高拱坝有盖重固结灌浆对基础区混凝土温度应力的影响.pdf

水利水电技术第4 2卷2 0 1 1年第 1期 高拱坝有盖重 固结灌浆对基础 区混凝 土 日 胍 度应 力的影 响 李松辉 ，张国新 ，唐忠敏 ，刘 毅 ( 1 中国水利水电科学研究院 结构 与材料研究所，北京1 0 0 0 3 8 ； 2 中国水 电顾问集团 成都勘测设计研究院，四川 成都 6 1 0 0 7 2 ) 摘 要 ：高混凝土拱 坝坝基 的有盖重 固结灌浆是提 高岩体 强度 的有效方法 ，然而也将 造成混凝 土 浇筑作业的暂时中断，从而造成固结灌浆层面的长间歇，这与拱坝混凝土浇筑所要求的薄层、短 间歇 ( 51 0 d ) 、均 匀上升 产生矛盾 ，本 文依 此 为研 究重点 ，从 温控 角度 ，以某 高拱 坝为研 究对 象，分析探讨 了由于固结灌浆造成 的长间歇 而对混凝土的影响。计算结果表 明，长 间歇的存在增 加 了混 凝 土开 裂 的风 险 。 关键词 ：高拱坝；基础 ；有盖重固结灌浆 ；温度应力 中图分类号 ：T V 6 4 2 4 文献标识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 1 ) O l 一 0 0 6 2 0 4 I mp a c t f r o m c o v e r - w e i g h t c o n s o l i d a t i o n g r o u t i n g o n t e mp e r a t u r e s t r e s s o f f o u n d a t i o n c o n c r e t e o f h i gh a r c h d a m L I S o n g h u i ，ZHANG Gu o x i n ，TANG Zh o n g mi n ，L I U Yi ( 1 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 a n d 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 ； 2 H y d r o C h i n a C h e n g d u E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ，C h e n g d u 6 1 0 0 7 2 ， S i c h u a n ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e c o v e r w e i g h t c o n s o l i d a t i o n g r o u t i n g f o r t h e f o u n d a t i o n o f a r c h d a m i s a n e f f e c t i v e me t h o d t o i mp r o v e t h e r o c k ma s s s t r e n g t h，w h i c h，h o w e v e r ，w i l l i n t e r r u p t t h e c o n c r e t e p l a c e me n t t e mp o r a r i l y，a n d t h e n ma k e s l o n g e r i n t e r v a l s a mo n g t h e l a y e r s T h i s o b v i o u s l y c o n t r a d i c t s w i t h t h e r e q u i r e m e n t o f t h i n l a y e r ， s h o r t i n t e r v al ( 51 0 d )a n d u n i f o r m r a i s i n g fo r t h e c o n c r e t e p l a c e me n t o f a r c h da mBy t a k i n g a h i g h arc h d a m a s t he s t ud y c as e，t h e i mp a c t f r o m t h e l o n g e r i n t e rval o n t h e c o nc r e t e c a us e d b y t he c o n s o l i da t i o n gro ut i n g，a s t h e ke y s t u d y p o i nt ，i s a n aly z e d a nd di s c us s e d h e r e i n fro m t he v i e wp oi n t o f t he t e mp e r a t u r e c o n t r o 1 T h e r e l e v a n t c a l c u l a t i o n s h o ws t h a