高混凝土面板堆石坝面板水平向挤压破坏研究.pdf

第 3 7卷 第 3期 2 0 1 1 年 3 月 水 力 发 电 高 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 面 板 水 平 向 挤 压 破 坏 研 究 郝 巨涛 ( 中国水利水 电科学研 究院，北 京1 0 0 0 3 8 ) 摘 要 ：高混凝土面板堆石 坝面板的水平 向挤 压破 坏正逐渐引起人们 的关 注。介绍 了当前高 面板 坝 中的挤压破坏特 别 是非施 工缝 的水平 向挤压破坏 情况 。通过一个 简化的钢筋混凝土柱受压屈 曲模 型 ，对水平 向挤压 破坏的机理进行 了初 步分 析。结果发现 ，当柱 子长度达到十几米 以后 ，其钢筋的临界失稳应 变不 再随柱 长的增加进一 步降低 ；提高 混凝 土对 钢筋 的侧 向支撑 刚度是 提高钢筋临界失稳应变 最有效的途径 ；钢筋 直径 对其f 临界失稳应变 没有影响 。根据 以上结论 就 未来应对挤压破坏 的工 程措施研 究提 出了建议 。 关键 词 ：混凝 土面板堆 石坝 ；混 凝土面板 ；挤 压破 坏 ；屈曲失稳 Re s e ar c h on Ho r i z o nt al Spa l l i ng Fai l ur e o f Conc r e t e S l ab i n Hi gh CFRD Ha o J u t a o f C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s&H y d r o p o w e r R e s e a r c h ， B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e h o r i z o n t a l s pa l l i n g f a i l ur e o f c o n c r e t e s l a b i n h i g h CFRD ha s be e n g r a d ua l l y dr a wn a t t e n t i o n i n pr a ct i c eTh e s p a l l i n g f a i l u r e o f s o m e h i g h C F R D s a r e i n t r o d u c e d ， i n p a r t i c u l a r ， t h e h o r i z o n t a l s p a l l i n g f a i l u r e o f n o n c o n s t r u c t i o n j o i n t T h e me c h a n i s m o f t h i s s p a l l i n g f a i l u r e i s a n a l y z e d b y a s i mp l i fi e d c o mp r e s s i v e b u c k l i n g mo d e l o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn T h e r e s u l t s s h o w t h a t ，( a )a ft e r t h e c o l u mn l e n g t h b e i n g m o r e t h a n 1 0 me t e r s ， t h e c r i t i c a l b u c k l i n g s t r a i n( C B S )o f t h e r e i n f o r c i n g b a r w i l l b e s t a b l e a n d n o t f u r t h e r d e c r e a s e s a s t h e c o l u mn b e c o mi n g l o n g e r ,( b )t h e b e s t w a y o f i n c r e a s i n g C B S i s s t r e n g t h