《重力坝专题》PPT课件.ppt

重力坝专题1 第三讲：重力坝的裂缝分析 4 高坝事故的原因 4 混凝土裂缝的类型及产生的原因分析 4 混凝土初裂判别标准 4 混凝土断裂力学 重力坝专题2 参考书 1.陈宗梁编著，世界超级高坝，中 国电力出版社， 1998.1, 35-40 2.龚召熊主编， 水工混凝土的温控与 防裂，中国水利水电出版社， 1999.5 3.于骁中主编， 岩石和混凝土断裂力 学，中南工业大学出版社， 1991.12 重力坝专题3 1.高坝事故的原因 世界上200m以上高坝建设中虽未有过 垮坝，也发过一些严重的问题和重大事故 ，造成人员伤亡和巨大的经济损失 (参见： 陈宗梁编著世界超级高坝，中国电力 出版社，1998.1 , 35-40) 。 下面为一些导致事故产生的原因。 重力坝专题4 1. 高坝事故的原因 1)1) 库岸滑坡库岸滑坡意大利瓦依昂意大利瓦依昂 l双曲拱坝，坝高262m。 l基岩为石灰岩，分布有薄层泥夹层和夹泥层，岩 石节理裂隙发育，岸边岩层倾向河床。 l1957年施工，1960年2月水库蓄水。 l1963年10月9日岸坡下滑速度为25cm/d，当晚22 时41分左岸坡突然发生整体滑落，范围为长 2.0km，宽1.6km，滑坡体总为2.7亿m3,历时30- 45s,淤积体高出库水面150m。 重力坝专题5 1. 高坝事故的原因 1)1) 库岸滑坡库岸滑坡意大利瓦依昂意大利瓦依昂(Vajont)(Vajont) l滑坡时产生250m高的冲浪，下泄洪水流速达 280km/h,约有1.15亿m3的库水被掀起。 l死亡2600余人。 l涌浪对拱坝形成约为4000万KN的动荷载，相当 于8倍的设计荷载。 l左坝肩坝顶有一段长约9米，高约1.5米的范围 有损伤。 重力坝专题6 瓦依昂拱坝瓦依昂拱坝 重力坝专题7 重力坝专题8 1. 高坝事故的原因 2)2) 坝体严重裂缝坝体严重裂缝奥地利柯恩布莱因奥地利柯恩布莱因 l双曲拱坝,坝高200m，厚高比为0.18。 l1977年建成。 l1978年当水位上升至180m水头时，大坝发 生了严重裂缝，坝踵先后出现了深度为8- 9m的垂直裂缝和贯穿到基础的斜裂缝，裂 缝从基础中部裂开，逐步发展到上游面， 坝基以上18m处裂缝长度达100m。 重力坝专题9 1. 高坝事故的原因 2)2) 坝体严重裂缝坝体严重裂缝奥地利柯恩布莱因奥地利柯恩布莱因 l坝基扬压力上升到全水头,大坝已失去 原有的承载能力。 l加固方案：建支撑坝，分担20%的推力 ，坝高70m，46万m3, 为原坝的1/3。 重力坝专题10 Kolnbrein arch dam 重力坝专题11 Kolnbrein arch dam 重力坝专题12 Kolnbrein arch dam 重力坝专题13 2 2）坝体严重裂缝）坝体严重裂缝 l美国德沃歇克 (Dworshak)重力坝，坝高219m 。 l1973年建成，9月开始蓄水，9个坝段陆续发 生严重的横向垂直裂缝，裂缝最大宽度为 1.65mm，渗水较大。 l原因：与大坝表层混凝土水泥用量多有关， 严寒气温和低温库水产生的极限温度变化， 使混凝土表面发生拉应力和裂缝张开，再加 上满库时水压力很大，在裂缝内形成劈力 水力劈裂。 重力坝专题14 2 2）坝体严重裂缝）坝体严重裂缝 l中国三峡重力坝，坝高181m。 l2000年12月发现有6个泄水坝段出现劈头 裂缝。2001年12月所有已建23个泄水坝 段均出现劈头裂缝。 l裂缝长40m左右，最大宽度0.3mm，共计 80条。 l原因：1）气温条件恶劣，表面保温不严 格；2）并缝板设计不当；3）混凝土材 料抗裂性能差。 重力坝专题15 中国三峡重力坝裂缝裂缝 重力坝专题16 中国三峡重力坝-修复后 重力坝专题17 1.高坝事故的原因 3)3) 施工围堰漫水冲毁施工围堰漫水冲毁 l 前苏联 Rogun 斜心墙土石坝，坝高335m 。 l在建工程，因国内政治原因进展缓慢。 l在围堰完成前，一条隧洞因塌方被堵，于 1993年5月遇暴雨，上游围堰漫顶，洪水流 量3800m/s, 洪峰流量7700m/s。 l冲毁基坑和工作塔。 重力坝专题18 1.高坝事故的原因 4)4) 泄洪建筑物空蚀破坏泄洪建筑物空蚀破坏 l 伊朗卡比尔(Kebir)双曲拱坝，坝高200m。 l1977年建成。 l大坝左岸布置有坝端滑雪式泄洪道，流量 为1.92万m3/s,。 l19771978 年汛期开始泄洪，每孔泄100 m3/s时，泄洪道因补气不足发生 严重气蚀 。 