（水利工程专业论文）聚丙烯纤维混凝土板墙在浆砌石坝加固中的应用.pdf

学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同事 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了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 主笙噬 2 0 0 6 年2 月1 0 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图书 馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文 的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 6 年2 月1 0 日 河海大学工程硕士学位论文 摘要 中国利用石料筑坝挡水历史悠久，是世界上建造砌石坝最早最多的国家，但5 0 7 0 年代建成的砌石坝由于设计和施工在全国没有统的规范标准，参考资料或可借 鉴的工程也很少，因此当时的砌石坝在理论依据上得不到保证，存在一定的安全隐 患。经过几十年的运行，其中大部分砌石坝出现坝面破损，坝体裂缝、渗漏等，致 使工程效益下降，危及工程安全等现象，对这些大坝进行检测加固是十分必要的。 砌石坝加固主要且有效的手段是在坝前浇筑混凝土防渗板墙。混凝土板墙具有 防渗功能的同时，适当加厚板墙还能提高大坝的抗滑稳定性、改善坝体的应力分布， 从而保证大坝的安全性。但是，作为传统建筑材料的混凝土在受到广泛应用的同时， 又因为它脆性大、抗裂性差等缺点，影响了它在工程中的进一步应用。混凝土防渗 板墙的裂缝问题一直是一个备受关注，i 而- r 难以解决的难题。合成纤维在混凝土中 的应用始于七十年代，选用合适外形的合成纤维在一一定的掺量下，可以提高混凝土 的抗渗性能和抗裂韧性。近年来改性聚丙烯纤维以其显著的优点而得到越来越广泛 的应用。 本文对聚丙烯纤维的特性以及国内外聚丙烯纤维混凝土研究现状进行探讨，就 聚丙烯纤维混凝土的抗裂、抗冲击性、柔韧性、弯曲强度、耐磨性能等改良性能进 行总结，探讨聚丙烯纤维混凝土板墙的防水可靠性、经济性。针对混凝土的裂缝机 理及混凝土板墙在砌石坝加固中的作用，本课题综合考虑在砌石坝加固中改性聚丙 烯纤维混凝土防渗板墙的设计、施工，在前人研究的基础上进, 7 7 - t 系统的研究。 本文结合工程实例，根据现有检测技术和现行规范提出对已建砌石坝的抗滑稳 定和结构应力的复核方法。根据对已有坝体的复核结果及大坝周围的环境条件确定 聚丙烯纤维混凝土板墙的厚度及抗冻防渗标号等。结合具体工程实例说明防渗板墙 和老坝体及基岩的结合方法以及板墙的其它细部构造。 关键词j 聚丙烯纤维混凝土；稳定性复核；结构应力分析：砌石坝加固 河海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t m a k i n gu s eo fs t o n et ob u i l dd a m si so l dl i n ei no o i c o u n t r ya n dc h i n ai so n eo ft h e c o u n t r i e si nt h ew o r l dw h i c hb u i l d ss t o n e - d a m sa tt h ee a r l i e s ts t a g ea n dw h i c hh a sm o s to f t h e m a tt h a tt i m e ，p e o p l ed e s i g n e da n dc o n s t r u c t e ds t o n e d a m sw i t h o u tu n i t e dn o r m s t a n d a r di nt h ew h o l ec o u n t r y t h er e f e r e n c ea n dt h ee n g i n e e r i n gt h a td r a wl e s s o n sf o r m a r ef e wt o o a sar e s u l t ，t h es t o n e d a m sb u i l t d e db e t w e e nl9 5 0a n d19 7 0w e r eb u i l ti nt h e e a r l ys t a g ec a n n o tk e e pt h e i rf e e ti nt h e o r y ，a n de x i ts o m eh i d d e nt r o u b l et h o u g hs e v e r a l d e