柔性拱和软弱地基上的碾压砼拱坝.pdf

ISSN 100020054CN 1122223?N清华大学学报(自然科学版)J Tsinghua U niv(Sci&Tech),2002年 第42卷 第10期2002,Vol.42,No.1023?36136521368柔性拱和软弱地基上的碾压混凝土拱坝刘光廷,徐增辉,李鹏辉(清华大学 水利水电工程系,北京100084)收稿日期:2001208222基金项目:清华大学“九八五”科研基金资助项目作者简介:刘光廷(19302),男(汉),福建,教授。E2mail:摘要:为改善软弱基础上修建碾压混凝土拱坝的结构设计,通过对水压和温度荷载作用下坝体的应力和位移分析,提出了适应软弱基础拱坝变位大但应力不恶化的“柔性拱”及简易止裂措施,已用于修建新疆石门子碾压混凝土拱坝。坝体设人工短缝加大拱的变位,可消减水压和温度作用下的拉应力集中;扩大拱座降低坝肩软弱岩面上的压应力和剪应力,拱座考虑侧约束减少拱座在水压作用下的变位,也增加坝肩绕渗途径。关键词:柔性拱;刚性拱;碾压混凝土拱坝;人工短缝;软弱基础;刚性基础中图分类号:TU 502.1文献标识码:A文章编号:100020054(2002)1021365204Flexible RCC arch dam ona weak foundationLI U Guangting,XU Zenghui,LI Penghui(Department of Hydraulic and Hydropower Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:Analyses of the stresses and displacements due to thehydraulic pressure and thermal load were used toimprove thestructural design of a roller compacted concrete(RCC)arch dam ona weak foundation.A flexible arch w ith simple anti2crack measureswas added to accomodate the large deformations of an arch dam on aweak foundation w ithout increasing the stresses.These measureswere used to construct the Shimenzi RCC arch damin XinjiangU ygur Autonomous Region.The artificial short joints in the dambody increase the arch deformation but reduce the tensile stressconcentrations due to the under hydraulic pressure and the thermalload.The enlarged arch abutment reduces the compression andshear stress of the abutment and increases the seepage distancearoundtheabutmentsduetothehydraulicpressure.Thedeformation of the arch abutments is reduced by the lateral restraintof the abutment.Key words:flexible arch;rigid arch;roller compacted concrete(RCC)archdam;artificialshortjoint;weakfoundation;rigid foundation通常修建拱坝理想的地址条件是在基岩性能良好(均匀、完整、足够强度、透水性小等)的刚性基础上。在高寒地区、软弱基础上修建拱坝尤其是较薄的碾压混凝土拱坝易使坝体的变位过大,局部应力集中恶化,以至于造成坝体不稳定和坝体破坏。因此尽管修建碾压混凝土拱坝工程量少,工艺简化,施工速度快1,2,但在高寒地区、软弱基础上建造碾压混凝土拱坝还有很多技术难题尚待解决35。1新疆石门子碾压混凝土拱坝简介石门子水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区昌吉州玛纳斯县境内的塔河中游河段上,是一项以灌溉为主,兼有防洪、发电和改善生态环境等综合效益的中型水利枢纽工程。石门子工程主坝采用高110m的碾压混凝土拱坝。