寒冷地区结冰现象对混凝土面板堆石坝接缝止水体系的影响.pdf
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1、第8 卷 第2 期 中国水利水 电科 学研究 院学报 V o 1 8 N o 2 2 0 1 0 6 fl J o u ma l o f C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Re s o u r c e s a md Hy d r o p o w e r R e s e a r c h J u “ e , 2 0 l O 文章编号: 1 6 7 2 3 0 3 1 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 1 4 6 0 5 寒冷地区结冰现象对混凝土面板堆石坝接缝止水体 系的影响 梁希林 ,赵 波2 ,李敬玮2 7何旭生 ( 1 松江河电站建设局 ,吉
2、林 吉林1 3 4 5 0 0 ;2 中国水利 水电科学研究院 结构材料研究所 ,北 京1 0 0 0 3 8 ) 摘要 :针对北方冬季寒冷低 温条 件,研究 了结 冰现 象对 止水体系锚固系统安全性 的影 响程度 。通 过实验室模型试 验 ,模拟测定 了不 同降温速率下结冰所产 生的冻胀 对锚 固系统的拉拔破坏力值及冰 与螺栓冻结强度 、冰与扁钢压 条及橡胶盖板 的冻结强度等参数 。研 究了冻融循环对膨胀螺栓 C 3 0 混凝土 的锚 固力及不 同灌封型式 的影响 。在分 析水位变化引起 的冰盖对止水锚 固系统的破坏作用基础上 ,结合试验 测试 结果 ,提 出了寒冷地 区止水锚 固体系设 计
3、施工 中应 注意的主要问题 和建议。 关键词 :混凝 土面板 堆石坝 ;止水体系 ;冻胀 ;锚固 中文分类号:T V 3 2 文献标识码:A 1 研究背景 混凝土面板堆石坝在我 国水电工程建设中已被广泛采用 ,其 面板接缝 的止水结构体 系在大坝 的 安全运行 中占有重要位置 。中国水利水 电科学研究 院在“ 九 五” 、“ 十五 ” 期间对止水体 系 ,包括结 构和材料进行 了深入系统 的研究 ,提出了如 图 1 所示的止水结构 ,目前 国内高面板坝工程通常采用 这种 结 构 。 GB 图 1 典型止水结构 图2冰对膨胀螺栓冻胀拉拔力 止水体系普遍采用 的锚 固系统是用膨胀螺栓 和扁钢压 条
4、将止水盖板锚 固在混凝土面板和趾板 上。北方寒冷地 区冬季库 区形成冰盖 ,并与止水体系冻结在一起 ,由于库 区水位 的频繁变化 ,冰盖 会对止水锚 固体系产生较大的影 响,甚至造成止水体系局部 出现膨胀螺栓拔出而失去锚固功能的情 况 ,如牡丹江莲花面板坝 、吉林小 山面板坝及青海小干沟面板坝等都 出现过结 冰造成的止水体系局 部破坏现象。因此 ,研究寒冷地 区面板坝工程止水体系及提高安全运行措施至关重要 。 本文总结分析寒冷地 区库区结 冰对止水锚 固体系的破坏作用 ,结合模拟试验 ,讨论止水体系安 全运行要求及工程建议。 收稿 13期 :2 0 0 9 0 9 0 3 作者简介 :梁希林(
