镶嵌组合坝混凝土坝体结构体型探讨.pdf

3 0 陆希， 徐宏璐 镶嵌组合坝混凝 土坝体结构体型探讨 文章编号 ： 1 0 0 6 - - 2 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 3 0 0 4 镶 嵌组合坝混凝土坝体 结构体型探讨 陆 希， 徐宏 璐 ( 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公 司， 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要 ： 通过对镶嵌组合坝中镶嵌混凝土坝的分析研究， 初步探讨了镶嵌混凝土坝的体型特征对镶嵌组合坝应力 应变的影响， 为解决高面板堆石坝的安全性提出了一种思路。 关键词： 镶嵌混凝土组合坝； 混凝土坝； 应力； 应变； 计算 中图分类号 ： T V 6 4 1 8 文献标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6 - 2 6 1 0 2 0 1 4 0 6 0 0 8 S t ud y o n Con c r e t e Da m St r uc t u r a l Ou t l i ne o f Emb e d de d Co mpo s i t e Da m LU Xi ，XU Ho n g -l u ( P O WE R C H I N A X i b e i E n g i n e e r i n g C o ， L t d ， X i a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t Th r o u g h a n a l y s i s a n d s t u d y o n t h e e mb e d d e d c o n c r e t e d a m i n t h e e mbe dd e d c o mpo s i t e d a ms，i mpa c t s b y t h e o u t l i ne f e a t u r e s o f t h e e mb e d d e d c o n c r e t e d a m o n t h e s t r e s s a n d s t r a i n o f t h e e mb e d d e d c o mp o s i t e d a m i s e x p l o r e d I t p r o v i d e s t h e h i g h C F RD s a f e t y w i t h o n e n e w i d e a Ke y wo r d s： e mb e d d ed c o n c r e t e c o m p o s i t e d am ；c o n c r e t e d am ；s t r e s s ；c alc u l a t i o n 0 前言 面板坝坝型具有对坝址区地形地质条件适应性 强 、 经济优 、 安全可靠的特点 ， 在中国得到快速发展 ， 但近期已建 的 2 0 0 i n级 面板 坝出现了面板挤压破 坏 、 面板裂缝 、 坝体变形和坝体渗漏量实际发生值比 计算偏大的问题。 当前混凝土面板堆石坝建坝水平 已经达到 2 0 0 in级( 其中水布垭水 电站最大坝高 2 3 3 in) ， 还有几 座 2 5 03 0 0 1 1 1 级 的面板坝正在设计研究之 中。目 前坝工界较一致的看法认为 ： 1 0 0 ff l 级面板坝技术 成熟 ， 坝体实测变形与理论计算基本 吻合 ， 安全 可 靠 ； 2 0 0 in面板坝虽然出现了一些 问题 ， 但 已建工程 运行情况表明， 通过采取适 当的工程处理措施运行 良好 ， 是安全 的； 对 于 3 0 0 i n级的面板坝 ， 由于理论 研究相对滞后 以及 2 0 0 i n级面板坝 出现 的一些问 题 ， 对坝体安全性产生了一些怀疑。