丹江口大坝加高新老混凝土结合面灌浆效果分析.pdf

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 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 ， 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 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 。 、 |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 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 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 ( 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 。 - 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 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 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 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 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 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 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 ， 该 部 位初 始 最 大应 力为 0 5 5 MP a ； 当大坝下游加厚块浇完以后 ， 最大应 力下降到 一 0 8 MP a ； 当老坝顶 1 6 2 1T I 高程以上的加高 块 混凝 土 浇 筑 完成 后 ， 最 大应 力 下 降 到 一1 9 3 M P a ； 当水库水 位 由 1 5 7 m 上升到 加 高工 程完成 后 的正 常蓄 水 位 1 7 0 m 以后 ， 最 大 应 力 一 0 7 8 MP a 。如 果 扣 除 因 上 游水 位升 高水 头产 生 的扬 压力 0 1 3 MP a ， 则此 时的 最 大应 力 为 一0 6 5 MP a ， 与 初 始 最 大 应 力 相 比 ， 坝 踵 应力 没有恶 化 。 同样 ， 由图 2可见 ， 另 2个不 同高程 的 上游 面应力 也没 有 出现恶化 现象 。 图 2不 灌 浆 坝 体 上 游 面 不 同离 程 应 力 历 程 从坝踵应力计算结果的比较看 ， 在水库水位升高 以后 ， 采取灌 浆措 施 的坝踵应 力 比不 灌浆 的略小 ， 二者 之 间相 差 0 1 M P a 左 右 ， 见 图 3 。 图 4为上游 面 1 3 4 m 高程在水 库水 位升 高 到 1 7 0 m 后 ， 灌 浆与 不 灌浆 两 种 情 况 的最 大应 力过 程 。可见 ， 采 取灌浆 措施 以后 ， 最 大 应力值降低 0 2 MP a左右。上游面其他部位的应力也 呈相 同规 律 ， 只是应力 值不 同 而已。 图 3库水 位抬 高后坝踵最大应力过程 比较 表 3给 出了水库 水位 由 1 5 7 m 升高到 加高工 程完 成后 的正 常蓄水 位 1 7 0 m 以后 ， 上 游 面 几个 不 同 高程 的最 大应力 。可见 ， 采 取灌 浆措施 后 ， 上 游面应 力都有 一 定 程度 降低 。说 明采 取灌浆 措施 对减小 上游 面拉应 力 是有 益 的。 表 3 上游面不同高程最大应 力 MP a 第 l 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 7 莹 只 时间 d 图 4 库水位抬高后上游 面 1 3 4 m高程最大应 力过程比较 4结 论 综上 所述 ， 在 丹 江 口大坝 加高 施工 过 程 中 ， 对 新老 混 凝 土结合 面进行 灌 浆 处 理 ， 能 提 高 新 老 混凝 土 结 合 面的接触面积 ， 有利于新老坝体结合成整体 ， 使下游贴 坡 段混 凝 土能 够更有 效 地承 担 老坝传 递 过来 的上游 水 荷 载 ， 对 降低上 游 面竖 直 向应 力 是有 益 的 。 参 考 文献 ： 1 尹旅超 ， 杨 树 明 混 凝 土大坝 加 高的 几 个主要 技 术 问题 的研 究 J 人 民长江， 1 9 9 9， ( 5 ) ： l 51 8 2 郭武山 南水北调 中线及丹江 口大坝加高工程施工难点 J 湖北 水 利 发 电 ， 2 0 0 6， ( 4)： 8一l 1 3 肖汉江， 李祖 民 大坝加 高试验 温度应 力仿真计 算与原 型观 测对 比分析 J 长 江科 学院院报 ， 2 0 0 2， 1 9 ( 增刊 ) ： 5 4 5 6 4 张国新 ， 朱伯芳 ， 吴志朋 重力坝加高的温度应力问题 J 水利学 报 ， 2 0 0 3 ， ( 5 ) ： 1 11 5 ( 编 辑 ： 徐 诗 银 ) An a l y s i s o n g r o u t i n g e f f e c t o f j o i n t f a c e b e t we e n n e w a n d o l d c o n c r e t e i n h e i g h t e n i n g p r o j e c t o f Da n j i a n g k o u Da m xu Yu e z h i 一 SHAN Li a ng ， ( 1 Ma t e r i a l s R e s e a r c h D e p a r t m e n t ，C h a n g j i a n g R i v e r S c i e n t ific R e s e a r c h I n s t i t u t e ，W u h a n 4 3 0 0 1 0 ，C h i n a ； 2 C e n t e r o n W a t e r E n g i n e e r i n g S a f e t y a n d Dis a s t e r Pr e v e n t i o n，t h e Mi n i s t r y o f Wa t e r R e s o u r c e s ，Wu h a n 4 3 0 0 1 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e i n t e g r a t i o n b e t w e e n t h e n e w a n d o l d c o n c r e t e d a m b o d i e s i s o n e o f t h e ma i n t e c h n i c a l p r o b l e ms i n D a n j i a n g k o u d a m h e i g h t e n i n g f o r s o u t ht on o r t h wa t e r d i v e r s i o n T h e j o i n t f a c e i s b a s i c a l l y b o n d e d w e l l i n t h e i n i t i a l p e r i