丹江口大坝加高新老混凝土结合面灌浆效果分析.pdf
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1、第 4 1卷 第 1 5期 2 0 1 0 年 8 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 4I No 1 5 Aug , 201 0 文章编 号: 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 0 ) 1 5 0 0 3 4 0 4 丹江口大坝加高新老混凝土结合面灌浆效果分析 徐 跃 之 r, 陕 亮 ( 1 长江科学院 材料与结构研 究所 , 湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ; 2 水利 部 水工 程安全 与病害 防治工程技 术研 究 中 心 , 湖北 武 汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 : 混凝土新老 坝体 的结合 问题是 南水北调丹江 口大
2、坝加 高工程 的主要技 术难题之一 。施工初期的结合面 基本上结合 完好 , 但在外界 气温年际变化的影响下 , 后期都 有不 同程度 的张开 , 因此 , 通 常采取 灌浆措施 。但 是 , 灌浆以后 , 在环境 温度年 际变化 的作 用下 , 结合 面是 否会再次张 开, 灌浆是 否起 到作用 , 这些都是设 计、 施 工人 员非常关心的问题 。结合 丹江 口大坝 2号坝段加 高的施工过程 , 通过 三维非线性有 限元模拟计算 分析 , 研 究新老混凝土结合 面张开后 的灌浆效果。研 究认为 : 对新 老混凝土结合 面进 行灌浆 处理 , 能够有 效提 高结 合面的接触 面积 , 对降低
3、整个上游 面竖 向拉应力是有利的。 关键词 : 大坝加 高;新老混凝 土结合 面;灌浆 ; 三维有限元法 ;丹江口大坝 中 图法 分 类 号 :T V 5 4 3 6 文 献标 志码 :A 南水北 调丹 江 口大 坝加 高工程 施 工 中 , 新 老 坝体 混凝土结 合 问题是 主要技术 难题 之一 。先 期进 行 的 3次现 场试验 的结 果 及 相关 的仿 真 计算 资 料 表 明 , 新老坝体结合面在混凝土浇筑完成后一段时间内基本 上是 结合完 好 的 , 但 在 外界气 温年 际变化 的影 响下 , 后 期都 有不 同程 度 的 张 开 。周 期 性 变 化 的气 温 使 坝 体下 游
4、面产 生伸缩 , 是 产 生结 合 面 法 向拉 应 力进 而引 起 张 开的主要 因 素 。结 合 面 张 开会 改 变新 、 老坝 体 联 合受 力的 条件 , 影 响大坝 的安 全运行 。因此 , 通 常采 取 灌浆措 施 , 希 望使 新老 坝 体 能够 重 新起 到联 合 受力 的 目的 。但 是 , 灌 浆 以后 , 在 环境温 度年 际变化 的作用 下 , 结 合 面是否会 再 次 张开 , 灌 浆 是 否起 到 作用 , 这些 都是设计、 施工人员非常关心的问题。本文结合丹江 口大 坝加高 工程 2号 坝段 施 工 过程 , 采 用 三 维非 线 性 有限元仿 真计 算方 法
5、, 对新 老 混 凝 土结 合 面 的接 触 状 态进 行模 拟 , 研究 分 析结合 面张开 后 的灌浆效 果 , 以期 能够 从 中得到些 许有益 的认识 。 1 研究内容与模拟方法 1 1 研 究 内容 通过新老混凝土结合 面张开后是 否采取灌浆措 施 , 研究 灌浆对 新 老坝 体 混凝 土 结 合 面接 触 状态 及 坝 踵应 力 的影 响。 1 2 模拟方法 采用厚 度趋 于零 的八节 点接触 单元 对新老混 凝土 结 合 面进行模 拟 , 认 为缝 面接 触时 能传递 压应力 、 剪应 力 , 缝面在初始状态未开裂时能传递有限的拉应力 。 设缝 面摩 擦 系 数 、 凝 聚 力
6、和抗 拉 强 度 分 别 为 、 c 和 。 , 初 始 法 向问 隙为 。 , 在荷 载作 用 下产 生 的缝 面 两侧 法 向 ( n ) 、 切 向( t 、 s )的相 对位移 分别 为 W , 、 “ , 、 。 ,+W 。 0表 示法 向闭合 , 则缝 面接触 应力 与相 对 位移 之 问的关 系为 : r n= n ( r + 。 ) r =k ( 1 一加 。 l W I ) M , ( 1 ) L =k ( 1一W0 I加 I )。 , 式 中 , j 、 七 。 、 七 为 缝 面单 位 面 积 的 法 向 刚度 和 切 向 刚 度。 为使缝面不产生嵌入现象 , 、 J 。