e n i n g t h e l a t e r a l s u p p o r t r i g i d i t y o f c o n c r e t e t o t h e r e i n f o r c i n g b a r ， a n d( c ) t h e d i a m e t e r c h a n g i n g o f r e i n f o r c i n g b a r h a s n o e f f e c t t o i mpr o v e CBSThe s t ud i e s o n e n g i n e e r i n g me a s ur e s t o c o p e wi t h t h e s l a b s p a l l i n g f a i l ur e i n t h e f ut ur e a r e p r o po s e d h e r e i n Ke y W o r d s ： CF RD； c o n c r e t e s l a b ； s p a l l i n g f a i l u r e ； b u c k l i n g 中图分类号 ： T V 3 1 3 ；T V 6 4 1 4 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 2 3 0 5 1 问题 的提 出 随 着 面 板 坝 坝 高 的 增 加 ， 大 坝 的 混 凝 土 面 板 开 始 出 现 挤 压 破 坏 现 象 如 我 国 的 天 生 桥 一 级 面 板 坝 、 巴 西 的 巴 拉 格 兰特( B a r r a Gr a n d e ) 面 板 坝 和 坎 普 斯 诺 沃 斯( Ca mp o s N o v o s ) 面 板 坝 、 莱 索 托 的 莫 哈 莱( Mo h a l e ) 面 板 坝 等 。 目前 工 程 中 对 沿 垂 直 缝 的 挤 压 破 坏 关 注 较 多 ，并 提 出 了 一 些 应 对 方 法l 1 ， 包 括 防 止 底 部 砂 浆 垫 层 侵 入 面 板 ，取 消 接 缝 顶 部 的 V形缝 口 ，降 低 底 部 铜 止水 的鼻 子 高 度 ，设 置 垫 缝 材 料 防 止 接 缝 混 凝 土 直 接 接 触 接 缝 部 位 设 置 防 剥 落 钢 筋 ， 增 加 牛I 央 部 位 面 板 的 厚 度 在 挤 压 边 墙 表 面 涂 刷 减 摩 涂 料 等 另 一 种 挤 压 破 坏 是 面 板 沿 水 平 向( 横 向 ) 的 挤 压 破 坏 。 在 汶 川 大 地 震 中 ， 紫 坪 铺 面 板 坝 有 2 6块 面 板 沿 二 、三 期 施 丁 缝 发 生 了 总 长 达 3 4 0 m 的 法 向错 动 破 坏 l3 I 。 三 板 溪 面 板 坝 蓄 水 一 年 半 后 发 现 。面 板 沿 一 、二 期 施 工 缝 发 生 了 总 长 达 l 8 4 F I 1 的挤压 破 坏 ，多处 钢 筋弯 凸 、外露 。除沿 水平 施 工 缝 的 破 坏 以 外 ， 巴 拉 格 兰 特 、 坎 普 斯 诺 沃 斯 、 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 8 2 5 基金 项 目：水 电水 利规划设训 总院 8 N ramz 时 ，钢 筋 的 临 界 应 变 已 接 近 或 超 过 混 凝 土 的 极 限 应 变 ，则 这 类 由钢 筋 屈 曲 导 致 的 面 板挤 压 破坏 就 不会 发 生 了 。因 此 ，设 法 提高 k值就 成 了 问 题 的 关 键 。 表 2 与 和 m的关系 ( 0 = - 2 5 mm) 分 析式 ( 4) 可 知 ，钢 筋 的直 径 d对 没有 影 响 ， 但 却 与半 波 长 1 m 呈 线性 关 系 ，而半 波 长 的 大小 事 关 箍 筋 的 间距 设 计 。 对 于 k=0 7 N mm ，表 3给 出 了 d 1 m 的 数 值 关 系 ，这 时 均 为 1 0 3 0 xl O 。 