c a d e s ，m o s to ft h e ma p p e a rb r e a k a g e ，c r a c ka n dl e a k a g ee t c ，c a u s e st h ep r o j e c tb e n e f i t t od r o p ，e n d a n g e r sp h e n o m e n o na n ds oo np r o j e c ts e c u r i t y t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o i n s p e c ta n dr e i n f o r c et h e m b u i l d st h es t o n ed a mr e i n f o r e e m e n tm a i na n dt h ee r i e c t i v em e t h o di s c o n s t r u c t st h e c o n c r e t ei nf r o n to f t h ed a mg u a r d sa g a i n s ti n f i l t r a t e st h ew o o d e nf e n c e c o n c r e t ew a l lc a n n o to n l yp r e v e n tt h el e a k a g e ，b u ta l s oi m p r o v et h es t a b i l i t ya n dt h ed i s t r i b u t i n go fs t r e s so f t h ed a r ni fi t st h i c k n e s si si n c r e a s e dp r o p e r l ys o m es h o r t c o m i n gs u c ha sb r i t t l e n e s s ，b a d c r a c k a r r e s t i n ge t c i n f l u e n c ei t sf u r t h e ra p p l i c a t i o ni nt h ee n g i n e e r i n g t h ep r o b l e mo f c r a c ki nt h ec o n c r e t ew a l lh a sa l w a y sd r o w nt h ea t t e n t i o no fe n g i n e e r sa n db e e nd i f f i c u l t t ob es o l v e d i ti sl o n ga g ot h a tp e o p l em i x e df i b e ri n t ob r i t t l em a t e r i a lt ob o o s tu pi t s t o u g h n e s s l h et e c h n o l o g yu s i n gs y n t h e t i c f i b e ri nc o n c r e t eb e g a na t19 7 0 s i nr e c e n t y e a r s ，t h em e l i o r a t e dp o l y p r o p y l e n ef i b e rh a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yb e c a u s e i t s r e m a r k a b l em e r i t t h i sa r t i c l ec a r r i e so nt h ed i s c u s s i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep o l y p r o p y l e n et e x t i l e f i b e ra n dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o no ft h ep o l y p r o p y l e n et e x t i l e f i b e r c o n c r e t e ，c a r r i e s o i lt h e s u m m a r yt o t h ei m p r o v e m e n tp e r i b r m a n c eo ft h e p o l y p r o p y l e n et e x t i l ef i b e rc o n c r e t e ，s u c ha sa n t i c r a c