7、 、 |i 理论上应取无 穷大 , 实际计算中一般取高于混凝土弹性模量和剪切 模 量一个 数 量级 , 这 样 虽 有 嵌 入 , 但 不 过 分 。 、 。 、 为 缝面 的法 向应力 和切 向应力 。 当缝面法向闭合时, 切 向应力可能超过抗剪强度 收稿 日期 : 2 0 1 00 4一l 2 基 金 项 目 : “ 十 一 五 ”国 家科 技 支撑 计 划 重 大 项 目( 2 0 0 6 B AB 0 4 A0 1 ) 作者简介 : 徐跃之 , 男, 高级 工程 师, 主要从 事大体积混凝土温控研究工作。Em a i l : x y u e z h i 1 6 3 c o rn 第 1
8、 5期 徐 跃之, 等 : 丹江 口大坝 加高新老混凝土结合 面灌浆效果分析 3 5 而产 生滑 移 , 因此切 向应力 还需 满 足如 下条 件 : + C f。 ( 2 ) 如果缝 面初 始 间 隙 。=0且 粘 结 完 好 , 当 盯 1 9 时 ( 。 为缝 面 粘结 强度 ) , 缝 面 发生 法 向张 开 。 当缝面法向张开时 , 缝面不传递任何应力。 缝面一 旦发 生滑 移 或张 开 , 以后计 算 中取 C =0 MP a , o r =0 MP a 。 此 次计 算 中 , 取 f = 1 0 , 。=0 。 2 计算模型 与计算 条件 2 1 计算模型 取丹 江 口大 坝
9、2号 坝 段 为 研 究 对 象 , 模 拟 加 高 施 工建 造过 程 。2号坝 段 老坝 坝顶 高程 1 6 2 i n , 建基 面 高 程 1 1 0 m, 坝轴 向宽 1 5 n l , 建基 面顺 水 流 向长 4 4 n l , 老 坝 坝顶顺 水 流 向长 1 2 IT I 。加 高工 程 完 成后 , 坝顶 高 程 1 7 6 6 m, 建 基 面顺 水 流 向长 5 4 1 2 5 IT I 。计 算 模 型 见 图 1 。 坐标轴方 向: 轴正 向指 向下游 , l , 轴正向指 向左 岸 , z轴正 向向上且 轴 坐标 与 高程一 致 。 图 1 2号坝段计算 模型 (
10、 不含基础 部分 ) 2 2 计 算 条 件 材料 计算 参 数见 表 1 。 表 1 基岩 、 混凝土计算 参数 注 : 导热 系数 为 2 7 3 W ( n l ) ; 表 示由下式( 3 ) 计算得 出。 温度应力计算 中, 新混凝土弹性模量 由下式给出: E( ) :3 7 5( 1一e m ) ( 3) 式 中 , E( t )为 混凝 土 弹性模 量 , G P a ; t 为混 凝 土龄 期 , d。 混凝 土 徐变 。 基 岩与 坝体 老混 凝 土不考 虑徐 变 , 新 浇混 凝 土 的徐变 由式 下 给 出 : c ( t , T ) :f 2 5 + 1 1 一 。 -
11、o - + r, f 7 0 + 501 1 一 e - 0 0 0 5 ( t- r ) ( 4 ) , 式 中 , C ( t , 7 - )为混 凝 土 徐 变度 , 1 0 MP a ; 为 混 凝 土 加 荷龄期 , d 。 边 界条 件 。 温 度计 算 : 与气 温 接 触 的边 界 , 按 第 3 类 边界 条件 处理 , 放 热 系数 取 1 5 W ( m o C) ; 与水 接 触 的边 界 , 按第 1 类 边界 条件 处理 ; 基 岩 四周及 底部 按绝热处理。应力计算 : 基岩各侧面( 除上游面外 ) 取 法向约束 , 基岩底面取全约束。 初始 条 件 。赋基 岩
12、与老 坝混 凝 土 1 6 3 o C的初 温 , 库水 位取 1 5 7 n l , 在上 游水 面 以下 的边 界 面 为水 温 、 其 他边 界 面为气 温 的边 界 条 件 下 , 从 大 坝 加 高 工程 开始 施工前 2 0 a为起始时刻, 计算至贴坡混凝土开始浇筑 前 1 a 所得的温度场 , 作为初始温场度。混凝土 的浇 筑 温度作 为 新浇 混凝 土层 的初 始 温度 。 灌浆 条 件 。为研 究灌 浆对 新 老混凝 土结 合 面的影 响 , 假定 在大 坝加 高完 成后 的第 1 个 春季 进行 灌浆 , 灌 浆压 力取 0 1 MP a 。 荷载条件。加高前 上游水位取