直 固W a t e r P o u w V o 1 3 7 N o 3 径 d越 大 ，半 波 长 1 m 也 越 大 。 表 3 d与 I m 的关系( R = 0 7 N mm ) r ll n l d l m d l m d l m 2 5 8 6 5 2 0 6 9 2 2 8 9 6 8 5 l 7 3 2 2 7 6l 3 0 1 0 3 9 1 0 3 4 6 2 5 8 6 6 4 0 l 3 8 4 以 上 分 析 基 本 符 合 _T 程 实 际 ， 只 是 由 =1 0 3 0 X 1 0 用 式 ( 4 ) 反 算 出 的 k = 0 7 N ram 需 要 经 过 进 一 步 的 实 验 研 究 确 认 。 3 2分析 结论 通 过 以 上 分 析 ， 可 以 得 出 一 些 十 分 有 意 义 的 结 论 ： 仅数 米 至 十几 米 长 的混 凝 土 中 的钢 筋 ，在压 力 达 到 临 界 值 时 将 发 生 屈 曲 失 稳 ， 其 临 界 屈 曲 应 变 值 小 于混 凝 土 的峰 值压 应变 并 主要取 决 于混 凝 土对 钢 筋 的侧 向支 撑 刚度 ，不 再 随着 钢 筋 的进 一 步 加 长而 降 低 。 提 高钢 筋 的侧 向支 撑 刚度 k是最 有 效 的 提 高 临 界 屈 曲 应 变 的 方 法 。而 且 当 k达 到 一 定 值 后 ，可 消 除 由 钢 筋 屈 曲 引 发 的 面 板 挤 压 破 坏 。 提 高 k值 的 具 体 措 施 主 要 可 以 考 虑 设 置 箍 筋 和 提 高 混凝 土 的抗 拉强 度 。 临界 屈 曲应变 与 钢 筋直 径 d无 关 ，d值 仅 影 响钢 筋屈 曲曲线 的半 波 长 l m，并 与 1 m 呈 线性 关 系 。半 波长 1 m 是确 定 箍 筋 间 距 的 重 要 依 据 。 上 面 的 分 析 还 是 十 分 粗 糙 的 ，离 实 际 应 用 还 有 相 当 的 距 离 。 尤 其 要 指 出 的 是 ， 混 凝 土 对 钢 筋 的 侧 向 支 撑 刚 度 k 目 前 是 一 个 全 新 的 力 学 参 数 ，需 对 其 开 展 深 入 细 致 的 研 究 。 急 需 查 明 的 k的 影 响 因 素 包 括 钢 筋 保 护 层 厚 度 、混 凝 土 拉 伸 强 度 、箍 筋( 方 式 、直 径 和 间 距 ) 等 。 同 时 ， 混 凝 土 面 板 中 钢 筋 的 实 际 情 况 也 与 图 3所 示 的 分 析 模 型 不 完 全 相 同 ， 钢 筋 并 不 位 于 面 板 中 心 钢 筋 上 下 侧 混 凝 土 的 支 撑 也 不 对 称 ，必 定 有 强 有 弱 ，相 应 的数 值 分 析 模 型 还 有 待 建 立 。 4 结语 目前 一 些 高 面 板 坝 中 出 现 了 面 板 的 挤 压 破 坏 。 与 沿 垂 直 缝 的 挤 压 破 坏 不 同 ， 水 平 向 挤 压 破 坏 由 于 破 坏 了 原 有 面 板 的 连 续 性 ，且 其 发 生 部 位 多 位 于 面 板 中 下 部 ，隐 蔽 性 强 ， 处 理 难 度 大 ，造 成 的 工 程 危 害 也 较 大 。 如 何 认 识 和 应 对 这 类 挤 压 破 坏 ， 目前 国 内 外 还 没 有 达 成 共 识 。 本 文 的 初 步 分 析 结 果 说 明 ， 这 种 挤 压 破 坏 极 可 能 是 由钢 筋 的 受 压 屈 曲 失 稳 引 发 的 ， 根 据 相 关 分 析 得 出 了 这 种 破 坏 的 特 点 。 笔 者 呼 吁 尽 快 有 针 对 性 地 开 展 对 这 类 破 坏 的 机 理 和 工 程 措 施 的 研 究 。 以 便 为 3 0 0 1 3 3级 高 面 板 坝 工 程 的 建 设 提 供 技 术 支 撑 。 舳 弟j雹 昂j期 羽 E 涛 ： 荀 E e j 矢 上 似 匪C】 旧J 似 J 。 I u J 仃T J 卫 及 1 、 研 钢 筋 在受 压 区混 凝 土 面板 中 的主 要 作 用 是 限制 裂 缝 宽 度 。 如 果 确 认 这 种 钢 筋 在 高 面 板 坝 中诱 发 了 面 板 的 挤 压 破 坏 。 