k ，a n t i i m p a c t ，f l e x i b i l i t y , b e n d i n g s t r e n g t h ，w e a r r e s i s t i n gp e r f o r m a n c ee t e t h ed i s c u s s i o nt ot h ew a t e r p r o o fr e l i a b i l i t y a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ep o l y p r o p y l e n et e x t i l ef i b e rc o n c r e t ew o o d e nf e n c e a c c o r d i n gt o t h ec r a c kc a u t i o no fc o n c r e t ea n dt h ef u n c t i o no ft h ec o n c r e t ew a l lw h i c hr e i n f o r c e st h e s t o n e d a m s ，t h i sp a p e rt a k e st h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h ew a l la n dc a r r yt h o u g h s y s t e m a t i cs t u d yo nt h eb a s i so fs t u d y b a s e do nt h ea c t u a lp r o j e c ta n da c t i v ec r i t e r i o n ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h ec h e c k i n g m e a n so ft h es t a b i l i t ya n dt h es t r e s so ft h ee x i s t e n ts t o n e d a m s a c c o r d i n gt ot h ec h e c k i n g r e s u l ta n dt h es u r r o u n d i n g so ft h ee x i s t e n td a m ，h o wt od e t e r m i n et h et h i c k n e s so ft h e p o t y p r o p y l e n er i d e rc o n c r e t ew a l la n dt h eg r a d eo fr e s i s t i n gf r e e z i n ga n dl e a k a g ee t ci s d i s g u s t e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lp r o j e c te x a m p l e ，t h i sp a p e ri l l u m i n a t et h e m e t h o dt ot i et h er e s i s t i n gl e a k a g ec o n c r e t ei nt h eo l dd a ma n do t h e rd e t a i ls t r u c t u r e r k e yw o r d s jp o l y p r o p y l e n ef i b e rc o n c r e t e ；s t a b i l i t yr e e x a m i n e s ；a n a l y z i n go fs t r u c t u r a l s t r e s s ；s t o n e d a mr e i n f o r c e m e n t 2 刖蟊 中国水利水电资源丰富，优质石材充足，利用石料筑坝挡水历史悠久，是世界上 建造砌石坝最早最多的国家，全国统计到2 0 世纪末建成的各类砌石坝总数为2 6 8 4 座。这些水库的建成运用，为我国经济和社会发展，保障城乡人民生命财产的安全 及改善生态环境发挥着巨大的作用，已成为发展全省国民经济和提高人民生活水平 的重要基础设施。但我国水库大多建于五十和六十年代，因受当时条件的限制，不 少工程未按基建程序办事，在设计和施工方面均存在不少问题，工程标准普遍偏低， 质量不高，隐患不少，经过三、四十年的运行，加之后期管理及维修费用不足，大 部分工程老化失修，长期带病运行。这些病险水库的存在，不仅影响了水库工程效 益的发挥，同时，也对人民生命财产安全和国民经济发展造成严重威胁。 