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 5 0 7 作者简介 ： 陆希( 1 9 6 5 一) ， 男 ， 陕西省蓝 田县人 ， 教授 级高工 ， 主 要从事水利水 电工程设计与咨询工作 为了解决 以上问题 ， 提 出了在面板堆石坝下部 设置混凝土坝而形成镶嵌组合坝的研究思路 ， 为面 板坝建坝技术发展寻找 突破 口， 以期指导设计 和施 工。本文结合中国某工程 ， 专 门对镶嵌组合坝 中的 混凝土坝部分进行平面有 限元分析 ， 查找混凝 土坝 体型参数对组合坝坝体应力应变的影 响规律 ， 从而 得出较为合理的混凝土坝体型。某工程组合坝体型 见 图 1 。 1 混凝土坝建 基面选择 下部混凝土坝建基面岩体要求 ： 经处理后能使 相应坝体在各种荷载作用下满足抗滑稳定和抗变形 要求 ， 并能承担坝体压 力 ， 控制变形 在容许范 围之 内。此外 ， 坝基岩体还应具有足够 的抗渗性和耐久 性 。 。 2 平面有限元分析 为了详细了解镶嵌混凝土面板堆石坝中混凝土 坝对镶嵌混凝土面板堆石坝应力应变 的影响 ， 采用 平面有限元方法进行分析计算 。J ， 通 过改变混凝 土坝坝体体型参数 ， 研究其对镶嵌混凝 土面板堆石 3 2 陆希 ， 徐宏璐 镶嵌组合 坝混凝 土坝体 结构体 型探 讨 项 目 静力计算 动力计算 向 上 向 下 向 上 游 向 下 游 向 上 向 下 向 上 游 向 下 游 嘉 妄向 上向 下 从计算结果对比分析可以看 出： ( 1 )从表 2可以看出， 随着混凝土坝下游坝坡 的放缓 ， 堆石体 向上游的位移逐渐减小 ， 其他向位移 基本不发生变化； 从动力计算上看 ， 方案 4和方案 6 基本相当， 其他维持减小趋势。 ( 2 )在静力计算方面 ， 面板 压应力和面板的挠 度随下游坡度的放缓而减小， 而面板拉应力却随下 游坡度的放缓而增大 ， 并表现明显 ； 面板挠度变化 比 较均匀 ， 而面板压应 力和拉应力 的差值 变化较大。 动力计算也表现出同样的规律， 当下游坡度到 1： 0 8时 ， 面板顺坡 向拉应力已经达到了 1 4 2 MP a 。 ( 3 )周边缝变位 随下游坝坡 的放缓而增加 ， 张 合 的变化幅度要高于抬升 的变化 幅度 ， 但总体变化 幅度不大， 最大变化 幅度不超过 0 0 7 m m， 可以认为 基本上没有什么变化。 ( 4 )混凝土坝下游坡 比对混凝土坝的应力应变 影响还是比较大 ， 随着下游坡 比的变缓 ， 其各项指标 基本呈下降趋势 ， 但总体上 ， 坡度较陡， 变化较大， 坡 度较缓时 ， 变化较小 ， 即， 到大于 1： 0 6的下游坡 比 变化对其各项指标的影响要小。 ( 5 )下游坡 比的变化 ， 主要对面板应力应变 和 混凝土坝本身的应力应变影响较大 ， 对周边缝变位 虽有影响 ， 但影 响甚微 ， 可以忽略。总体上看， 当下 游坡 比为 1： 0 6和 1： 0 7时 ， 对面板应力应变和 混凝土坝本身的应力应变影响比较平稳 ， 且 1： 0 4 时混凝土坝的小主应力偏大 ， 最大达到 3 4 MP a的 拉应力， 面板的压应力也偏大。 2 3 混凝土坝体 高度对坝体应力应变的影响 采用方案 1 、 方案 4、 和方案 8对 比分析 ， 坝体高 度分别为 4 0 、 5 0和 6 0 m。 ( 1 )从计算结果看 ， 除了对堆石体 向上游位移 影响较大外 ， 其他 的影响均较小 ， 即， 随着镶嵌混凝 西北水 电 2 0 1 4年 第 6期 3 3 土坝坝高的增加 ， 堆石体向上游的位移逐渐减小 ， 而 且减小的幅度较大 ， 施工期最 大达 4 8 ， 蓄水期最 大达 2 4 。其他的增减幅度小于2 ， 影响甚微 ， 可 以忽略不计。总体上 ， 3个方案的堆石体位移还是 比较小 ， 不会影响到镶嵌混凝土面板堆石坝 的安全 运行 ， 也不控制混凝土坝体高度的选择 。 ( 2 )对面板的挠度影响比较大 ， 对于静力计算 ， 由于混凝土坝体越高 ， 面板的长度越小 ， 所 以随着混 凝土坝体高度的增加 ， 面板的挠度会减小 ， 最大减小 的幅度为 9 ； 但对于动力计算 ， 随着 混凝土坝高的 增加 ， 混凝土坝顶动力反应更强烈 ， 其面板 的压应力 稍有变化 ， 但面板挠度在 坝高 4 0 m 时比坝高 5 0 m 时要小很多， 最小降幅达到 了 8 左右。从 面板 挠 度方面 ， 静力计算坝体越高越好 ， 而动力计算坝体越 低越好 。