t t h e c r a c k i n g r i s k w i 1 1 b e i n c r e a s e d b y t h e l o n g e r i n t e r v al c o n c e r n e d Ke y wo r ds ：h i g h a r c h d a m ；f o u nd a t i o n t r e a t me n t ；c o v e r we i g h t c o ns o l i d a t i o n gro u t i n g；t e mp e r a t u r e s t r e s s 1 引言 近十年来 ，随着水电建设的迅速发展 ，世界上拟 修建的高混凝土拱坝愈来愈多 ，这些高坝的基础一般 都存在着不 良的地质缺陷。因此 ，需采取有效的加固 和防渗措施 ，改善坝基基础的各项性能，使之满足大 坝对基础的要求。 灌浆( 包括 固结灌浆和帷幕灌浆 ) 是最为有效 的 提高岩体强度的基础处理方法。固结灌浆的主要 目的 是 ：有效改善基础岩石的力学性能 ，提高岩体的弹性 模量和承载强度，提高岩体 的密实度 ，增进岩体的均 一 性，减少岩体变形和不均匀沉陷 ；改善岩体条件 ， 减少坝基岩体开挖深度 ；建基面表层大面积的固结灌 浆和幕前较深的固结灌浆 ，对截断坝基岩体 内的渗流 有利，可增进帷幕的防渗效果。 坝基的固结灌浆分为有盖重固结灌浆和无盖重固 结灌浆。有盖重灌浆是指在岩基表面混凝土盖重层达 收稿 日期 ： 基金项 目： 作者简介 ： 2 0l 0 0 9 2 8 国家科技支撑计 划项 目( 2 0 0 8 B A B 2 9 B 0 5 ) ；水利部行 业公益 科研专项 ( 2 0 0 8 0 1 0 0 7) ；国家 自然科学重点基金 ( 5 o 9 o 9 1 o 5 ) 。 李松辉 ( 1 9 7 9 一 ) ，男 ，河北栾城人 ，工程师。 W a t e rRe s o u r c e s a n dHy d r o po we rE n g i n e e r in g Vo 1 4 2 No I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 到一定厚度和强度后 ，通过混凝土盖重层钻孔进人基 岩并达到要求 的深度 ，或在混凝 土 中埋设 导管 的方 法 ，通过导管钻灌浆孔 。这样 ，在灌浆时就有足够的 混凝土盖重 ，可以提高灌浆压力 ，对表层基岩也可以 用较高的压力进行灌浆 ，而不必担心岩基上抬 。盖重 混凝土对表层岩体起压重作用的同时，也对漏浆岩缝 起堵塞作用 ，即使从混凝土与基岩接触面窜 出了浆 ， 也可以对该接触面起接触灌浆的作用 。 有盖重灌浆存在有利于灌浆效果 的一面 ，但也存 在与混凝土浇筑发生干扰的不利方面。若要在某一坝 段进行灌浆作业 ，则将导致该坝段内混凝土作业暂时 中断。根据现场施工统计 ，一般每个坝段灌浆耗用时 间约 2 0 4 0 d ，不利于工程进度，即将造成在 固结灌 浆仓面的长间歇 ，这与要求拱坝混凝土的薄层 、短 间 歇( 51 0 d ) 、均匀上升产生矛盾。本文将 以此为研究 重点，以某高拱坝为研究对象 ，分析探讨 由于有盖重 固结灌浆层面的长间歇所形成的潜在危险和不利因素。 2 温度场及应力场的有限元理论 2 1 温度场基本方程 由热传导理论 ，大体积混凝土结构非稳定温度场在 某一区域 月内应满足下列微分方程及相应的边界条件 窘+ + + ( 一 = 0dz a o 1 ( 1 ) + + + I _ 一 _ l 【 1 ) d d V o 7 7 边界条件是 ：T=T A ：g On 一 一 A = 卢( 一 ) dn 式中，A为导热系数 ； 为放 热系数 ；r为时 间；a 为导温系数 ； 为绝热温升。 2 2应 力基本 方 程 温度用增量 法求解 ，把 时间划分 成一系列 时间 段 ：z a -r 1 ， 丁 2 ， 下 ，在 时段 内产生 的应 变 增量 为 = ( r ) 一 ( 一 ) = 8 ： + A e ： + ： + ： + ( 2 ) 式中， 占 ： 、 ： 、 、 ： 、 分另 U 为弹性应变增量 、徐变应变增量 、温度应变增量 、自 生体积变形增量及干缩应变增量 。 相应地 ，得到由以上因素引起 的节点荷载增量 ， 进行单元集成后得到整体的平衡方程 K 6 = 尸 ( 3 ) 由 与 A e 的对应 关系 ，可求 得 3 0 - ， 水利水电技术第 4 2卷2 0 儿 年第 1期 李松辉， 等 高拱坝有盖重固结灌浆对基础区混凝土温度应力的影响 累加后得到各个单元 r 时刻的应力 O r = A O - ( 4 ) n n 斗 3 工程实例仿真分析 3 1工 程概 况 某高拱坝采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程 1 8 8 5 0 m， 建基面高程 1 5 8 0 0 m，最 大坝 高 3 0 5 m，是 目前世 界上在建的最高拱坝。