黑龙潭水库位于泰安市城区庞河一级支流奈河的上游，天外村附近，该水库兴 建于1 9 4 2 年，建成于1 9 4 4 年。水库大坝属浆砌石溢流重力坝，坝长1 6 23 m ，由中 部溢流坝段和两侧非溢流坝段组成。水库总库容4 5 万m 3 。兴利库容3 6 力m 3 ，属小 ( 二) 型水库。该水库建成4 0 多年以来，为改善周围环境、防洪、减少泥沙对奈河 的淤积，以及为周围部分企事业单位解决环境用水发挥了重要作用。但是由于该水 库位于城区的上游，其下游70 3 平方公里属泰安市老城区，是重要的商业区和人口 密集区，水库一旦失事，将对下游人民群众的生命财产安全造成重大损失。 本文根据现有的检测技术和现行规范利用材料力学法对砌石坝的抗滑稳定和结 构应力进行复核：对聚丙烯纤维的特性以及国内外聚丙烯纤维混凝土研究现状进行 探讨，就聚丙烯纤维混凝土的抗裂、抗冲击性、柔韧性、弯曲强度、耐磨性能等改 良性能进行总结，探讨聚丙烯纤维混凝土板墙的防水可靠性、经济性。 本文针对混掇土的裂缝形成原因及混凝土板墙在砌石坝加固中的作用，综合考 虑在砌石坝加固中聚丙烯纤维混凝土防渗板墙的设计、施工和桐应的温控标准。结 合黑龙潭水库浆砌石坝除险加固的工程实例，根据现行规范及大坝检测的结果和数 据以及大坝周围的环境条件进行聚丙烯纤维防渗板墙的设计，包括如何确定聚丙烯 纤维混凝土板墙的厚度、如何确定板墙的抗冻防渗标号、防渗板墙和老坝体及基岩 的结合方法以及板墙的其它细部构造等。 本文成果以期划浆砌石坝除险加固工程具有一定的理论意义和实用价值。 河海大学工程硕士学位论文 第一章绪论 中国水利水电资源丰富，优质石材充足，利用石料筑坝挡水历史悠久，是世界 上建造砌石坝最早最多的国家。全国统计到2 0 世纪末建成的各类砌石坝总数为2 6 8 4 座，其中5 0 7 0 年代建成的砌石坝约占总数的二分之一，当时设计和施工在全国没 有统一的规范标准，参考资料或可借鉴的工程也很少，许多工程是地方官员、技术 人员和筑坝群众相结合建成的。因此，早期建成的砌石坝在理论依据上得不到保 证，存在一一定的安全隐患。经过几十年的运行，其中大部分砌石坝出现坝面破损， 坝体裂缝、渗漏，坝基接触带漏水，致使工程效益下降，危及工程安全等现象，对 这些大坝进行检测加固是十分必要的。 浆砌石坝蓄水后，坝下游面、坝后基础及坝头接合部位有湿润冒汗的地方称为 渗水，这是一种较普遍的现象。若渗水发展成为管涌或股水成流则稔为漏水，漏水 较严重的坝般都有较多的出逸点，且水量较大。漏水的主要原因有以下几点幢1 ： ( 1 ) 坝体局部裂缝、断裂或坝面勾缝脱落引起漏水； ( 2 ) 坝体无防渗墙或施工质量差引起漏水： ( 3 ) 清基不彻底或坝体与坝基结合不好，造成接触带渗漏和坝头绕渗； ( 4 ) 坝址基岩破碎、裂隙发育或灰岩地层造成坝基漏水： ( 5 ) 由于坝体长期受冻融、冲蚀、溶蚀和潜蚀作用引起漏水。 目前，在砌石坝前浇筑混凝土防渗板墙是一种主要而且有效的加固手段。混凝 土板墙具有防渗功能的同时，适当加厚板墙还能提高大坝的抗滑稳定性、改善坝体 的应力分布，进一步保证大坝的安全性”3 。但是，作为传统建筑材料的混凝土在受 到广泛应用的同时，又因为它脆性大、抗裂性差等缺点，影响了它在水利工程中的 进一步应用。混凝土防渗板墙的裂缝问题一直是一个备受关注，而又难以解决的难 题。 混凝土防渗板墙开裂的主要原因是：一、在混凝土的初凝阶段，混凝土内水泥 颗粒水化释放热量( 水化热) ，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，导致内 部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，这样就形成内外的较大温差，较大的温 差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生定的拉应力。由于混 河海大学工程硕士学位论文 凝土在初凝阶段强度较低，当温度应力超过定数值时，就会在混凝土表面产生温 度裂缝。二：、混凝土冷却收缩时，由于受到基岩等的约束产生拉应力，这种拉应力 有可能使板墙在基岩附近产生严重的贯穿性裂缝。”3 为防止混凝士出现表而裂缝，一 些工程在混凝士外露面附近加设钢筋网，虽然具有一定的作用，但效果并不理想， 而且造价大，使工程设计不够经济合理。近年来，各种纤维材料在混凝士中的应用 越来越得到重视和推，“，除碳纤维和钢纤维外，把聚丙烯和尼龙丝等高分子材料制 成一定规格的短纤维掺入混凝土中，也可大幅度提高混凝土的抗裂性能。其应用成 果已有相当多的专利报道。在众多的合成纤维中改性聚丙烯纤维越来越受到工程界 的关注。改性聚丙烯纤维的主要优势是化学性能好( 耐酸碱性) 、不导电、成本低廉， 从而利于规模化推广。