但动力工况下面板的挠度要比静力工况下 大得多， 达到 3倍 的静力计算结果。 ( 3 )3个方案计算 的周边缝变位都不大 ， 远 小 于 目前国内研究且已实施 的适应周边缝最大变位的 止水形式 ( 张开 6 e m， 抬升 1 0 c m) 。混凝土坝高的 变化 ， 对周边缝 的变位有些影 响， 总体上 ， 周边缝变 位随坝高的增高而减小 ， 但变化幅度不大。 ( 4 )3个方案坝体位移及坝基应力均能满足规 范的要求 ， 从变化趋势上看 ， 随着坝体高度 的增加 ， 混凝土坝体位移及坝体大主应力在增加 ， 而小 主应 力在减小 ， 而过大 的坝体位移对其顶部的周边缝还 是有些影响 ， 从变化趋势可以看出 ， 位移增加的幅度 还是 比较大的， ( 5 )混凝土坝高 4 O 、 5 0和 6 0 m时 ， 堆石体应力 应变、 面板应力应变 、 混凝土坝应力应变以及周边缝 变位等各项指标均能满足镶嵌混凝土面板堆石坝的 要求 ， 由此而构成的镶嵌混凝土面板堆石坝均能安 全稳定运行 。 堆石体的应力应变和周边缝 的变位并不控制混 凝土坝体高度的选择 ； 对于混凝土面板 ， 坝体越高 ， 其面板长度越短 ， 面板 的应力应变状况也就越好 ； 对 于混凝土坝本身 ， 坝体越高 ， 其应力应变水平也在增 大， 坝高越低越好 ， 所 以3个坝高各具优势 。考虑到 此混凝土坝位于大坝最低 部 ， 要承受 的是水压力最 大的部分 ， 坝体高度越 高， 对其稳定和应力越不利 ， 而且高度越高 ， 混凝 土方量越大 ， 工程造价也就越 高， 所 以在进行工程选择时应综合考虑选择混凝土 坝高度。 2 4 混凝土坝体和下游堆石体接触方式对坝体 应力应变的影响 采用方案 3 、 方案 4、 和方案 5对 比分析 ， 坝后过 渡料宽度分别为 0 、 4和 6 m。 对 比分析计算结果可知， 混凝土坝后是否设过 渡料对堆石体应力应变 、 周边缝变位及混凝土坝应 力应变均无实质性影响， 对于面板应力应变 ， 除面板 拉应力外 ， 其他指标也无变化 ， 面板拉应力随着过渡 料宽度的增加而增加。按这种情况 ， 坝后不设过渡 料最好 ， 但考虑到堆石体与坝后混凝土能充分接触 ， 且保证接触密实 ， 按一般混凝土和散粒体 的接触方 式 ， 选用较细的料相接 ， 故本次选择设置过渡料 ， 且 设置过渡料后 ， 面板的拉应力也能满足规范的要求。 至于过渡料的宽度的选择 ， 首先是过渡料宽度越小 越好 ， 这样面板的拉应力越小 ， 以节约资金且满足机 械化施工为依据 ， 可选择 4 m宽度 。 3 结论 总结以上分析 ， 可 以得 出以下结论 ： ( 1 )混凝土坝坝顶 宽度对堆石体沉降、 混凝 土 坝拉压应力 、 面板拉压应力及周边缝虽然有影响 ， 但 是其影响甚微 ， 并 没有显著改变 ， 所以 ， 混凝土坝顶 宽的改变并 不能有 明显改善面板 堆石坝 的控制指 标 。 ( 2 )混凝土坝下游采用缓坡 比对于堆石体和混 凝土坝的变形和受力都有正面影 响， 对 于面板和周 边缝的变形也有改善作用 ， 但是坡 比越缓面板最大 拉应力越大。 ( 3 )综合考虑混凝土坝高比对堆石体 、 混凝 土 坝和面板的变形和受力的影响 ， 在 4 0 6 0 m范围内 坝高增高对于堆石体的应力应变和周边缝的变位作 用不 明显 ， 对混凝土面板的应力应变状况有所改善 ， 但恶化了混凝土坝体本身 的应力应变状况 ， 考虑到 此混凝土坝位于大坝最低部 ， 要承受的是水压力最 大的部分 ， 坝体高度越高 ， 对其稳定 和应力越不利 ， 而且高度越高 ， 混凝土方量越 大 ， 工程 造价也就越 高 ， 加之 目前这种坝型处于起步阶段 ， 不建议采用较 高的坝体 。 ( 4 )混凝土坝后过渡层厚度对面板所受顺坡向 应力有一定的影响， 随着过渡层厚度的增加 ， 面板最 大压应力减小， 拉应力增加， 但影响较为有限。 ( 下转第4 5页) 西北 水 电 2 0 1 4年 第 6期 4 5 混凝土条的宽 ； 为混凝土条高； m为冰块的长度 ； 为冰块的宽度； a为冰块 的厚度； 和 分别是混 凝土容重和冰块容重 ， 分别取 2 4 k N m 和 9 k N m 。 