该工程的两岸和河床为青灰色和红色砾岩,砾岩为泥钙质胶结,其中红色砾岩浸水软化后的变形模量为4GPa,个别样品浸水后散塌。成层砾岩有夹泥层J3,右坝肩有陡倾角的断层F6,断层沿上下游方向延伸,并和斜夹泥层组成右岸不稳定体,同时,在左坝肩上存在F5J3组成的不稳定体。坝址处于强震多发区,地震设计烈度8级,设计采取相应的减震措施。坝址地处高寒地区,月平均气温在0以下长达5个月,且年温度变幅高达60多。碾压混凝土拱坝未设后期的冷却措施,需采取专门措施消减后期坝体温降应力。在石门子工程中,采用在坝肩设人工短缝、拱冠设中缝、下游面设人工短缝等措施以降低坝体的刚度,限制拱座变位及加大拱坝变位,达到释放温度应力及减少水压作用下的拉应力集中,也就是采用柔性拱的方法来改善坝体应力,作用十分明显。转载http:/石门子碾压混凝土拱坝拉力区即在坝肩上游面处设人工短缝,由于组合应力断裂强度因子已接近混凝土韧度值,缝端设止裂结构。同时坝体中央横缝(简称中缝)灌浆时在下游面预留1m的部位不灌浆,在1 380m(高程)以上中缝留温度通缝不灌浆;在坝体下游面拉力区G,F 两点处设立沿径向1.5m深的人工短缝,高程1 380m以上处设横缝。这种设人工短缝的方法可降低坝体刚度,起柔性拱作用。同时在坝体靠近坝肩部位加宽坝体厚度以增加坝体与软弱岩体的接触面积,降低下游拱座最大压应力水平,尤其是B,D 点压力值(如图1所示)。图1拱圈的人工短缝示意图2水压荷载作用下柔性拱对于坝体应力场和位移场的影响2.1水压情况下的计算模型和材料参数计算以坝轴线中点为原点,横河向(指向左岸为正)为x轴,顺河向(逆水流方向为正)为y轴,铅直方向(向上为正)为z轴。为保证计算精度,共划分单元14 330个,节点17 748个。不同高程岩石弹性模量采用石门子工程软弱基础实测值,但在刚性基础比较计算时岩石弹性模量Er取为20 GPa(见表1所示)。在柔性拱计算中,考虑拱坝及人工短缝,缝端应力强度因子用加密单元位移差计算4,而在刚性拱计算中不设缝。由于护坦和导墙是先浇筑的,其弹性模量取和坝体混凝土最终弹性模量相同。在仿真计算中采用了水库正常蓄水位高程1 391m,下游面水位高程1 320m,同时考虑坝体上游淤沙到高程1 342m的淤沙压力。任取典型高程的应力和位移进行讨论比较。表1软弱地基、刚性地基岩石计算弹性模量岩石基础高程?mEr?GPa 1 35110刚性20注:软弱基础岩石数据来自新疆石门子工程的实测材料参数。2.2柔性拱对坝体水压下应力场和位移场的影响首先对石门子碾压混凝土拱坝在水压作用下的应力场和位移场进行计算,比较讨论在软弱基础和刚性基础条件下柔性拱的作用,任取典型高程仿真计算结果如图24所示。从图2,3可以清楚地看出,拱坝坝体应力在柔图2水压荷载下坝体的拱向 x和顺河向位移图性拱和刚性拱情况下的差别相当明显。上游两坝肩和岩石之间由于混凝土轮廓外延,增加上游绕拱肩渗流途径,也使得坝肩A,E点上游拉应力集中部位外移至B,D两点(图2a)。无论是软弱基础还是刚性基础,采用柔性拱都可以减少两坝肩上游处的拱向拉应力集中,坝体下部(约1?4高)拱的拉应力从56M Pa减少到1M Pa左右,减少了75%85%,拱冠部位的压应力增大0.30.5M Pa(但不6631清 华 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2002,42(10)中国科技论文在线http:/大于2.5M Pa)。由图2b可知,软弱基础上柔性拱减少了拱坝下游面拱向压力,但未增加下游拱座B,D 两点的最大压应力值(小于刚性础最大压应力值),因此坝体应力得到了明显的改善。这主要是由于柔性拱适应了柔性基础的较大变位。坝体的下游面开了人工短缝后,下游面的开缝部位G,F 两点附近的拱向压应力有一明显的降低,降低到采用刚性拱时压应力的1?41?2。从图3可以看到坝肩处A A 的拱向应力和顺河向位移,在坝肩扩大后坝体应力比较小,下游拱座最大只有23M Pa压应力,都在岩石和混凝土的承载范围内。采用柔性拱或刚性拱无论是对于坝肩压应力分布还是对于坝肩位移都没有明显影响。影响坝肩应力和位移的主要原因是基础的岩石刚度,尤其对于坝肩的位移(图3b),基础的好坏有决定性影响。软弱基础下,坝肩的压应力比刚性基础大0.5M Pa左右(图3a);而位移则几乎是刚性基础的1倍,但总的来说,最大约4mm左右。这也正体现了软弱基础变位大的特点。图3右坝肩拱向 x和顺河向位移图从图2c看水压作用下坝体的拱冠部位位移,刚性拱位移比柔性拱位移小,这是由于柔性拱的坝体设人工短缝和高程1 380m以上温度横缝使坝体刚度降低所致刚性拱的最大位移产生于坝体上部拱冠,为19.6mm,而此处柔性拱位移仅20.5mm,增大5%;柔性拱的最大位移产生于坝体顶部,为22.4mm,刚性拱顶部位移为16.2mm,柔性拱位移增大1?3左右。