（水利工程专业论文）钢纤维混凝土在佛子岭水库大坝加固（设计）中的应用.pdf

钢纤维混凝土 在佛子岭水库大坝加固( 设计) 中的应用 摘要 本文在分析大坝存在的问题的基础上，通过对大坝的两端拱、墙垛原结构 设计的分析，提出多种加固方案，对方案进行技术与经济比较，最后采用喷射 钢纤维混凝土对大坝坝面、垛内局部进行加固处理，在垛尾使用泵送现浇钢纤 维混凝土填筑抗滑，并对加固方案进行结构分析；提出了大坝裂缝的处理方法： 通过钢纤维混凝土的室内、现场实验，分析钢纤维混凝土在不同配合比和外加 剂情况下的抗压强度、抗拉强度、抗折强度、与老混凝土的粘结强度、弯曲韧 度指数、韧度系数，为大坝结构加固施工提供了依据和质量保证，使加固后的 大坝达到应有的效果和安全度，并为喷射钢纤维混凝土这种新材料、新技术在 我省和大坝加固中的应用开拓新的途径。 关键词：加固设计；钢纤维混凝土；喷射；室内试验；现场试验 t h e a p p l i c a “o n o fs t e e l 舳e rc o n c r e t e i nr e i n f o r c i n g ( d e s i g n ) t h ed a mo f f u z i i i n gr e s e r v o i r a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，b a s e do n a n a l y s i st h ep r o b l e m o f 叶敏固卫力芝 表1 1 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表2 7 表2 8 表2 9 表2 1 0 表2 1 1 表2 一1 2 表2 一1 3 表2 1 4 表2 1 5 表2 1 6 表2 1 7 表2 一1 8 表2 一1 9 表2 2 0 表2 2 1 表2 2 2 表2 2 3 表2 2 4 表2 2 5 表2 2 6 表2 2 7 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表格清单 大坝结构承载力极限状态复核结果2 水库运行特征水位及流量表5 混凝土强度标准值5 坝顶垂直位移历年特征值6 2 # 、2 2 # 拱及2 # 、2 l # 墙垛原设计结构尺寸表7 按结构力学方法对2 # 拱原结构计算分析结果8 按结构力学方法对2 2 # 拱原结构计算分析结果9 2 # 、2 2 # 加强拱支撑墩的应力及稳定计算成果表1 2 原结构与加固后结构( 无缝) 平面应力计算成果比较表1 3 原结构与加固后结构( 有缝) 平面应力计算成果比较表1 4 2 # 、2 2 # 拱温度荷载及拱座相对变位取值表1 5 对2 # 拱作上游加固方案结构计算分析结果1 5 对2 2 # 拱作上游加固方案结构汁算分析结果1 6 两方案工程量和可比投资比较表1 7 2 # 、2 2 # 拱温度荷载表1 9 2 # 、2 2 # 拱座相对变位取值表1 9 2 # 、2 2 # 拱水平向地震力取值表2 1 按结构力学方法对2 # 拱加固计算分析结果2 3 按结构力学方法对2 2 # 拱加固计算分析结果2 4 2 # 、2 2 # 拱加固结构工程量表2 5 原设计佛子岭连拱坝垛墙厚度表2 5 原设计佛子岭连拱坝垛的面板隔墙和拱的厚度表2 6 原设计各垛材料力学法主应力表( 垛拱光滑接触) 2 6 大坝加高后垛材料力学法主应力( 垛拱光滑接触) 2 7 佛子岭大坝安全复核三维有限元分析a 、b 、c 缝端应力表2 8 垛墙加固方案比较表2 9 1 2 # 垛以西各工况垛墙、面板应力表2 9 1 3 # 垛以东各工况垛墙、面板应力表3 0 室内试验推荐喷射钢纤维混凝土配合比3 4 室内试验推荐配合比室内成型混凝土的力学性能试验成果3 4 室内试验推荐配合比室内成型弯曲韧性和大板韧度试验结果3 4 室内试验推荐配合比喷射大板混凝土的力学性能试验成果3 4 室内试验推荐配合比喷射大板弯曲韧性和大板韧度试验结果3 4 现场试验推荐喷射钢纤维混凝土配合比3 5 表3 7 现场试验推荐泵送钢纤维混凝土配合比3 5 表3 8 现场试验推荐配合比喷射钢纤维混凝土的拌和物性能试验成果3 6 表3 9 现场试验推荐配合比钢纤维混凝土的力学性能 试验成果与要求比较3 6 表3 一1 