研究结果表明，聚丙烯纤维的加入可有效的控制混凝士固塑 性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂缝，防l e 及抑止裂缝的形成及发展，大 大改善混凝土的阻裂抗渗性能，抗冲击及抗震能力，从而防止混凝土中钢筋的锈蚀， 延氏混凝土的使用寿命。且掺加聚丙烯纤维的混凝上可泵性好、坍落度损失小，混 凝土表面光滑平整。因此，把改性聚丙烯纤维混凝土用于砌石坝加固的防渗板墙， 对其进行系统地研究具有现实意义。 1 1 聚丙烯纤维混凝土研究现状 掺入纤维材料以增强脆性材料的抗裂性和韧性，已有悠久的历史，如古老的稻 草增强粘土抹墙以及麻刀灰、石棉水泥等。自巴特森在1 9 6 3 年提出混凝土开裂机理 以及钢纤维间距的影响后，钢纤维增强混凝土受到广泛的关注，在重要道路路面、 屋面及地下刚性防水等工程中发挥了重要的作用1 。但是钢纤维增强混凝土存在自 身的弱点，那就是钢纤维不耐酸碱性，存在自身锈蚀的隐患，且施工难度较大，造 价较高。 合成纤维在混凝土中的应用始于七十年代，到了1 9 7 5 年，对聚丙烯纤维混凝土 的研究与应用理论达到一个相对成熟阶段。8 0 年代以来，美国、欧洲、韩国以及台 湾的一些企业生产经过改性的聚丙烯纤维，在土木工程上得到了广泛的应用。较著 名的美国f i b e r m e s h 、a m e r i s a c k 、d u r a f i b e r 、欧共体的e u r o f i b e r 等公司生产的改性 聚丙烯纤维，已大量应用于路面、机场、蓄水池、引排水渠道、墙面、广场地面、 码头等建筑。蹦1 目前已在世界上6 0 多个国家和地区得到应用，产品已打入我国市场， 在我国西部的一些高速公路上应用较多。近年来，i _ q k 发达国家如美国、加拿大、 河海大学工程硕士学位论文 日本、德国等国家已研制出用于混凝土的乱向合成短纤维，并广泛应用于大型新建 工程和修补丁程。 我国于1 9 9 2 年开始，由中国纺织大学进行改性聚丙烯纤维的研制，近几年将生 产技术推广到江苏、浙江的一些企业，在道路、城市广场等建设中应用较广。中国 纺织大学对改性聚丙烯纤维的研究较为深入，已研究出异形截面纤维、表面活性纤 维，目前正在研制第四代纤维，即纳米技术改性纤维。我国目前已有的用于混凝土 的改性聚丙烯纤维的生产，其性能不亚于国外同类产品，而价格则要低5 0 - - 6 0 ， 已在上海等地成功地用于刚性防水、大面积的基础底板防裂等工程盯3 。2 0 0 0 年9 1 2 月，经国家有关部f q 4 t e 准立项，把聚丙烯纤维混凝土在水利工程上的应用研究 课题列入水利部和宁波市2 0 0 0 年度科技创新项目计划。并在浙江省宁波市宁海县的 白溪水库，对面板堆石坝上游表面进行了改性聚丙烯纤维混凝土抗裂防渗处理。该 水库大坝长约3 0 0 m ，高约1 0 0 m ，面板改性聚丙烯纤维混凝士1 1 万m3 ，用改性聚 丙烯纤维1 0 1t 。于2 0 0 1 年4 月通过了国家验收，其中改性聚丙烯纤维混凝土面板 达到了国际领先水平”1 。吉林省对改性聚丙烯纤维混凝土的研究与应用，是从吉林 省水利实业公司开始的。1 9 9 8 年在吉林省水利厅的资助下，组织有关单位进行改性 聚丙烯纤维的研究，并于当年小批量实验生产出样品后，在吉林省水利厅及厅直有 关单位、当地水利局的支持下，相继用纤维混凝土完成了渠道防渗、堤防护砌、水 库补强等多项不同类型的工程，进而使改性聚丙烯纤维混凝土得到较大规模的应用。 中国葛洲坝水利水电集团公司在三峡加纤维抗冲耐磨混凝土的研究中，对美国纤维 网、及美国r c 和l c 尼龙丝、国产尼龙丝、丙纶丝和改性聚丙烯纤维进行了对比筛 选试验，最终选定国产改性聚丙烯纤维作为三峡抗冲耐磨混凝土的掺加料。试验结 果表明：掺入改性聚丙烯纤维能提高混凝土的抗冲耐磨能力1 5 2 。0 倍，提高混凝 土的早期抗拉能力1 0 - - 2 0 ，能有效防止早期由于寒潮气温骤降引起混凝土产生温度 裂缝及干缩裂缝和塑性裂缝。1 。 1 2 聚丙烯纤维混凝土的特性 聚丙烯纤维是由丙烯聚合物或共聚物制成的烯烃类纤维，不吸水，与酸碱不起 作用。聚丙烯纤维混凝土是把一定量的聚丙烯纤维加入到普通混凝土的原材料中， 在搅拌机的搅拌下，纤维受到水泥、砂石的冲击混和，均匀分布在混凝土中。如果 是用成束的纤维网也会被撕裂成大量单独的纤维( 不会纠缠成团) ，均匀分布在混凝 河海大学工程硕士学位论文 土中。作为次要的增强材料，掺入量一般为混凝土体积的o 0 5 0 1 。若以o 1 加入， 则每立方混凝士r 扣0 9k g ，如果采用1 9m m 长的纤维，则每立方米混凝士中约有 7 0 0 2 0 0 0 万根独立纤维，即平均每c m 3 有7 2 0 根左右。03 这些方向随机分布的纤 维使混凝土的性能有较大的改善，根据困内外的试验研究和工程应用经验，与常规混 凝土相比，改性聚丙烯纤维混凝土有以下几方面特点：3 ( 1 ) 改性聚丙烯纤维在混凝土进入塑性阶段能有效减小收缩和裂缝的产生；在 硬化后期能在一定程度上抑制干缩裂缝的发生。