柔性拱顶部位移较大的原因是坝体高程1 380m以上中缝留横缝,同时,1?4缝在高程1 380m以上留横缝,导致拱向作用降低,梁的顺河向位移加大。图2c中显示出柔性拱位移比刚性拱位移在拱冠部位增量最大(主要是在坝体的高程1 380m以上),坝肩部位位移增加总量不大。虽然软弱基础坝体位移较刚性基础明显增大,增大20%30%,但总量不大。可见,坝体位移柔性拱较刚性拱要大,而软弱基础较刚性基础要大。从图4可以看到上游面拱冠区的梁向拉应力主要取决于上下拱圈的相对变位,比较刚性基础上刚性拱和软弱基础上柔性拱,尽管后者变位大但上游梁向的拉应力明显减少。当然,这里也包括了软弱基础由下到上岩石弹性模量Er值增大所带来的好处。图4水压荷载下坝体高程1 291m上游面梁向 z由此可见,增大拱座厚度,可以降低坝体应力,但是拱向拉应力集中则没有改善;而设立人工短缝,降低坝体刚度的柔性拱方法,可以降低坝体局部的应力集中,但对于坝体的其它部位应力不会有大的影响,也就是说,人工短缝对于坝体应力的影响是局部的。坝体中部的位移会有所增加,但是坝肩的位移不会因柔性拱而增大,拱座及坝体的应力得到了改善。3温度荷载下柔性拱对于坝体应力场和位移场的影响对于厚度不大的拱坝来说,特别是在年温度变化剧烈,或未设后期冷却水管的碾压混凝土拱坝及未分缝全坝段碾压混凝土拱坝,如何控制坝体的后期温降产生的拉应力集中就成为一个十分重要的问题。在这里主要考虑温度荷载下柔性拱的作用。考虑在软弱基础和刚性基础条件下坝体上部单层拱圈7631刘光廷,等:柔性拱和软弱地基上的碾压混凝土拱坝中国科技论文在线http:/整体温降10时坝体的应力和位移,并进行对比分析(基础弹性模量的计算参数见表2)。表2基础弹性模量的计算参数基础Er?GPa柔性10刚性20计算结果如图5,6所示,可以看出:当坝体整图5温降10坝体上游面拱向 x图6温降10坝体上游面顺河向位移体温降10后,在坝体和岩石交界面产生了很大的应力集中,无论是软弱基础还是刚性基础,都会出现这种应力集中。在采用柔性拱时,坝肩上游面的拉应力从刚性拱的4.86M Pa降到1.48M Pa,降低了2?3左右。下游面的1?4缝处的拉应力也下降0.51M Pa,下游面中缝留的人工短缝降低了下游拱冠拉应力的峰值。可见,柔性拱可以降低坝体的拉应力集中使处在内部低应力区的缝端大大降低了应变强度因子,保持在止裂结构允许范围(在文6中已发表)。这主要是由于柔性拱坝体刚度降低,变位增大,适应了坝体温降时的变位,降低了基础对于坝体的约束,释放了部分温度应力所致。文6指出,碾压混凝土薄拱坝人工短缝对施工期温度徐变应力和施工末期温度下降到运行期变温场的应力释放的效果显著,缝端应力强度因子也下降到止裂结构容易承受的范围内6。本项工程的应力强度因子计算结果也都在2.0以内,和文6中的结论相同。图6可见坝体在温降时拱冠的位移较大(往往较水压作用下变位大),随坝体地基情况好坏,采用柔性拱还是刚性拱均有改变,但是变化不大。坝肩的温度位移也有同样的规律。由此可见,在温度荷载下,采用柔性拱,坝体的应力集中特别是拉应力集中得到了很大的改善,而坝体位移并不会恶化。4结论从坝体在水压和温度荷载作用下结果可以看出,在坝体设人工短缝以降低坝体刚度的柔性拱可以降低坝体应力集中,从而大大改善坝体应力。水压作用下软弱基础的拱肩位移加大,柔性拱坝体中部位移虽然在水压情况下有所增加,但是应力并不会恶化;增大坝肩的厚度虽不能改善坝肩上游面应力集中,增大了坝体和岩石的接触面积,可以减少坝体和岩石接触面的压应力和剪应力。因此,柔性拱结合坝体的坝肩加厚的方法可以解决在软弱基础上建造拱坝时坝体位移加大引起应力恶化的问题。由此可见,在软弱基础上修建拱坝不难通过采用结构措施来做到。参考文献(References)1DunstanM R H.Recent developments in RCC dam s J.IntJ H yd ropow er&D am s,1999,6(1):4045.2Sembeneli K,Shengpe W.Chinese experience in the designand construction of RCC arch dam s J.Int J H ydropow er&D am s,1998,5(5):95100.3曾昭扬,马黔.高碾压混凝土拱坝中的构造缝问题研究J.水力发电,1998,1:273285.ZENG Zhaoyang,MA Q ian.Study on the structural joints inthe high RCC 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