0 现场试验推荐配合比钢纤维混凝土的弯曲韧性 试验结果与要求比较3 6 表3 1 1 两种工艺施工新老混凝土粘结强度和喷射工艺层面粘结强度3 6 图形清单 图2 一l 水荷载分布图1 8 图2 2 水平向地震惯性力分布图2 0 图2 3 水平向地震动水压力分布图2 l 图2 4 佛子岭大坝安全复核三维有限元分析 a 、b 、c 缝端应力分析示意图2 7 附图l1 2 垛以西加固布置图4 3 附图21 3 垛以东加固布置图4 4 附图31 2 # 垛以西三维有限元应力成果图4 5 附图41 2 # 垛以西三维有限元应力成果图4 5 附图51 2 # 垛以西三维有限元应力成果图4 6 附图61 2 # 垛以西三维有限元应力成果图4 6 附图71 2 # 垛以西三维有限元应力成果图4 7 附图81 2 # 垛以西三维有限元应力成果图4 7 附图91 2 # 垛以西三维有限元应力成果图4 8 附图1 01 3 # 垛以东三维有限元应力成果图4 8 附图1 11 3 # 垛以东三维有限元应力成果图4 9 附图1 21 3 # 垛以东三维有限元应力成果图4 9 附图1 31 3 # 垛以东三维有限元应力成果图5 0 附图1 41 3 # 垛以东三维有限元应力成果图5 0 附图1 51 3 # 垛以东三维有限元应力成果图5 l 附图1 61 3 # 垛以东三维有限元应力成果图5 l 独创性声明 本人声赐所墨交的学傍论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒目b 些_ 人堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同：【作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：f 冀芝叼 签字日期：w 蛑，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒蟹王、业盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 g ! 些厶鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采崩影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适_ 【 ! | 本授权。i ；) 学能论文作者签名f 鞑听 l 签字日期：叮年r 月6 日 导师签名：叶置一c j 丕l ，、 卫坦 签字日期：p r 年占月f 日 学位论文作者毕业后去向：安徽水利水电职业技术学院 1 i 作单何：安徽水利水电职业技术学院电话：0 5 5 卜2 1 5 5 6 8 0 通讯地址：安徽水利水电l l 业技术学院建筑下程系邮编：2 3 0 6 0 1 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得 到了我的导师叶献国教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收 集资料、论文成稿，都倾注了叶献国老师的心血，由衷感谢叶献国老师在学业 指导及各方面所给予我的关心，本人非常敬佩叶献国老师的人品和道德情操， 老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必 将使我终身受益。由衷感谢王力理老师在论文选题、资料收集和论文撰写过程 中给予的大力帮助和悉心指导。 同时，真诚感谢土木建筑学院的领导和全体老师，在我的课程学习和论文 撰写期间，给予的大力支持和帮助。感谢安徽省水利勘测设计院周晓勇高工在 我论文撰写期间，给予的大力支持和帮助，谢谢实验小组的同志们和施工现场 的技术人员、工人师傅们。 作者：陈送财 2 0 0 5 年5 月1 8 目 第一章综述 1 1 基本情况 1 1 1 工程概况 佛子岭水库为五十年代兴建的大( 2 ) 型水利水电枢纽工程，地处安徽省霍 山县境内，控制流域面积1 8 4 0 k m 2 ，库总库容4 9 1 亿m 3 ，为年调节，是以防洪、 灌溉、供水、发电等综合利用的大型水库。 佛子岭水库枢纽工程由大坝、溢洪道、电厂组成，工程于1 9 5 2 年1 月开工， 1 9 5 4 年1 1 月竣工。