坝基基础灌浆考虑了两种灌浆 方案 ，即“ 一进一 出” 和 “ 三进 三出” ，分析 由于 固结 灌浆对该仓面温度应力的影响。 3 2材料属性及计算模型 该高拱坝的混凝土主要热力学基本参数如表 1 所 列 。由于篇 幅原 因，混凝土徐变 和 自生体积变形 略 去 ，可参见参考文献 4 。 表 1 主要 热力学参数 各材料分 区对应 的混凝土热力学参数指标 项 目 C1 8 0 4 0 Cl 8 0 3 5 Cl 8 o 3 0 7 d 2 2 6 2 O 4 l 8 6 1 4 d 2 7 2 3 6 21 弹性模量 2 8 d 2 9 6 2 6 8 2 4 2 GPa 9 0 d 3 3 31 6 2 7 5 l 8 O d 3 6 3 4 31 密度 k g mI 3 2 4 7 5 0 2 4 7 5 0 2 4 7 5 0 导热系数 l( J ( m- h ) 8 4 1 8 6 8 8 5 9 导温系数 m h 0 o o 3 3 O 0 o 3 3 O o o 3 3 比热 k J ( ) 1 O l 1 0 5 1 0 4 线膨胀 系数 1 0 9 0 9 0 9 0 泊松 比 0 1 7 O 1 7 O 1 7 绝热温升 E 2 9 O 2 8 O 2 7 O 考虑固结灌浆“ 一进 一出” 和“ 三进 三出” 2种进 度 ，其 中一进一 出，仓 面间歇 5 0 d后 浇第六层 ，三 进三出，第 4、5 、6层分别 间歇 2 0 d ，其余层间歇期 为 1 0 d ，具体浇筑顺序如表 2所列，计算模型如图 1 和 图 2所示 。 图 1 整体计算模型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李松辉， 等高拱坝有盖重国结灌浆对基础区混凝土温度应力的影响 图 2 坝体计算网格 表 2 两种方案浇筑进度 起始高程 终止高程 浇筑层厚 一进一 出 三进三出 浇筑层 m m 浇筑进度 浇筑进度 1 1 5 8 0 l 5 8 1 5 1 5 2 o o 9 1 0 1 2 o o 9 1 O l 2 1 5 81 5 l 5 8 3 1 5 2 O H0 9 1 0 1 1 2 0 O 9 1 O l 1 3 1 5 8 3 l 5 8 4 5 1 5 2 0 o 9 1 0 2 1 2 0 0 9 1 0 21 4 1 5 8 4 5 1 5 8 6 1 5 2 o o 9 1 0 3 l 2 0 0 9 1 O 3l 5 1 5 8 6 1 5 8 7 5 1 5 2 o o 9 1 1 1 O 2 O 0 9 l 1 2 0 6 1 5 8 7 5 l 5 8 9 1 5 2 o o 9 1 2 3 0 2 0 0 9 1 2 1 0 7 1 5 8 9 l 59 2 2 01 0 1 9 2 0 0 9 1 2 3 0 8 1 5 9 2 l 5 9 5 2 01 0 1 1 9 2 0 1 0 1 7 q 9 6 7 1 5 9 5 l 7 l 2 3或 1 5 间歇期 1 0 d 间歇期 1 0 d 3 3 计算工况及结果分析 如表 3 所列为计算= I 二 况。按照两种浇筑进度分别 进行计算 ，计算 中考虑完整的一期冷却 、中期冷却和 二期冷却过程 ，表 4为计算结果汇总。 表 3计算工况 工况号 浇筑进度 G Kl 一进一出 G l 2 三进三出 GK 3 一进一出( 灌浆层面保温) GK 4 三进三出( 灌浆层面保温) 表 4 约束区温度、应力对 比 工况号 强约束区最高温度 o c 约束 区最大顺河 向应力 MP a 安全系数 GK1 2 5 7 2 1 0 1 8 O GK 2 2 5 7 2 1 0 1 8 O GJ( 3 2 5 7 2 1 0 1 8 O GK 4 2 5 7 2 1 0 1 8 O 3 3 1 总体 温度 与应 力影响 由表 4可知 由于三者 的温度条件基本相 同，因 此 ，最高温度包络图基本相 同，最大值均为 2 5 7。 坝体最大顺河向应力发生在 1 5 8 3 m高程 ，4种工况 的最大顺河向应力是一致 的，最大值为 2 1 MP a ，安 全系数 1 8 ，最大应力均发生在二冷结束时。由于基 础固结灌浆进度的不同造成坝体顺河向应力值的分布 有一定的差异 ：G K 1受 5 0 d长间歇期 的影响 ，下部 混凝土对上部混凝 土约束增强，使得其在 1 5 8 7 5 1 5 8 9 0 m层 面 与 G K 2相 差 0 2 MP a左 右 。同样 G K1在 1 5 8 6 01 5 8 7 5 m 高 程 处 较 G K 2相 差 0 2 8 MP a左 右。1 5 8 7 51 5 8 9 0 m 高程 G K 2较 G K1 有一个 2 0 d的间歇期 ，但 由于上部基础厚度方 向变小 ，使得约束有 所减弱 ，应 力值 相差 0 0 8 MP a 左右。 