re s e a r c h En g i n e e r i n g De s i g n 3 2 蠕变理论和弹性力学在求解 圆盘试验径向 应变中的应用 圆盘试验是在较小 的恒定水压力 下进行 的，其挠 度 随时间不断发展 ，直至 出现裂缝和漏 水。由弹性力 学 和薄板理论可知 ，在 同一温度下 ，当对 沥青混凝土 圆盘在下部施加 的水压力 为恒定值时 ，其对 应 的圆板 中应力分 布的径 向正应力 和周 向正 应力均 为恒定值 ， 不 随时间而变化 ，此后 随着时 间的发 展 ，应变不断增 大。结合蠕 变理论 ，可知 3种温度下 的圆盘试验应力 均较小，符合蠕变理论。同时根据蠕变理论施加的水 压 力可以看成是 静力过 程和时间蠕 变过程 的叠加 ，即 应力会产生一个与时间无关的瞬态应变，然后蠕变应 变随时间发展 。 由于本次圆盘试验的缺陷 ，未能测定其应变 随时 间的变化过 程 ，而 仅 仅是 取 三分 点 对其 挠 度进 行 测 定 ，这里只有 圆盘试 验 的时 间一 挠 度 曲线 。但 是我 们 通过观察发现 ，3种温度 下的 圆盘试验第 一阶段 的蠕 变应变部分较短 ，第二阶段的蠕变部分很长，对于 2 时第三阶段的加速蠕变部分相对明显，而 1 1 G C和 2 5 时的圆盘试验不存在第三阶段的加速蠕变部分即 漏水 ，对于三 种温 度 初 裂时 都处 于 第 二稳 态 蠕变 阶 段，三种温度下的圆盘试验挠度一 时间曲线在初裂之 前都可近似为线性 的，因而基本可 以把三种 温度下 的 圆盘蠕变应变看成是随挠度成 比例增加 的。 因此我们可以先通过静力部分 ，求出与时间无关 的瞬态应变 部分 ，然后 根据 应变- 挠度对 应 的线 性发 展 ，求 出其初裂时 圆盘试验 的应变 分布 。由于 上 、下 表面是危险面，本次分析着重于上、下表面的分析。 对 于 2 的圆盘试 验 ，由于 P=0 1 2 M P a 、h= 5 0 ra m、 = 0 4 8 、R： 2 5 0 ra m，弹性模量取小梁弯曲试验得出 的 弹性 模 量 ，2 ：5 0 8 M P a ；1 1 q C；3 5 3 M P a 、2 5 ； 2 1 MPa 。 将 上述 已知量 代 入式 ( 9 ) 、式 ( 1 0 ) 可 以算 出 不 同温度 下圆盘试 验各 点的瞬态挠度和应变 ，然后 通 过线性计算得出初裂时各点的挠度和应变 ( 见表 2 表 4) 表 2 圆 盘 试 验 应 变 值( 2 ) 瞬态 初裂 径 向 应 变 径 向 应 变 s s r=0 O 1 7 r = 0 4 1 4 上表面 r=R 3 O 上表面 r=R 3 2 4 1 r = 2 R 3 一O 0 2 r= 2 R 3 一O 71 F = 0 0 1 7 r = 0 4 1 4 下表面 F=R 3 0 1 l 下表面 r=R 3 2 4 1 r= 2 3 O O 2 r = 2 兄 3 O 7 1 表 3 圆 盘 试 验 应 变 值( 1 l ) 瞬态 初裂 径 向 应 变 径 向 应 变 P r ： 0 1 43 r： 0 6 I 5 上表面 r=R 3 O 9 6 上表面 r=R 3 4 8 7 r = 2R ， 3 一O 5 O r = 2 R 3 3 9 O r ： 0 1 4 3 r= 0 6 1 5 下表面 r=R 3 一 O 9 6 下表 面 r=R 3 4 8 7 r = 2 R 3 0 5 O r = 2R 3 3 9 0 表 4圆 盘 试 验 应 变 值( 2 5 ) 瞬态 初裂 径 向 应 变 径 向 应 变 s， ， s一 r = 0 3 4 4 r = 0 8 1 l 上表面 r= 3 2 3 1 上表 面 r=R 3 5 5 6 r = 2R 3 一1 1 9 r： 2 R 3 5 2 3 r = 0 3 4 4 r = 0 8 1 1 下表 面 r：R 3 2 3 1 下表面 r=R 3 5 5 6 r= 2 R 3 1 1 9 r = 2 R 3 5 2 3 4 沥青混凝土面板防渗层不同变形性能试 验 间的比较 4 1 沥青混凝土面板变形的因素分析 4 1 1 水荷载的作用 沥青混凝土面板主要起防渗和传递水库库水压力 的作用，在水荷载作用下，沥青混凝土面板相对于堆 石体而言，仅仅是一个传力结构，而不是一个承载结 构，沥青混凝土面板的设计应以变形 ( 应变)作为 控制指标 ，而不能采用应力控制指标 。 