其中大坝为钢筋混凝土连拱坝，由2 0 个垛、2 1 个拱和两端 重力坝段组成。经1 9 8 2 年加高1 5 m 后，现最大坝高为7 5 9 i i i ，坝顶高程1 2 9 9 6 ， 防浪墙顶高程为1 3 1 0 6 m ，坝顶长5 1 0 玎1 。垛是由两片直立三角形垛墙，由纵向 隔墙及上、下游面板连接而成，其外部等宽为6 5 m ，上游面板坡度l ：o 9 ，下 游面板坡度1 ：0 3 6 ( 仅2 1 垛为1 ：o 2 5 ) ；拱是内半径为6 7 5 m 的半圆拱，支承 在垛的上游面。拱、垛全长为4 1 3 5 m ：右岸( 东) 重力坝段长3 0 1 m ；左岸( 西) 重力坝段长6 6 4 m ，其中4 5 m 长坝段在上部( 高1 0 m ) 为节省工程量采用平板坝 坝型。 1 1 2 大坝存在的主要问题 通过复核检查，目前大坝还存在的主要问题有： l 、防洪标准偏低，不能满足规范要求。 2 、大坝裂缝。 3 、局部坝基地质条件软b b 。 1 1 3 大坝加固的主要内容 佛子岭水库除险加固项目本次除险加固的主要内容有： l 、坝垛恢复整体性及改善应力条件加固，涉及钢纤维喷射混凝土室内和现 场试验研究； 2 、两端拱加固处理： 3 、拱、垛裂缝修补处理； 4 、部分坝垛基础加固及基础防渗处理( 本文不涉及此项内容) 。 1 2 大坝加固设计成果 1 2 1 2 。、2 2 ”拱( 端拱) 的加固结构设计 经过对大坝静动力分析和技术经济比较，决定采用钢纤维混凝土对大坝进 行加固处理，钢纤维混凝土是在普通混凝土参加按随机状态分布的短钢纤维而 形成的一种新型复合材料，由于在混凝土中掺入钢纤维，增强了混凝土的抗拉 和弯曲强度，显著改善混凝土的抗裂性，延性、韧性和抗冲击性能。通过方案 比较，拟定在大坝两端拱上下游面增设钢筋并用喷射钢纤维混凝土贴厚加固。 1 2 2 大坝垛墙加固设计 通过研究1 9 8 2 年大坝加固的经验，并借鉴国外一美国欢乐湖连拱坝加固所 采用的工程措施，采用在垛内下部回填混凝土，以增加重量来满足抗滑稳定安 全要求；在垛墙内喷高强钢纤维混凝土加固，在各垛的上游面板和左右侧墙高 拉应力区，从内壁采用喷射钢纤维混凝土贴厚加固，上游面板喷厚o 5 m ，两侧 墙喷厚o 4 m ，充分发挥钢纤维混凝土的抗拉性能，以及较好的韧性，可以较均 匀地承担垛墙上游面的拉应力。 三维有限元分析成果表明( 见表2 3 1 、2 3 2 ) ，各工况加固后较加固前垛墙 应力条件有较大改善，自重+ 正常蓄水位1 2 5 5 6 m + 温降+ 8 。地震载荷情况，收 缩缝脱开，经加固后和整体无缝情况大致相接近。因此认为垛墙加固达到了预 期的效果。 大坝结构承载力极限状态复核计算。大坝垛墙采用有限元法的计算，垛墙 加固后，自重+ 正常蓄水位1 2 5 5 6 m + 温降( 基本工况) 和自重+ 正常蓄水位 1 2 5 5 6 【i + 温降十地震( 特殊工况) 两种计算工况为大坝结构设计控制工况，该两 种工况下加固后的大坝拉应力状况是：基本工况主拉应力一般均小于1 0 m p a ， 最大1 0 4 m p a ，特殊工况主拉应力最大3 5 5 m p a ，且较大拉应力区域多出现在伸 缩缝附近及大坝底部，即多由应力集中而引起。 两种工况对应的两种材料强度标准值的复核计算结果见表卜1 。 表卜l大坝结构承载力极限状态复核结果 计算允许 复核工况yo s ( )判断 应力应力 基试件抗拉 l _ 01 01 o2 8 7 1 - 3 82 01 01 0 4满足 本 强度4 o 时8 _ = 试件抗拉 1 01 o0 92 5 l1 3 82 00 9o 9 1满足 龇强度3 5 m p a 特试件抗拉 l _ 00 8 53 9 53 7 31 5 00 73 3 635 5满足 殊 强度4 o m p a 工 试件抗拉 况 强度3 5 m p a 1 00 8 53 03 2 6 41 5 0 0 72 5 53 1 l 满足 设计拟定的加固结构钢纤维混凝土标准试件抗拉强度平均值取4 o 肝a 时， 大坝结构的抗拉强度复核结果是满足规范要求的；设计对钢纤维混凝土的力学 指标局部调整后，取钢纤维混凝土标准试件抗拉强度平均值为3 5 m p a 情况下， 基本工况计算主拉应力小于o 9 m p a 和特殊工况计算主拉应力小于3 0 m p a 时， 大坝结构的抗拉强度复核结果也是满足规范要求的。