除 了 研 究 设 置 水 平 向 软 接 缝 和 调 整 配筋 等 应对 措 施 外 。探讨 存 面板 局 部 位 置 用其 他 方法 替 代 目前 的配 筋 限裂 方法 ，取 消 部 分 配 筋 ，也 是情 理之 中的事 ，比如采 用钢 纤维 混 凝土 面板 等 i i 。 参考文献 ： 1 P i n t o N 1 S Ve r y h i g h C F R D d a m s B e h a v i o r a n d d e s i g n f e a t u r e s C Th e 3 r d S y mp o s i u m o n CF RD Da ms Ho n o r i n g J Ba r r y Co o k e ， 2 5 2 7 Oc t o b e r 2 0 0 7 Br a z i l 2 郝 巨涛 ，杜振坤 高混凝 土面板堆 石坝 面板接缝 挤压破 坏预 防 措施研 究 J 水力发 电 ，2 0 0 8，3 4 ( 6 ) ： 4 1 4 4 f 3 关志诚 紫坪铺水 利枢纽 工程 5 l 2震害调 查与 安全状 态评 述 J 中国科学 E辑 ：技术科学 ，2 0 0 9 ，3 9 ( 7 ) ： 1 2 9 1 1 3 0 3 4 徐泽平 ，邓 刚 ，赵春 j板溪 混凝 土面板堆 石坝安 全性态 分析 M ， 巾围水 力发 电T程学会混凝土 面板堆石坝专业 委员会 混 凝 土面板堆石 坝安全监测 技术实践 与进展 北京 ：中 国水 利水 电出版社 ，2 0 1 0 ： l 2 7 1 3 5 5 滕智 明 钢筋混凝土基本构件 M 北京 ：清华大学 出版社 ，1 9 8 7 6 湛 正 刚 ，等 2 0 0 I n级 高面板 堆石坝 技术总结 报告 R 中国水 电顾 问集 团贵 阳勘测设计研究 院 ，2 0 0 9 7 S r a mo o n A， P h i e n w 甸 N ，C h a l e r mn o n W， S i t t i p o d R D e s i g n ， C o n s t r u c t i o n a n d P e r f o r ma n c e o f N a n ,N g u m 2 C F RD C T h e 7 8 t h I COLD An n u a l M e e t i n g M a y 2 3 -2 6 ， 2 01 0， Ha n o i ， Vi e t n a m 8 国际大坝 委员会 混凝土面板堆石坝设计 与施 概 念 M 中围 大坝协会 译 北京 ：巾同水利水 电 J 版社 ，2 0 1 0 9 J o h a n n e s s o n P ， T o h l a n g S L L e s s o n s L e a r n e d f r o m t h e C r a c k i n g o f Mo h a l e C F R D S l a b C P r o c e e d i n g s Wo r k s h o p o n H i g h Da m K n o w Ho w， M d y 2 0 0 7 ，Yi c h a ng ，C hi n a 1 0 T i m o s h e n k o S P ， G e r e J M T h e o r y o f E l a s t i c S t a b i l i t y M 2 n d c d Mc Gr a wHi l 1 1 96 1 l l 1 B u d w e g F M G 采用钢纤 维混凝土作 为面板 堆石坝的面板材料 C C F R D 2 0 0 0混 凝 土面板 堆 石 坝 国际 研讨 会 论 文集 北 京 ： 2 0届 国际大坝会议组织委员会 ，2 0 0 0 ： 9 1 9 6 ( 责任 编辑常 青 ) ( 上 接 第 2 0 页 ) 调查及分析概述 J 水力发电， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 3) ：1 5 4 江权 ，等高地 应力 条件 下大 型 地下 洞 室群 