科 字 计 冗 披 上 程 议 计 S c i e n t i f i c R e s e a r c h & En g i n e e r i n g De s i g n 4 1 2不均 匀沉 陷对 面板 的影响 当坝体局部产生突然沉陷时 ，沥青混凝 土面板挠 度产生突变，软弱透镜体受到周围土体的挤压导致上 方面板受压、周围面板受拉，在面板顶部和底部应变 分布 曲线不重 合 ，面板 承受 弯 曲应 力 ，有 弯矩 产生 。 因此对此种情况下 的沥青混凝土面板应用弯 曲应变来 控制设计指标 。 4 1 3 绕坝渗流反向水压力对面板的影响 抽水蓄能电站库水位经常变化，当水库的水位快 速下降时，如果面板下方的渗水未及时排走，便会产 生反 向水压力使 面板反 向鼓包 ，这种情况 下面板所受 应力很小 ，面板挠度和应变 随时 间不 断发展 ，属 于沥 青混凝土 的蠕变 。这 时应 以圆盘试 验 的结 果来 控制 。 国外用 圆盘柔性试验来评价沥青混凝土 面板的变形性 能时 ，一般要求 2 5 C时试件 发生 1 1 0的挠度 变形仍 不透水 ，国内工程一 般要求 2 试验条件 下圆盘 中心 变形挠跨 比达 到 2 5 不漏水 ，2 5 条件 下 圆盘 中心 挠跨 比达 到 1 0 不 漏水 。笔者认 为 圆盘试验 可 以用 在圆板初裂时中心点 的应变来控制 ，目前工程设计 中，往往通过有限元计算，对沥青混凝土面板提出各 种运行条件下的应力、应变要求，用应变来评价能与 工程设计指标建立起一种直接联 系 。 4 2 对沥青 昆 凝土面板防渗层不同试验的应变 比较 从应变分析 ，随着温度的升高，直接拉伸、抗 压、小梁弯曲、圆盘试验的最大应变均增大，在同一 温度下 ，圆盘试 验 的 中心最 大 弯 拉应 变 和抗 压 的相 近，小梁弯曲的最大弯拉应变大于拉伸的最大拉伸应 变 ( 见表 5 、图 1 0 ) ，小梁弯 曲的最 大弯拉应 变在大 表5 不 同试 验最 大 应 变 间 的 比较 拉伸应 压缩应 弯 曲应 圆盘 中心 温度 变 变 变 应变 2 1 0 4 5 2 4 2 04 4 1 4 1 1 1 9 7 6 2 6 3 7 8 6 1 5 2 5 2 9 9 8 1 9 l O 9 6 8 1 l i 一 l 一 l I l + 抗 压 1 。 _ _ J 一 小 梁 弯 曲f I +圆盘试验 1 _ _ P 一 一 7 一 _ 一 = ： ； I I 一 _ 一 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 l 6 1 8 2 O 2 2 2 4 2 6 试验温度 C 图 1 0 不 同试验最大应变 间的比较 部分 温度下 是小 于圆盘试 验 的 ，但 是 当温度偏 高 时 ， 小梁弯曲的变形能力大于圆盘试验。 5结语 本文以沂蒙抽水蓄能电站沥青混凝土面板防渗层 的配 合 比为 研究 对 象 ，进 行 了三 种 温度 下 的 圆盘试 验 ，测定 了沥青混凝 土面板 的初裂挠度 和最终漏水 时 的挠度，并结合经典薄板弯曲理论和考虑时间效应的 蠕变理论 ，以及时间挠度曲线 ，计算了圆盘试验的初 裂时三等分点的径向应变 ，并和 同温度下的直接拉 伸、抗压 、小梁弯曲试验得 出的最大应变进行了比 较 ，以圆盘试验中心点初裂时的应变作为蓄水库沥青 昆 凝土面板防渗层在绕坝渗流作用下引起反向弯曲鼓 包时防止面板开裂的控制指标。此计算方法可结合设 计院有限元分析结果对沥青混凝土面板防渗层的应变 指标进行控制 ，今后类似工程可参照此方 法形 成统一 的圆盘试验应变计算方法及控制 指标 ，本文 计算方法 的精度今后可结合实际工程进一步深入研究。A 参考文献 1 郝巨涛 国内沥 青 昆凝 土防渗技术 发展 中的重要 问题 J 水 利学报 ， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 1 O ) ： 1 2 1 3 1 2 1 9 2 杜振坤， 贾金生， 陈肖蕾 我国水工沥青混凝土防渗技术发展 及其应 用 J 水力发电学报 ， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 2 0 - 2 4 3 D IJT 5 3 6 2 -2 0 0 6 水工沥 青混凝 土试 验规程 s 北京 ： 中 国 电力 出版社 ， 2 0 0 7 ： 2 - 5 0 ( 下转第 4 2页) 2 O 8 6 4 2 0 叔 堪 水 电站技术 Hy d r o po we r S t a t i o n Te c h n o l o g y 3 2 加强励磁通道监控 减少励磁系统发生故障的可能性。 