这使聚丙烯纤维这板式结构中作为 次要加强筋得到最广泛的应用。 ( 2 ) 提高混凝土的耐久性。由于聚丙烯纤维混凝土能减少裂缝，并使裂缝细化， 故可使混凝土的抗渗能力得到较大提高，从而提高混凝土的抗冻融能力。国内外许 多文献2 川”均报道了聚丙烯纤维混凝能显著减少侵蚀性环境对钢筋的锈蚀作用。 同济大学混凝士材料研究国家重点试验室的测试表明，聚丙烯纤维含量为o 0 5 和 0 1 5 的砂浆干缩裂缝加权宽度分别为对照试样的6 35 和3 7 3 1 4 。 ( 3 ) 改善混凝土的变形特性和韧性，提高混凝土的极限拉伸率，在混凝土初裂 后仍有一定的承载力，实际上是对外荷能量的吸收能力和混凝土变形性能的改善： 还可以提高混凝土的抗破碎性。 f 4 ) 加入聚丙烯纤维，虽然不能提高混凝士的静力强度，但由于韧性改善，抗 冲击能力和抗磨损能力都可以提高。 ( 5 ) 聚丙烯纤维混凝土的旋工和常规混凝土基本相同，但聚丙烯纤维混凝土混 凝土在相同配比下坍落度要有所损失，且泌水速度降低，振捣和收面作业要适当加 强。 聚丙烯纤维混凝士晟初是用在美国的军事工程中，但很快发展到民用工程，主 要是在板式结构中采用，如房建中豹地坪、地下室底板和墙、路面桥梁铺装层、机 场跑道、停机坪等。在水利工程中，美国已在坝工、灌溉渠道衬砌、边坡防护等工 程中应用。由于聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土有较高的粘稠性，在喷射混凝土中， 不但可以提高性能，还可以减少回弹损失。我国从9 0 年代初引进这一技术，最初用 于公路、桥梁工程，以后在房建中也得到越来越多的应用。但在我国水利工程中， 改性聚丙烯纤维混凝土还处于试验阶段”。 日前，我国已有多个厂家生产可在水利工程中使用的聚丙烯纤维。如，中国纺 河海大学工程硕士学位论文 织科学院生产的c t a 纤维，是经特制改性的有机合成纤维，外观为白色束状单丝短 纤维，单纤维的截面为异形，直径3 3 , t t 或4 8 t t ，可根据使用要求制成各种直径和长度， 在混凝士中具有较好的分散性，并能与混凝土牢固结合，经国家建材测试中一心测试， 试样的裂缝减少率在7 0 左右。由中国纺织大学研制、方大化纤公司生产的改性聚 丙烯纤维，断面为圆形或异形，直径5 l ”或更细。据介绍，混凝土掺加该种纤维后 可使其极限引伸率提高7 2 2 ，可以改善混凝土在阻裂、防渗、抗冻融等方面的性 能，该产品由浙江省经济技术发展公司推广，已在白溪水库堆石坝的混凝土面板上 得到应用。由江苏省丹阳合成纤维厂生产的“丹强丝”( 混凝土、砂浆抗裂、抗渗纤维) ， 据介绍，在混凝土中掺加体积的0 1 ，可以提高抗裂能力1 0 0 以上，抗渗能力提 高7 0 ，还可提高混凝土的抗冲击性能，延长混凝土的寿命 1 6 3 。 由于聚丙烯纤维混凝土本身所具备的优点，它适用于需要提高混凝土的抗裂、 限裂性能，改善混凝土的韧性、抗冲击性和抗冲刷、耐磨损的性能，提高混凝土的 整体性、增加混凝土的耐久性。聚丙烯纤维混凝土推广应用的范围较广，如混凝土 面板堆石坝的趾板和面板，碾压混凝土坝的上游面防渗区，常规混凝土坝的上游面， 一般多泥沙河流上的过水建筑物( 闸底板、闸墩) ，泄洪洞或溢洪道的泄槽，承受动荷 载的水工建筑物( 水电站的机墩、蜗壳，大型泵站的基础，船闸的边墙) ，用于需要增 加混凝土韧性的结构( 桥梁、拱形建筑物) ，用于寒冷地区、紫外线辐射较强、能适应 温差变化较大的建筑物，还可用于海塘护岸以及各种预制构件等等。7 3 近年来，国内外学者对改性聚丙烯纤维混凝土的韧性进行了试验研究，试验结 果表明，改性聚丙烯纤维混凝土对提高配筋混凝土强度有明显效果，既可代替部分 钢筋进行结构性补强，又可增加构件的韧性。“踟国内对于钢纤维混凝土构件承载力 计算理论研究得比较深入，但有关低弹性模量纤维混凝土构件承载力计算理论的文 献尚不多见，所以需要进一步进行这方面的研究工作。 1 3 本课题研究的内容和技术路线 针对混凝土的裂缝形成原因及混凝土板墙在砌石坝加固中的作用，本课题综合 考虑在砌石坝加固中聚丙烯纤维混凝土防渗板墙的设计、旖工和相应的温控标准。 研究内容主要包括以下三方面： ( 1 ) 根据现有的检测技术和现行规范利用材料力学法对砌石坝的抗滑稳定和结 构应力进行复核。 河海大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 对聚丙烯纤维的特性以及国内外聚丙烯纤维混凝土研究现状进行探讨，就 聚丙烯纤维混凝土的抗裂、抗冲击性、柔韧性、弯曲强度、耐磨性能等改良性能进 行总结，探讨聚丙烯纤维混凝土板墙的防水可靠性、经济性。 ( 3 ) 结合黑龙潭水库浆砌石坝除险加固的工程实例，根据现行规范及大坝检测 的结果和数据以及大坝周围的环境条件进行聚丙烯纤维防渗板墙的设计，包括如何 确定聚丙烯纤维混凝土板墙的厚度、如何确定板墙的抗冻防渗标号、防渗板墙和老 坝体及基岩的结合方法以及板墙的其它细部构造等。 河海大学工程硕士学位论文 第二章聚丙烯纤维混凝土的性能及应用 混凝土作为十分广泛的建筑材料发展到今天，种类繁多，许多力学性能也得到 不同程度的改善。但是由于混凝土材料本身的孔隙和其它缺陷，使其存在抗拉强度 低、延性差、在拉应力或冲击荷载作用下易发生裂缝、脆性破坏等缺点，在很大程 度上制约着混凝二l 材料的力学性能和进一步应用。为适应现代工程对混凝土性能的 要求，必须从根本上改变混凝土在抗拉、阻裂及延性方面的不足。国内外大量的试 验研究表明，在混凝土中掺入聚丙烯纤维能有效地改善混凝土的性能。 2 1 聚丙烯纤维的性能 聚丙烯纤维的物理性能如下：1 9 j 1 材料聚丙烯耐酸碱性极高 相对密度 o 9 l 安全性 无毒材料 熔点1 6 0 1 7 0 拉伸极限 1 5 燃点5 9 3 抗拉强度 2 7 6 m p a 含湿量 7 0 m ) 、中砌石坝( h = 3 0 7 0 m ) 及低 砌石坝( h 3 0 m ) 。 本文所述主要指砌石重力坝而言。 3 2 砌石坝上的作用荷载及荷载组合 3 2 1 砌石坝上的作用荷载m 1 3 2 1 1 基本荷载 河海大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 坝体及坝体上永久设备的白重： ( 2 ) 坝体上游面静水压力。选择正常蓄水位或设计洪水位进行计算，下游面静 水压力取其卡h 应的不利水位计算： ( 3 ) 相应于正常蓄水位或没计洪水位时的扬压力( 包括渗透压力和浮托力) ； ( 4 ) 泥沙压力； ( 5 ) 寿h 应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力： ( 6 ) 按多年平均冰层厚度确定的冰压力； ( 7 ) 相应于设计洪水位时的动水压力： ( 8 ) 其它出现机会较多的荷载。 3 2 1 2 特殊荷载 校核洪水位豹静水压力： 相应于校核洪水位时的扬压力； 柏应于校核洪水位时的动水压力 地震荷载： 其它出现机会较少的荷载。 3 2 2 各种作用荷载的计算方法 3 2 。2 1 静水压力 1 p = 去如2 式( 3 j ) z 式中：7 - - 水容重，1 0 k n m 3 ： h 一水位高度，m 。 3 2 2 2 冰压力3 根据地方的水文图集，如组l l 东省水文图集查得砌石坝所在地区的最大冰厚， 按表3 选取作用在单位长度坝体上最大的静冰压力值( 1 0 4 n m ) 。 冰层膨胀压力的合力作用点位于冰层表面以下约0 3 d b ( d b 为计算冰厚，m ) 。 表3 i静冰压力表 r冰厚( m ) o4 0o 4 o ，8 o8 1 2 i 静冰压力( 1 0 4 n m ) 1 0 1 0 3 03 0 3 5 河海大学工程硕士学位论文 3 2 2 3 泥沙压力1 泥沙压力按下式计算： p n = y ，h 2 。t 。2 ( 4 5 。冬) y 。= y 】一( 1 一n ) r 1 式中：y ，一泥沙的干容重； n 一泥沙的孔隙率： h 。一坝前泥沙的淤积高度 妒。一泥沙的内摩擦角。 式( 3 2 ) 式( 3 3 ) 3 2 2 4 浪压力4 2 1 ( 1 ) 浪高、波长 根据地方水文图集如山东省水文图集查得砌石坝所在地的最大风速。按下 式计算波高、波长( 尤适用于山区峡谷水库，库缘地势高峻，风速4 6 r r d s ，吹程1 1 3 k i n ) ： 2 h 、：o 0 1 6 6 u d y , 2 ll = 1 0 4 ( 2 h 1 ) o 8 式( 3 4 ) 式中：u 一计算风速，m s ； d 一计算吹程，即由坝前沿水面至对岸水面的最大直线距离( k m ) ； 当这一直线距离大于水库宽度的5 倍时取讨算吹程d ，否则取5 倍的水库宽度； 2 h ，一浪高，m ； l l - - 一波长，m 。 ( 2 ) 浪压力计算 浪压力计算分两种情况。 第一种情况：坝前水深h j 满足t t u l q 。 l l 时，在水库静水位深l l 以下各点的浪压力可以 忽略，并假定坝面近似垂直，其浪压力可按下式计算： 只= ，盟半毛越 式( 3 。) 3 2 2 5 坝底面扬压力计算1 在此只讨论作用存实体浆砌石坝坝基面的扬压力。计算时根据坝基地质条件、 防水帷幕和排水的布置情况分别选用如图3 1 所示的压力图形。 ( 1 ) 坝基设有防渗帷幕和排水孔时，在坝踵处的扬压力为h 1 ( 上游水深) ，排 水孔线上为h ：+ 胡( h 为上下游水位差) ，坝址处为h 2 ( 下游水深) ，其间均以盲 线连接，如图3l ( a ) 所示。