13、1 5 7 I n , 加高后上 游水位按正常蓄水位 1 7 0 m考虑。坝体上游水位以下 取水温作边界条件 , 坝体两侧面取绝热边界条件 , 其余 以气 温作 边界 条 件 。模 拟 大 坝 加 高 的施 工 建 造 过 程 , 考虑 水泥 水化 热温 升 , 计算 大坝 各 时间段 的温度 , 以各 时 间段 的温差 作 为结 构应力 计 算 的温度 荷载 。混 凝土 密度 2 4 5 0 k g m。 。由于缺乏老坝的施工资料 , 无法准 确模拟老坝的结构应力并 以此作为计算 的初始条件 , 因此 , 本次计算分析不考虑老坝 自重 , 仅考虑新浇混凝 土 自重 , 即老 坝下游 贴 坡
14、段 及 老 坝 坝 顶 加 高部 分 新 浇 混 凝 土 的 自重 。作 坝 踵 应 力 分 析 时 , 以应力 增 量 来 判 断坝 踵应 力是 否恶 化 。 3成果分析 3 1 接触状况 受环 境气 温年 际 变 化 的 影 响 , 大 坝 加 厚块 混 凝 土 会 产 生较 大 的温度 变化 , 由此也 带来 较大 的温度变 形 。 由于 温度梯 度 的原 因 , 加 厚 块 混 凝 土 内外 的温 度 变 形 不 一致 , 外 部 变形 大 , 内部 变形 小 , 使 得 加厚 块 混 凝 土 发生弯曲变形 , 冬 季, 两侧及 顶部翘起 , 夏季 , 中间 凸 起 。这 种变 形会
15、使新 老 混凝 土结 合 面产 生很 大 的拉 应 力 , 如果这个拉应力超过新老混凝 土结合 面的粘结强 3 6 人 民 长 江 度 , 新 老混凝 土就会 张开 。根据计 算结 果 , 整 个新 老混 凝 土结合 面都 曾张 开 过 。但 任 何 时 刻 , 新 老混 凝 土 结 合面总是有一部分贴紧。新老混凝土结合面的接触面 积 见表 2 。 表 2新老混凝土结合面的接触 面积 ( 1 )不灌浆的接触状况。在水库水位抬高前 , 春、 夏 、 秋 、 冬 结 合 面 的 接 触 面 积 比 例 分 别 为 1 5 5 5 , 1 0 5 7 , 1 5 0 7 , 1 4 8 1 ; 在水
16、 库水 位抬 高后 , 其 春 、 夏 、 秋 、 冬 结 合 面 的接 触 面 积 比 例 分 别 为 1 6 4 2 , 1 0 8 8 , 1 7 6 5 , l 5 3 2 。水库水位抬高后 , 新老混 凝土结 合面 的接触 面积略 有增加 。 ( 2 )灌浆的接触状况。为便于 比较, 计算成果的 时刻与上 述 各 典 型 时 刻 一 一 对 应 。在 水 库 水 位 抬 高 前 , 春 、 夏 、 秋 、 冬 各典 型时刻新 老混 凝土结 合 面的接触 面积 比例分 别 为3 6 7 6 , 2 3 5 6 , 4 0 4 5 , 3 0 6 2 ; 与不 灌 浆 的 接 触 状 况
17、 相 比 , 接 触 面 积 分 别 增 加 了 2 1 2 1 , 1 2 9 9 , 2 5 3 8 , 1 5 8 1 。在 水 库 水 位 抬 高后 , 新 老混 凝 土 结合 面的 接触 面积 比例 分 别 为 4 0 7 , 2 6 7 3 , 4 0 3 7 , 3 1 7 8 ; 与不灌浆的接触 状 况相 比 , 接 触 面 积 分 别 增 加 了 2 4 2 8 , 1 5 8 5 , 2 2 7 2 , 1 6 4 6 。 可见 , 与不 采取灌 浆措施 相 比 , 对新 老混凝 土结合 面进行灌浆处理 , 能够有 效提高新老混凝土结合面的 接触 面积 。 3 2 上游面竖
18、向应力 为分析丹 江 口大坝加 高工程 在今后 的运行 过程 中 上 游面应 力 是 否 会 恶 化 , 需 确 定 上 游 面 的初 始 应 力 。 由于老 坝 已运行 几 十年 , 很难 确定 上游 面的应力 , 因此 先计算在加高工程开始前 1 a 、 受环境温度年际变化作 用下 的老坝 应力 , 以这 1 a中上 游 面的 最 大应 力 为 初 始应 力 , 然后 与模拟 施 工 运行 过 程 中计 算 的 应 力进 行 比较 , 由此分 析判断 上游 面应力是 否会 恶化 。 图 2为不 灌浆条 件下 的上游 面 3个 不同高 程 的应 力 历程 。根据坝 踵应 力 计算 结 果 ,
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