在励磁通道监控过程中， 操作人员应对系统的实4 结 语 际运行状况做全程记录，找到行之有效的励磁通道监 控方法。 综上所述，通过对励磁系统常见故障的有效分 3 3 增强励磁开关辅助接点的可靠性 析， 并根据情况制定出切实可行的应对策略，对工作 人员非 常重要 。在实 际工作 中若发现励磁 系统存在异 水 电站励磁 系统 的开关辅助接点是整 个励磁 系统 常 ，操作人员应在第一时间查阅资料 ，找出故障原 的关键 ，它可以对很多地方进行控制 ，因而提高励磁 因 ，对其进行有效处理 ，提高设备的使用率，为机组 开关辅助接点的可靠性是非常必要的。通过实验探 电网的安全运行保驾护航 。 A 究 ，证 明了开关 的辅 助接点 以及其他接点 都有可 能实 现切励磁 ，达 到对 电流的逻辑控制 。经过 将实验 录波 参考文献 和故障录波进行 对 比，得 出转子 电压和转 子 电流 的变 1 肖 明， 李其轩， 詹奇峰 小浪底水电厂水轮发电机组励磁系统 化基本相吻合的结论。如果开关辅助接触点的分段不 中 国 超过 l s ，那么励磁监控系统将不会有任何变化，当开 水能及电 气化 ，2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 4 6 -4 9 关辅助接触点足够大时，励磁系统就会作出强烈反 3 徐洪亮， 吴学坤 对河口 水库电 站水轮发电机组 励磁系统的技 应 ，达 到一 定 程度 后还 会 引 起励 磁 系统 进 入逆 变 状 术改造 J 小水电, 2 0 1 2 ( ) ： 5 7 - 5 8 , 6 7 态，致使整个励磁系统无法正常运行 。因此，应做 力出版 社 ，2 o o 7 好防范工作，定期对开关辅助接点进行检查 、维护 ， 5 欧小冬 大唐观音岩水电站励磁系统主要参数计算与选择 并提高励磁系统的稳定性，控制开关量接点，尽可能 中国 水能及电气化， 2 0 1 2 ( 5 ) ： _ 3 ( 上接 第 5 7页) 7 李长江， 张又林 抽水蓄能电站水库防渗技术分析及工程应用 4 徐芝 纶 弹 性 力 学简 明 教程 M 北 京 ： 高 等 教 育 出 版社 ， J ， 水利水电科技进展 ， 2 0 0 7， 2 7 ( 2) ： 1 1 5 - 1 1 9 - 2 0 0 2 ： 1 9 8 2 0 0 8 吕明治 碾压式沥青混凝土面板防渗技术研究综述 c 北京 5 李同林 弹塑性力学 M 北京： 中国地质大学出版社， 2 0 0 6 ： 勘测设计研究院 抽水蓄能电站建设文集 北京： 清华大学出 1 8 5 1 9 5 版社 ， 2 0 0 9： 8 4 -9 6 6 李智峰 高模量沥青混凝土蠕变本构方程的有限元分析 J 9 鲁一晖， 郝巨涛， 等 沥青混凝土面板防渗工程中的几个问题 施工机械和施工技术 ， 2 0 1 2， 1 3 ( 2 ) ： 4 2 - 4 8 J 水利水电技术 ， 2 0 0 5 ， 3 6 ( 3 )： 7 2 - 7 4 ( 上接第7 0页) 况 3 下坝体发生渗透变形的风险显著降低；工况4下 d 硅 遘 发生渗透变形的风险已经很低；在正常蓄水情况下， 设置防渗墙和土工膜具有良好的防渗效果。A 本文以抚顺太平沟水库为研究对象，对其黏土斜 墙坝渗流问题进行分析。分析过程中，运用 A u t o b a n k 参考文献 软件，对4种工况下的黏土斜墙坝渗流进行模拟。经 1 张 小会， 范连志 病险水库常见的地质病害及应对措施 J 水 过模 拟分析 ，得出如下几 点基本结论 ：工况 1下 ，黏 利建设与管理, 2 0 1 1 ( ) ： 5 5 - 5 8 土斜墙坝坝体 、坝基渗透较为严重 ，黏土斜墙 变形坍 能 及电 气化 ，2 0 l 1 ( 6 ) ： 3 2 - 3 8 塌可能性较大 ；与工况 1 相 比，工况 2下黏 土斜墙变 3 廖井霞 基于 事件树和贝叶斯网络法的土石坝风险评价研究 形坍塌可能性仍然 较大 ；与工 况 I 、工况 2相 比，工 D 中国 水利水电 科学研究院， 2 0 1 3