对照佛子岭连拱坝静、 动力分析和抗震安全复核计算成果，虽然静力计算工况，加固后垛墙主拉应 力出现大于o 9 m p a 达到1 0 m p a 的区域，但范围不大，若将大于o 9 m p 8 区域垛 墙增设受力钢筋，成为钢筋钢纤维混凝土结构，则加固结构钢纤维混凝土标准 试件抗拉强度平均值就可降低为3 5 m p a 。 调整后的加固结构，保留裂缝部位并缝钢筋。并对大坝底部等出现应力集 中区域、上游面板和垛墙上游底部局部计算( 基本工况) 拉应力大于0 9 m p a 的 区域，根据应力计算结果，按照钢筋钢纤维混凝土结构计算配筋，混凝土的力 学指标按本次修改设计调整后取值。通过上述调整和重新计算配筋后，大坝垛 墙加固结构的极限承载力能满足规范要求。 综上所述，虽然将大坝加固钢纤维混凝土抗拉试件强度平均值降低为 3 5 m p a ，通过调整局部垛墙加固结构型式 2 5 受力钢筋支撑墩与拱台结合面设置3 6 中3 2 铡筋 基本荷载o 山1 2 5 1 7 4k n m 23 6 4 0 6 2k n m 2 组合 0 啪1 0 3 28 1 0k n m 45 0 9 7 9 lk n m 2 特殊荷载 o v “- ，6 62 1 3k n m 2 z 8 4 1 4 2k n m 2 组台1 2 4 56 8 7k n m 2 7 4 0 5 2 9k n 艋 拱台及支墩的基础处理：根据结构设计的要求，加强拱拱台及支撑墩的 基础的开挖，应与老拱台及老垛和重力坝基础一致，为不影响已有建筑物的安 全，只能以人工撬挖为主，给施工带来一定难度。因加强拱拱台及支撑墩的基 础条件差，还须对基础进行固结灌浆及设置排水孔。由于存在着基础开挖及处 理要求，又相应增大了加固工程量。考虑到2 # 力口强拱支撑墩建在强风化花岗岩 基础上亦是不适宜的。 加强拱的细部结构：在加强拱及支撑墩的细部结构布置上，要求加强拱 与老拱问，加强拱的支撑墩与老垛、重力坝间贴二毡三油，以保证新拱和支撑 墩完全与老拱、垛脱开，但老拱台的下游面须凿毛处理，以使新、老拱台形成 刚固连接，以利于减小加强拱底部的变位，对加强拱的应力较有利。 为防止老拱裂缝通过新、老拱的间隙向下游渗水，须在加强拱的顶部、底 部及两侧设置止水片，一端固定于老拱内，一端埋入新浇筑的加强拱内。在支 撑墩上游面与老垛和重力坝的间隙也要设置止水片，防止支撑墩受到渗水产生 的侧向水压力，止水片应插入基岩槽内，深度为2 0 3 0 c m 。同时在支撑墩侧面 布置排水孔，应利渗水的排出。由于加强拱的细部结构较复杂，如果处理不好， 便难于达到设计要求。 2 ) 上、下游喷射钢纤维混凝土( 方案二) 拟定方案如下：在大坝两端拱上、下游面增设钢筋并用喷射钢纤维混凝 土贴厚加固，喷射厚度分别为o 1 5 m 和o 1 0 i i l ；在各垛的上游面板和左右侧墙高 拉应力区，从内壁采用喷射钢纤维混凝土贴厚加固，上游面板喷厚o 5 m ，两侧 墙喷厚o 4 m 。分析中分别按有限元法及结构力学法，本文仅对在上游面采用贴 厚加固措施进行计算分析。 有限元法分析：截取2 # 拱1 0 8 2 6 m 高程分层拱圈，采用热弹性材料模式， 进行平面应力计算分析，考虑其拱冠部位一裂缝，裂缝计算宽度取0 5 m m 。该层 拱圈老拱厚o 6 m ，设计上游贴厚0 1 5 m 。根据佛子岭连拱坝混凝土质量检测 与评价报告，取老拱弹性模量e = 3 2 。8 鲢p a ，贴厚结构e _ 2 8 ，o 辚p a ( 按c 2 5 取用) 。 按照加固后新老混凝土的力学性能相匹配的原则确定钢纤维混凝土的强度 等级，根据计算大坝拉应力值和分布情况，按照现行水工混凝土结构设计规范 的强度设计理论拟定钢纤维混凝土抗拉强度。 加固采用三维有限元方法对大坝静应力、动力反应进行计算分析，模拟坝 垛收缩缝、贴厚加固钢纤维混凝土结构和大坝老混凝土结构整体作用。地震作 用分析采用非线性动力时程法，显式有限元一人工透视边界。 荷载组合( 温度荷载及拱座相对变位系假定值) ： a 自重+ 正常蓄水位1 2 5 5 6 m 十温降( 一1 0 ) ； b 自重+ 校核洪水位1 3 0 0 0 m + 温升( + 1 0 ) ； c 1 自重+ 正常蓄水位1 2 5 5 6 m + 温降( 一1 0 ) + 拱座相对变位( + 5 m ) ；