重力坝专题19 1. 高坝事故的原因 5 5）防渗帷幕设计有误防渗帷幕设计有误 l 美国胡佛(Hoover)重力拱坝。 l由于帷幕设计深度不够，导致重新再做深 的帷幕和新的排水系统。 l原帷幕深45.7m，新帷幕最大深度为 146.32m。 l原因是水文地质与工程地质情况研究不够 。 重力坝专题20 Hoover Dam（Structural Height 726.4 ft,Hydraulic Height 576 ft,Crest Length 1,244 ft,Crest Width 45 ft,Base Width 660 ft,Volume of Concrete 4,400,000 cu yd） 4 重力坝专题21 1.高坝事故的原因 6 6 ）消力池冲刷破坏）消力池冲刷破坏 9.1m 226m 1:0.8 190m l 印度巴克拉(BhaKra)重 力坝，坝高226m， l1963年建成。 l经过最大流量为 2830m3/s的78天运行后， 曾发生消力池底板严重冲 毁破坏，冲深达70m。 重力坝专题22 6 6）消力池冲刷破坏）消力池冲刷破坏 l 五强溪水电站：混凝土溢流坝，坝高85.83m。 l设计水位111.62m，下泄总流量约44000 m3/s， 校核水位114.7m,下泄总流量约54000m3/s。 l 下泄流量大，泄洪时上下游水位差约40m, 水流 Froude数为 34，这给下游消能防冲带来一定 难度。 l 采用“宽尾墩消力池” 和“宽尾墩底孔挑流消力 池”新型联合泄洪消能方案。 重力坝专题23 五强溪水电站右消力池 重力坝专题24 l 在溢流坝段布置了9个表孔，位于河床左侧，被 泄洪中孔泄槽分隔为右3孔和左6孔，尾墩扩散角 为17.526，出口宽度7.0m，溢流孔宽度收缩比为 0.368。尾部是反弧半径20m、挑角45的反弧挑流 鼻坎，坝下消力池总长120m，被中孔泄槽分隔为 左、右消力池。 l 消力池底板下的基岩由前震旦纪板溪群砂岩、石 英岩、板岩和千枚状板岩组成，岩层厚104.38m， 岩体节理裂隙较发育，纵横交错分布，属类岩 体，岩石抗冲流速为56m/s。 五强溪水电站右消力池底板块失事（续） 重力坝专题25 五强溪水电站右消力池底板块失事(续） l 该工程属一等工程，1991.11一期工程截流，1996 年底完建。 l1996.7出现了2 次40000 的洪峰，为了下游安 全，严格控制下泄流量不超过26400 ，使库水 位被迫抬高超出正常蓄水位5.62m, l由于当时工程尚未完建，闸门无法做到均匀、同 步、对称开启运行，致使消力池较长时间处于一 种十分恶劣的水流运行状态。 重力坝专题26 五强溪水电站右消力池底板块失事(续） l洪水过后，发现右消力池部分底板块被水流掀起 冲走，基岩冲坑深度超过30m。 l原因： 混凝土施工质量； 冲坑计算； 重力坝专题27 二.混凝土裂缝的类型及产生的原因分析 1)1) 发生和发展过程：发生和发展过程： 五十年代末，通过对丹江口水库大坝混凝土裂缝 的分析, 认识到贯穿性裂缝的形成基本上都是: l 由表面裂缝发展的结果，表面裂缝绝大部分又都 是在气温骤降期间发生; l如果已裂坝块长期暴露，随着内部温度的继续下 降，表面裂缝绝大部分又将不断向纵深发展，直 至形成贯穿性裂缝; l外荷作用导致裂纹进一步扩展。 重力坝专题28 二.混凝土裂缝的类型及产生的原因分析(续) 2)2) 产生温度应力的原因：产生温度应力的原因： 由于变形约束而产生, 约束包括： 基础混凝土在降温过程中受基岩或老混凝土的约束 ； 由非线性温度场引起各基岩或老混凝土的约束； 气温骤降时，表层混凝土的急剧收缩变形，受内部 热胀冷缩的约束，这种约束虽然也属于内部约束， 但它的降温时间短，变形收缩快，所以更容易开裂 。 重力坝专题29 二.混凝土裂缝的类型及产生的原因分析(续) 3)3) 温度裂缝的类型温度裂缝的类型：（常见说法） 4 基础贯穿裂缝 4 深层裂缝 4 表面裂缝 4 网状裂缝 4 劈头缝 重力坝专题30 二.混凝土裂缝的类型及产生的原因分析(续) 4)4) 与表面裂缝有关的影响因素与表面裂缝有关的影响因素： 坝块表面裂缝的发生和发展，不 仅和坝块的温度、 混凝土的强度与浇 筑质量、混凝土的龄期、外界气温、 结构形式和坝块尺寸等有关，也和坝 块在施工过程中所处的位置、拆模时 间等有密切的关系。 