5、 1 9 6 3 一 ) ,男 ,高级工程师 ,主要从事水 电工程施工管理研究 。 一 l 46 寒冷地 区结 冰现象对混凝 土面板堆石坝 接缝 止水体 系的影响 梁希林 赵 波 李敬玮 何 旭生 2结 冰对止水锚 固系统 的破 坏方式 止水体系在库区结冰过程 中会 与冰产生冻结 ,包 括止水盖板和扁钢压条与冰 的冻结。随着水位 的 变 化 ,会 因 冰上 下 移 动 的趋 势 产 生 作 用 于 止 水 锚 固 系 统 的拉 拔 力 ,造 成 止 水 体 系 局 部 出 现 膨胀 螺 栓拔 出 、角 钢 被 拉 弯 及 止 水 带 被 撕 裂 等 破 坏 现 象 。经 过 总结 和分 析 ,
6、结 冰 的破 坏 作 用 主要 有 以下 几 种 方 式 :( 1 ) 冻 融对 锚 固螺 栓锚 固力 的影 响 。 由 于膨 胀 螺 栓锚 固孑 L 没 有 进行 密 封 处 理 或处 理 不 当 ,水 进 入 孔 内 ,使 孔 内混 凝 土 表 面 受 到 冻 融 破 坏 ,孔 内水 的结 冰膨 胀 作 用 对 膨 胀 螺 栓 和 混凝 土之 间 的紧 密接触造成影响 ,从而 降低锚 固螺栓的锚 固力 ;( 2 ) 结冰过程 中出现 的冰层 对锚 固螺栓的冻胀拉拔 力 ,图 2 说 明 了冻胀 拉拔 力 产 生 的原 因 。 降 温过 程 中冰 与 膨 胀 螺 栓外 露 部 分 冻 结 ,
7、随着 温 度 的 降 低 , 冰层 的膨 胀 对 螺 栓 产 生 冻 结 拉 拔 力 ;( 3 ) 由于 冰 盖 与 止 水 体 系 的冻 结 ,主要 包 括 与 膨 胀 螺 栓 外 露 部 分 、扁钢 压 条 以及 盖 板 ,在 水 位 变化 时 对锚 固 系统 产生 破 坏 拉拔 力 以及 剪 切 力 。 本文针对以上影响因素分别进行 了试验研究 。 3 试验研究 3 1 冰层对膨胀螺栓冻胀拉拔力测定 3 1 1 试 验 原 理 和 方 法将 旋 有 螺 母 的 M1 0的膨 胀 螺 栓 立 于 水槽 中 央 ( 螺 母 端 向下 ) ,螺 杆 下 顶 端 粘 上 一 薄 层 塑 性 G
8、B胶 ,以避 免 螺 杆 顶 端 受 到 冰 的膨 胀 力作 用 。螺 杆 没入 水 中 3 0 ram,螺 杆 水 面上 端 同 样粘上一层塑性 G B胶 ,以保证在冰膨胀过程 中螺杆受力长度不变 。螺杆上顶端与应力传感器接触 , 整个测量过程 中保 持应力传感器与水槽底部 的距离不变 。通过应力传感器就可以对 冰在膨胀过程 中 施 加 在螺 杆 上 的力 进 行 测量 。试 验装 置 如 图 3 所示 ,为 了消 除 降温 过程 中试 验仪 器 的 系统 误差 ,试 验 中针 对 每 一 降 温 速 率分 别 进行 水 槽 中有 水 和无 水 试 验 ,无 水 试 验 结 果 作 为 空
9、白试验 ,以消 除 测 量 系 统 降温 引 起 的误 差 。试 验 中分别 采 用 4 0 o C 2 h 、4 0 o C 4 h 、4 0 6 h 的 速度 降 温 ,然 后恒 温 1 2 h 。 图3冰对螺杆 的拉拔力测量 p 赠 1 2 0 0 l 0 0 0 吾 8 0 0 6 0 0 辑4 0 0 2 0 0 0 1 : 0 0 : 0 9 2 : 0 0 : 1 9 时 间 h 图4冰层膨胀产生 的冻胀拉拔力 3 1 2测试结果不 同的降温速率得到的冻胀拉拔力列于表 l 中。试验结果表明,降温速率越 大拉拔 力越大 ,然 而实际情况降温速率远小 于试验采用的降温速率 。图4 是