3 3 2 长周期温度荷栽作用下固结灌浆表面应力差别 图 3和 图 4分 别为工况 G K1和 G K 2条件下长 间歇期表面 1 5 8 7 5 m高程点应力及 安全 系数过程 线 ，可知 ：在 G K 2情况 下 ，1 5 8 7 5 m 高 程经 历 了由于基础 固结灌 浆所形 成 的 2 0 d间歇 期 ，在此 期 间，1 5 8 7 5 i n高程最 大应力 0 6 3 MP a ，最小 安 全系数 3 1 2；在 G K1情 况 下 ，1 5 8 7 5 i n高 程经 历 了由于基础 固结灌浆所形成 的5 0 d的长间歇期 ， 在此期间 ，1 5 8 7 5 m高程 最大应力 达 1 3 1 MP a ， 最小安全系数 1 9 8，接 近 1 8 ；最 大应 力 均 发生 在坝体 固结灌 浆层 中间及 两侧 位 置 ，上 下游 方 向 应力相对较小。G K 1基础上 增加 5 0 d长 间歇 期 的 层面保温 ，可知 ，保温后 ，最 小安 全 系数 由 1 9 8 提升至 2 2 2，对 于长间歇 期增 加层 面保 温是 有效 的 04 厶 茎02 00 趟 一O 2 04 O6 嗣 r 一 r ， 1 O 1 5 、 0 籁 舷 上游面点应力 侧面点应力 中间点应力 上游点安全系数 侧面点安全系数 中间点安全系数 龄期 d 图 3 GK 2灌浆层面应力与安全系数 3 3 3 长短周期温度荷载叠加的影响 在长周期温度荷载作用下，考虑在某些典型时刻 ( 7 d 、1 4 d 、2 8 d 、4 8 d龄期 ) 将短周期温度荷载( 2 d 温降8) 叠加 ，4个工况的应力过程如图6图8所 示 。在不保温情况下 ，无论 2 0 d间歇还是 5 0 d间歇 ， 长短周期温度荷载叠加都会使得最大应力远远超过容 许拉应力 ，安全系数 为 1 0 5 ，开裂 风险较大；设计 水利水电技术第4 2卷2 0 1 1 年第1期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 山 2 O 1 8 1 6 1 4 1 2 1 O 0 8 O 6 O4 O 2 O 2O 1 5 喇 皇 1 0 05 0 O 5 3 重 1 毯O 一0 1 3 3 2 日 2 茎1 R 1 0 _0 一l 臻 i l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 龄期 d 一 上游表面点 中间层面点 坝体侧面点 上游表面点安全系 侧面点安全系数 中间层面点安全系 图 4 GK 1方案灌浆层面应 力与安全系数 1 、- - d户口 一 ； ： ： ： ： ： 1 6 ： 。 2 0 1 0 0 5 O 档 一 上游表面点 一 中间层面点 一 坝体侧面点 一 上游表面点安全系数 一 侧面点安全系数 一 中间层面点安全系数 龄期 d 图 5 GK 3方案灌浆层面应力与安全 系数 龄期 d 图 6 上游点 长短周 期温度荷载叠加温度应 力值 + 一进一出不保温 一 三进三出不保温 一一进一出保温 一 三进三出保温 - 容许拉应力 + 抗拉强度 龄期 d 图 7层中长短周期温度荷载 叠加温度应力值 保温条件下 ，2 0 d间歇时 ，长短周期温度荷 载叠加 后的温度应力小于容许拉应力 ，满足要求 ；设计保温 条件下，5 0 d间歇 时，超过 3 0 d间歇期后 ，长短周 期温度荷载叠加 ，应力有所超标 ，安全 系数为 1 3 5 ， 有一定 的开裂风险。 水利水电技术第 4 2卷2 0 1 1年第 1期 3 5 3 O 2 5 时 2 0 皇 1 5 R 1 0 翻0 5 0 0 5 1 0 李松辉， 等高拱坝有盖重固结灌浆对基础区混凝土温度应力的影响 龄期 d 图 8侧面点长短周期 温度 荷载叠加温度应力值 4结语 拱坝基础区由于混凝 土固结灌浆 的影响 ，耗用时 间一般较长 ( 达 2 O 4 0 d ) ，本文经过分析计算表明， 薄层浇筑混凝土尤其是遭遇冬季长间歇存在很大的开 裂风险 ，加强保温是降低开裂风险的有效途径 。总体 而言 ，“ 一进一出” 固结灌浆的开裂风险大于“ 三进三 出” ，“ 三进三出”+现有保温标准 ，温度应力满足要 求 ，如果采用 “ 一进一 出” 方案 ，需加强保温并在实 际施工中确保实施。 参考文献： 2 3 4 5 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控 制 M 北京 ：中国 电力 出版社 ，1 9 9 9 张国新 大体积混凝土结构结构施工期温度场 、温度应力分析 程序包 S A P T I S编制说 明及用户手册 ，1 9 9 4 -2 0 0 5 R 赵永刚 锦屏一级高混凝土拱坝基 础处理研究 D 武汉大学 硕士论文 ，2 0 0 3 杨光伟 无 盖重 纯压 式灌浆 在二滩水 电站 坝基 固结灌浆 中的应 用 J 水电站设计 ，2 0 0 2，1 8 ( 1 ) ：2 7 3 7 中国水利 水电科 学研究 院 大坝混凝 土开浇前若 干温控问题专 题 分析报 告，2 0 0 9 R ( 责任编辑陈小敏) 立 挚 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m