重力坝专题31 4 4）与表面裂缝有关的影响因素）与表面裂缝有关的影响因素： 气温骤降主要原因： 气温骤降是以相邻日平均气温的差值，此差值大 到一定程度，就会引起混凝土表面裂缝。(一般7。C左 右) 丹江口27#-5坝块，利用应变计测温度变化的应变 ，6d时中心与表层的温差为1. 6。C, 该坝坝宽16.5m, 而 在9d时，相对6d的日平均气温下降了8。C，坝块中心 的温度变化和应变变化都较小，但内外的温差和应变 却较大，如 测值表 所示。 因此，当气温骤降超过7。C 时，应进行表面保护。 重力坝专题32 丹江口工程27#-5坝块测值表 测 点 距表 面距 离(m) 6d测值9d测值9d - 6d值 温度 (。C) 应变 ( u) 温度 (。C) 应变 ( u) 温度 (。C) 应变 ( u) 10.80 30.8-3530.1-35-0.70 20.25 29.8-627.430-2.436 30.05 29.2024.350-4.950 重力坝专题33 4 4）与表面裂缝有关的影响因素）与表面裂缝有关的影响因素： 混凝土的龄期： 表面裂缝的发生，还有一条明显的规律，就是绝大部分发生 于龄期6d以后，在此龄期之前，即使遭遇气温骤降也不产生裂缝( 混凝土在这一段时间正处于热胀受压状态），详见下表： 混凝土龄 期(d) 56101115162021282840 裂缝条数23023821 百分数(%)345351232 备注截面突变处 重力坝专题34 4 4）与表面裂缝有关的影响因素）与表面裂缝有关的影响因素： 坝块承受气温骤降的临界幅度： 临界幅度与坝块大小有关： 宽为10m以下的坝块，与骤降大小无关，不出现裂缝； 1518m, 为9。C； 24m, 为8。C； 30m, 为7.5。C 对于一定尺寸的坝块，其承受气温骤降的能力是随混凝土龄 期的增加而提高，以68d所能承受气温骤降的能力为最低，把这 一最低值作为坝块受气温骤降袭击的临界幅度。 7 8 9 龄期d 骤 降 68 10 重力坝专题35 4 4）与表面裂缝有关的影响因素）与表面裂缝有关的影响因素： 裂缝条数与坝块尺寸的关系： 裂缝的条数随坝块尺寸的增加而增加，其位置多 在坝块的长边的中部，三分点或四分点处，把坝块的 暴露面分成长宽几乎相等的几个块体。 宽为1518m的坝块，在长边的中部出现一条裂缝； 2025m的坝块，出现2条，在三分点处； 30m的坝块，出现3条，在四分点处； 72m的坝块，出现5条，在六分点处(丹江口)。 可见10m以下不出现裂缝 重力坝专题36 4 4）与表面裂缝有关的影响因素）与表面裂缝有关的影响因素： 表面裂缝与混凝土质量的关系： 抗拉强度高，均匀性好的混凝土相应的抗裂能力 高，出现裂缝的机率就低。当然也不能任意提高混凝 土的抗拉强度，一般控制混凝土的离异系数Cv KIC (2) 沿什么方向开裂：纯 I 型 = 0 KIC为材料的断裂韧度。 （5）复合型判据： 有I+II、 I+III、 II+III、 I+II+III型，判据复杂。对 重力坝而言，只有I+II型，称为拉剪或压剪型断裂。 重力坝专题45 四. 混凝土断裂力学(续) 2. 2. 混凝土断裂力学混凝土断裂力学 ( (线性 线性) ) (1) 混凝土缝端的微裂缝区： 三点弯曲梁： 微裂缝区 重力坝专题46 2 2 . . 混凝土断裂力学混凝土断裂力学 ( (线性线性) ) (2) 亚临界扩展： 混凝土裂缝的扩展并不是一次完成 ，而是经过由微裂纹的发展到一定程度 才向前扩展，这个长度叫亚临界扩展长 度，稳定值为20cm。 重力坝专题47 2 2 . . 混凝土断裂力学混凝土断裂力学 ( (线性线性) ) (3) 混凝土的断裂韧度： 目前已有的实验，基本上集中在 I 型 裂缝，且存在尺寸效应，求得其值为: KIC2.0MN/m3/2 经验公式： KIC =2.86Kft 其中：ft10X10X10cm立方体劈拉强度； 2.86 量纲为m的系数；K考虑尺寸效应的无量纲系数 ，对大体积混凝土经验取 K=1.9。 重力坝专题48 2 2 . . 混凝土断裂力学混凝土断裂力学 ( (线性线性) ) (4) 混凝土复合型裂缝的断裂判据： 种类： 最大周向应力，()max 最大应变能释放率判据(G) 比应变能判据( S判据) 可求出，但不太符合实际。因此，常用经验判据： + 复合型(拉剪型) 重力坝专题49 2 2 . . 混凝土断裂力学混凝土断裂力学 ( (线性线性) ) 而对于压剪型有两种看法： * 裂缝已闭合，且