10、 降温速率为4 0 ( 2 2 h 得到 的冻胀 拉 拔 力 曲线 ,试 验 中得 到 的最 大拉 拔 力 应 大 于 实 际冰 对 螺 杆 的拉 拔 力 。 为确 保 工 程安 全 ,3 0 mm长 度 冻结螺杆选择试验 中最大拉拔力值F 冰 膨 胀 拉 拔=1 O 1 6 N作为估算基础 。 表 1 不 同降 温速率下 的最 大拉拔力 _ _ 。 1 4 7 - 寒冷地区结冰现象对混凝土面板堆石坝接缝止水体系的影响 梁希林 赵 波 李敬玮 何旭生 3 2 冰盖与止水体 系的冻结力测定 3 2 1 测试方法冰与扁钢压板冻结强度测定方法见 图5 。试验将金属板 固定在水面上 ,下表面接触 水
11、,放入低温箱 1 2 h ,使金属板下表面与冰冻结在一起 ,然后在拉力机上拉拔 ,测试破坏强度。同 理,测试 G B橡胶盖板及螺栓与冰的冻结强度 。螺栓与冰的冻结力测试方法见图6 。 金属板 水 图5 冰与金属压板冻结力测试 图6螺杆冻结拉拔测试 容器 冰 3 2 2 测试结果表 2 为不同冻结温度下测定的止水体系中不同材料与冰的冻结强度数据。 表 2 冰层 与止水体系冻结力数据 由表 2 可 见 ,螺 栓 与 冰 的冻 结 拉 拔 破 坏 力 最 大 为 3 3 9 k N;扁 钢 与 冰 冻 结 强 度 最 大 为 0 3 1 4 MP a ; 橡胶盖板的冻结强度最大为0 0 2 1 MP
12、 a 。 3 3 膨胀螺栓锚 固力试验研究膨胀 螺栓锚固力 的大小是止水系统密封可靠 的基础 ,特别是低温存 在 结 冰 现象 的情 况下 ,其 大小 直 接 关 系 到止 水 系统 可 靠 性 。本 文 采 用 工 程 中普 遍 应用 的 M1 0膨胀 螺 栓 进行 试 验 。 3 - 3 1 膨 胀 螺栓 锚 固力 测 定 在 膨 胀 螺 栓 锚 固系 统 中 ,膨 胀 螺 栓 螺 母 的上 紧力 是 很 重 要 的一 个 参 数,螺母的松紧程度直接影响到膨胀螺栓所能提供的锚 固力。试验中采用体积为 1 5 0 ra m1 5 0 mm1 5 0 m m 的C 3 0 混凝土试块 ,一面的
13、中心打孔锚固M1 0 m m1 2 0 ram膨胀螺栓 ,植入深度 8 0 mm。采用不同力矩 上紧螺母。停放 2 4 h 后进行拉拔试验。表 3 是试验 中得到的螺母上紧力与膨胀螺栓拉拔力之间的关系。 表 3 膨胀螺栓螺母上 紧力 与其提供拉拔力 的关 系 由表3 可见 ,膨胀螺栓提供的锚 固力随着螺母上紧力的提高而提高 ,当上紧力矩达到 8 N m以上 时 ,M1 0规格的膨胀螺栓拉断 ,达到了Ml O 螺栓所 能提供 的锚固力极 限值 ,其提供 的最大锚 固力超 过 3 2 k N。 3 3 2 锚 固孔不 同密封方式的冻融破坏程度 比较为了研究锚 固孔不同密封方式的锚 固效果 ,试验选
14、择 了不使用灌注密封剂 、采用 S K环氧粘接剂灌注及采用 G B弹性密封剂灌注密封共 3 种方案进行对 比试 验 。试验中采用 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 ra m的混凝土试件,按照3 种试验方案安装膨胀螺栓 ,埋入深度为 8 0 ram,膨胀螺栓的上紧力矩为2 0 N m。常温固化养护7 d ,取 3 种方案的试件各一组进行 3 0 0次冻融实 验 ,对试件进行拉拔力测试。表4 是不同粘接灌注料冻融与否的拉拔力测试结果以及试件 的破坏形式。 一 1 48 寒冷地 区结 冰现象对混 凝土面板堆石 坝接缝止水 体系的影 响 梁希林赵 波李 敬玮何旭生 G B弹性 密封剂灌注试件
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