以混凝土条为研究对象可得 ： F=( G 1+G 2 ) s i n ( 1 ) G 1 =L h b y 1 ( 2 ) G 2=0 5 a mn y 2 ( 3 ) 把式( 2 ) 和式 ( 3 ) 带入式 ( 1 ) 并整理可得 ： F =( L h b y 1+0 5 a mn y 2 ) s i n ( 4 ) 察汗乌苏水库冰封期水位最大变幅约 2 0 m， 大 坝上游 坝坡 为 1：1 5 。因此混凝土条长度 L：3 6 m， 设混凝土条的断面为正方形 ， 边长 b = 0 5 m。冰 块尺寸根据现场实际情况统计 ， 见表 1 。 表 1 冰块尺寸统计表 备注 ： 冰块为不规则形状 ， 只测最大尺寸和最小尺寸 ， 单位 m。 根据表 1统计的冰块尺寸 ， 以最不利因素考虑 ， m= 3 1 m； n = 2 3 m； a = 0 7 m ， 把所有参数代人式 ( 4 ) 并整理可得 ： F =3 7 8 k N。 通过计算可知 ： 每个混凝土条底部 的插筋只需 承担 3 7 8 k N的力就可以满足稳定要求 ， 混凝土条 与面板之间通过 2排插筋连接 ， 钢筋材料 HR P 3 3 5 ； 间距 0 5 m， 排距 0 2 m， 直径 D= 2 0 m m， 其抗剪作 用远大于混凝土条快和冰块形成的下滑力。 3 结语 通过分 析和计算可知 ， 在混凝土面板坝表 面接 缝止水两侧浇筑混凝 土条保护接缝止水是可行 的。 寒冷地 区的面板坝表面接缝止水在水库冬季运行时 极易造成冰冻破坏 ， 电站 ( 或水库 ) 运行单位每年都 要投入费用对其进行修复 ， 现通过工程措施对 面板 坝表面接缝止水加 以保护 ， 确保水位变化区的接缝 止水不会产生冰冻破坏 ， 在一定程度上解决了寒冷 地区面板坝表面接缝止水的冰冻破坏问题， 降低电 站运行成本。 参考文献 ： 1 陈德亮 ， 王长德 水 工建筑 物 M 北京 ： 中国水利水 电出版 社 ， 2 0 0 8 2 孙训方 ， 方孝淑 ， 关来泰 ， 胡增强 材料力学 M 北京 ： 高 等教 育 出版社 ， 2 0 0 9 3 孙江岷 ， 汪恩 良， 于 雪梅 寒冷水 库土石 坝护坡 防冰冻 破坏技 术及应用 J 冰川冻土 ， 2 0 0 2 ， ( 5 )： 6 4 2 - 6 4 5 4 赵明国 浅谈水 工建筑物 的冰冻破坏 及防治 J 黑龙 江科技 信息 ， 2 0 0 7 ， ( 0 5 S ) ： 2 1 7 5 赵庆 ， 苗 酷 ， 李学强 高寒 、 高蒸发地 区面板 坝钢筋混凝土 面板 防裂抗 裂技术探讨 J 西北水电 ， 2 0 1 4， ( 0 4) ： 3 7 - 4 0 6 于来 ， 雷挺 ， 王景彤 高寒地 区混凝 土面板堆 石坝 面板 防冻 裂 技术研究 J 东北水利水 电， 2 0 0 2 ， ( 9) ： 1 2 1 3 7 张兰华 ， 贾蕴翔 ， 黄伟奇 高寒地 区混凝土 面板堆石 坝坝体 填 筑施工技术探讨 J 混凝土 ， 2 0 1 0 ， ( 9 ) ： 1 3 3 1 3 4 8 张怀斌 恰拉水 库坝坡 抗冰推设计 的探索 与实践 J 吉 林水 利 2 0 0 9， ( 9 ) ： 5 6 ( 上接 第 3 3页) 考虑到堆石体与坝后混凝土能充分接触 ， 且保证接 触密实 ， 按一般混凝土和散粒体的接触方式 ， 选用过 渡料相接 ，其宽度能满足施工要求即可。 参考文献 ： 2 王君利 ， 范建朋 马来 西亚 巴贡水 电站面板 堆石 坝设 计综述 J 西北水电 ， 2 0 1 0 ， ( 0 6 ) ： 1 9 2 3 吕生玺 九甸 峡混 凝土 面板 堆 石坝 应力 和 变形 有 限元 分 析 J 南水北调与水利科技 ， 2 0 1 0 ， ( 0 3 ) ： 1 2 3 1 2 6 3 杨玲 ， 赵亚 明， 王飞泗南江水电站混凝 土面板坝 三维有 限元 分析 J 人 民长江 ， 2 0 1 2 ， ( S 1 ) ： 1 9 3 1 9 5 4 王建英 ， 黄德武 ， 葛恒年 马鹿 塘水 电站二期 工程 面板 应力应 变监测 成果分 析 J 云南水力发电 ， 2 0 1 2 ， ( 0 5 ) ： 2 5 - 2 8 5 徐泽平 ， 王志强 ， 吕生玺 九甸峡混凝 土面板 堆石坝 应力变 形 分析 J 水力发 电， 2 0 1 0， ( 1 1 ) ： 7 1 - 7 4