o d o f c o n s t r u c t i o n， h o we v e r t h e c r a c k o f t en a p pe a r s i n l a t e r p e r i o d by we a t he r i n flue n c e；t he r e f o r e，t he g r o u t i n g me a s u r e i s us u a l l y t a ke nW i t h t h e a n n u a l v a r i a t i o n o f e n v i r o n me n t a n d t e mp e r a t u r e，w h e t h e r t h e c r a c k a p p e a r s i n t h e j o i n t i n g s u r f a c e a g a i n o r n o t a n d t h e g r o u t i n g t a ki n g e f f e c t a r e t h e mo s t c o nc e r n s i n d e s i g n a n d c o ns t r uc t i o nBas e d o n t he he i g h t e n i n g c on s t r u c t i o n p r o c e s s o f No 2 d a m s e c t i o n o f Da n j i a n g k o u d a m，w e a n a l y z e t h e g r o u t i n g e f f e c t b e t we e n n e w a n d o l d c o n c r e t e t h r o u g h 3 D n o nl i n e a r fi n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n c o mpu t a t i o nTh e r e s ul t s s h o w t h a t t h e g r o u t i n g t r e a t me n t a do p t e d i n i n t e g r a t i n g n e w a n d o l d c o n c r e t e i n t e r f a c e c a n e f f e c t i v e l y i n c r e a s e t h e c o n t a c t a r e a o f j o i n t f a c e a n d h e l p r e d u c e t h e t e n s i l e s t r e s s o f u p s t r e a m s i d e Ke y wo r d s ： d a m h e i g h t e n i n g；n e wo l d c o n c r e t e j o i n t f a c e；g r o u t i n g ；3 D F E M；D a n j i a n g k o u Da m l 一一一 一】一】 ， 】， 0l ( 上接 第 2 6页) Ana l y s i s o f c a l c ul a t i o n m e t h o ds o f e n v i r o n me n t a l b e n e f i t s f r o m e n e r g y s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n f o r w i n d p o w e r p r o j e c t CAI Gu i z h e n， WANG Yi n g， HUANG J i a we n， XU C h e n g j i a n ( En v i r o n me n t C o mp a n y，C h a n g j i a n g I n s t i t u t e o fS u r v e y，Pl a n n i n g，De s i g n a n d Re s e a r c h，Wu h a n 4 3 0 0 1 0，C h i n a) Abs t r ac t：The c a l c u l a t i o n o f e n v i r o nme n t a l be n e f i t s i s o ne o f t he i mpo r t a n t d e s i g n c o n t en t s o f e n v i r o nme n t a l i mp a c t a na l y s i s o f w i n d p o w e , p r o j e c t Du e t o l a c k o f d e fi n i t e t e c h n i c a l s p e c i fi c a t i o n，t h e c o mmo n c a l c u l a t i o n me t h o d o f t a k i n g t h e r ma l p o w e r a s c o mp a r a t i v e o b j e c t i s a d o p t e d Ho we v e r i t i s d i f f i c u l t t o j u d g e a n d c o mp a r e i d e n t i c a l l y b e c a u s e o f l a r g e n u mb e r o f c a l c u l a t i o n p a r a me t e r s a n d wi d e v a l u e r a n g e，a nd s o me di f f e r e n c e s e x i s t a mo ng d i f f e r e n t r e s u l t s Th e r e f o r e，we pr o p o s e a s i mpl i fie d c a l c ul a t i o n me t h o d o nl y r e l a t e d t o c o mp r e he n s i v e c o a l c o ns u mp t i o n an d p o l l ut a nt d i s c h a r g e r a t e，s o a s t o e f f e c t i v e l y s t a n da r d i z e a n d q ui c k l y c a l c u l a t e t h e e n v i r o n me n t a l b e n e fi t s o f w i n d p o w e r p r o j e c t Ke y wor d s： e n vi r o n me nt a l be n e f i t s ；e ne r g y s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n；c o mp r e he n s i v e c o a l c o ns ump t i o n；p o l l u t a n t d i s - c h a r g e r a t e ；wi n d p o we r p r o j e 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