稳定 性综 合研 究 J 岩石力学 与丁程学报 ， 2 0 0 8 ，2 7 ( 9 ) ： 3 7 6 8 3 7 7 7 5 苏 围韶 ，等 高地应力 下大型地 下涧室群 开挖顺 序与 支护参数 组合优 化的智能方法 J 岩石力学 与 _ 程学报 ，2 0 0 7 ，2 6( 7 ) ： 2 8 0 0 2 8 0 8 6 马洪琪 我 国水 电站地下 T程施 _ r ： 技术 的 回顾 与展望 J 水 力 发 电 ，2 0 0 6 ，3 2( 2 ) ： 5 2 5 5 7 白帆 等 拉西 瓦 水 电站地 下 厂房 开挖 分 层及 顶拱 开挖 支 护 J 水力发 电， 2 0 0 7 ，3 3 ( 1 1 ) ： 7 7 7 9 8 李 勇泉 ， 等 三峡 有岸地 下电站施 工期安 全研究 J 水 力发 电， 2 0 0 9 ，3 5 ( 1 2 ) ： 4 8 4 9 9 张继 勋 ，等 地下工 程稳定性 分析方 法现状 与不足 J 现代 隧 道技术 ，2 0 0 5 4 2 ( 2 ) ： I 一 4 ( 责任 编 辑杨健 ) ( 上 接 第 2 2 页 ) 一 是 增 加 河 床 表 面 的 抗 冲 能 力 ，设 置 4 9 m长 的高 标号 混凝 土 护坦 和护 坦下 游 侧 的开挖 回填 大 块 石 ；二 是 改 变 水 流 方 向 ，将 水 流 流 向 顺 延 至 与 天 然 河 道 一 致 部 位 ， 减 少 因 水 流 方 向 改 变 对 河 床 的 冲 刷 。 通 过 上 述 两 个 措 施 有 效 解 决 了 坝 下 游 覆 盖 层 抗 冲稳 定 问 题 。 4 结语 通 过 对 深 厚 软 弱 覆 盖 层 的 1 = _ 程 处 理 后 ，建 筑 物 沉 降 指标 在设 计允 许 范 围 内 ，渗 透性 也 满 足 相 关 要 求 。 结 果 表 明 ， 建 设 期 间 对 该 覆 盖 层 地 基 的 丁 程 地 质 问 题 进 行 专 门 研 究 是 正 确 的 采 取 的 施 一 处 理 方 法 也 是 成 功 的 。 总 结 出 以 下 几 点 认 识 ： ( 1 )深 厚 软 弱 覆 盖 层 的 地 质 条 件 复 杂 ，要 查 明 其 层 次 、 物 理 力 学 性 质 等 特 性 。需 要 采 用 大 量 的 勘 探 、试 验 手 段 ，并 结 合 丁 程 地 质 类 比 分 析 ， 通 过 指 标 的 互 相 验 证 来 评 价 建 坝 的 工 程 地 质 条 件 ，并 提 出 合 理 的 工 程 处 理 措 施 。 ( 2 ) 深 厚 软 弱 覆 盖 层 中 的砂 层 液 化 问 题 应 特 别 重 视 ，运 用 初 判 、复 判 等 多 种 判 别 方 法确 定 其 液 化 可 能 性 。 在 确 定 处 理 方 法 前 还 应 进 行 生 产 性 试 验 ，通 过 对 比 处 理 前 后 的 砂 层 力 学 参 数 的 变 化 来 验 证 处 理 方 法 的 合 理 性 。 本 工 程 在 确 定 振 冲 碎 石 桩 处 理 之 前 进 行 了 大 量 的 生 产 性 试 验 来 验 证 了其 合 理 性 和 有 效 性 。 ( 3 )本 工 程 实 例 中 ，坝 基 覆 盖 层 最 深 达 1 0 6余 m，设 计 专业 根 据 该 工 程 的 规 模 ，通 过 一 系列 渗 流 模 拟 和计 算 ，结 合 地 质 专业 提 出 的坝 基 覆 盖层 的物 理 力 学参 数 ，大 胆 采 用 悬 挂式 防渗 的处 理方 法 ，防 渗 墙 并 未 延 伸 到 基 岩 的 相 对 隔 水 层 。 这 种 设 计 缩 短 了 工 期 ， 节 约 了 工 程 投 资 。 3年 多 的 监 测 数 据 表 明 ， 这 种 设 计 是 成 功 的 。 这 对 同 等 _T 程 ， 同 类 地 质 条 件 下 ，如 何 合 理 利 用 覆 盖 层 进 行 防 渗 设 计 具 有 一 定 的 参 考 价 值 。 ( 责任 编辑杨健 ) W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 3囫