c 【值可根据坝基地质情况，河床坝段采用0 2 0 3 ，岸 坡坝段采用0 3 0 4 ，对两岸水文和工程地质条件复杂者，要进行专门的研究i = 仑证， 以确定适当的数值。 ( 2 ) 坝基设有防渗帷幕而未设排水孔时，在坝踵处的扬压力为h l ，帷幕中心线 上为h 1 + o h t i ，坝址处为h 2 ，期间以直线连接，如图31 ( b ) 所示。i 宜采用05 0 7 。 ( 3 ) 坝基地质条件良好，未设防渗帷幕，但设有排水孔时，在坝蹲处的扬压力 为h l ，排水孔线上为h 2 + 2 h ，坝址处为h 2 ，期间均以直线连接，如图31 ( c ) 所 示。o t 2 宜采用o 3 o 4 5 。 ( 4 ) 坝基未设防渗帷幕和排水孔时，在坝踵处为h l ，坝址处为h 2 ，其间以直 线连接。如图3 1 ( d ) 所示。 河海大学工程硕士学位论文 t c ) t oj 图3 i 砌石坝扬压力图 3 2 2 ，6 坝体自重 g = y v 镕+ yd v i式( 3 ，1 0 ) 式中：v 月一混凝土心墙容重； v “一混凝土心墙体积； yt 一浆砌石容重： vt 一浆砌石体积。 3 2 2 7 动水压力4 3 3 溢流坝反弧段一h 的动水压力合力的水平和垂直分力可按下式计算： 水平分力：只= q 7v ( c o s , p 2 一c o s ( o 】) g 垂直分力：只= 型v ( s i n 仍+ s i n 仍) g 式中：q 一反弧段上的单宽流量，m 3 s m 刁1 一 一上二二广p +ildlj【lj 一hl 一，、 。兰， ， 一 一一i 竺一， _二二_ 一1_i iv， ril 1ill 河海大学工程硕士学位论文 v 一水的容重，k n m 3 ： g 一莺力加速度，m s 2 ； v 一反弧段上的平均流速，m s 妒l 、；9 ：反弧段的夹角。 3 2 3 荷载组合3 浆砌石坝荷载组合分为基本组合和特殊组合两类。基本组合有基本荷载组成； 特殊组合由基本荷载与种或几种特殊荷载组成。 3 2 3 1 基本组合 ( 1 ) 水库正常蓄水位与相应的不利尾水位的静水压力、坝体自重、扬压力、泥 沙压力、浪压力或冰压力( 二者取大者) 。 ( 2 ) 对于以防洪为主的水库，其正常蓄水位很低者，叮以考虑设计洪水位及相 应尾水位的静水压力、动水压力、坝体自重、扬压力、泥沙压力、浪压力。 ( 3 ) 其它出现机会较多的不利荷载组合。 3 2 3 2 特殊组合 ( 1 ) 校核洪水位及相应尾水位的静水压力、坝体自重、扬压力、泥沙压力、动水 压力、浪压力； ( 2 ) 基本荷载组合加地震荷载； ( 3 ) 施工期的不利荷载组合； ( 4 ) 基本组合加其它出现机会较少的荷载。 3 3 砌石坝抗滑稳定和结构应力复核计算 3 3 1 砌石坝检测5 1 在砌石坝上游面浇筑聚丙稀纤维混凝土防渗板墙，主要有三方面的作用：大坝 防渗、增加大坝的抗滑稳定性和改善坝体内部的应力分布。因此，在进行防渗板墙 的设计前必须对原砌石坝进行抗滑稳定和结构应力复核计算，对大坝目前的抗滑稳 定性和结构应力分布有一个透彻的认识。但是，我国早期建成的砌石坝由于技术水 平低，缺乏统一的规范标准，所以现存大坝的原始资料、图纸往往残缺不全，不能 详实地反映大坝的实际情况，这就对大坝的复核工作造成很大困难。凶此，在进行 河海大学工程硕士学位论文 复核计算以前必须对大坝进行全面的检测。 目前，对砌石坝的进行检测的方法和手段主要有以f 几种： ( 1 ) 地质勘探在砌石坝周围进行地质勘探，主要目的是确定坝基的岩石种类， 坝基岩性、基岩中是否存在裂隙及裂隙的走向等。为抗滑稳定分析中的摩擦系数和 凝聚力的确定提供依据。 ( 2 ) 坝体钻探在坝体上进行钻探取样，一方面可以确定筑坝材料的各项物理 力学指标，如容重、抗拉压强度等：另一方面可以较全面地反映坝体的真实情况如 有无防渗心墙、心墙的材料、厚度和深度以及筑坝材料是否均匀、坝体的密实程度 等。 ( 3 ) 物探物探较常使用两种手段，一种是高密度电阻率成像，它可以反映坝 体的均匀程度，以及渗漏的位置等。另一种是多道瞬态面波，它可以检测坝体的密 实度、基岩的风化面以及渗漏的位置等。 3 3 2 砌石坝的抗滑稳定计算h 2 1 坝体抗滑稳定计算，必须考虑下列三种情况： ( 1 ) 沿垫层混凝土与基岩接触面滑动； ( 2 ) 沿浆砌石体与垫层混凝土接触面滑动； ( 3 ) 浆砌石体之间滑动。 根据我国现行规范的规定，砌石重力坝的抗滑稳定计算有两种方法： ( 1 ) 抗剪强度公式抗滑稳定安全系数按下式计算： ，厂 肛i f 式中：k 一抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数； f l 坝基接触【画的挠剪摩擦系数； w 作用在坝体上的全部荷载对滑动平面的法向力分值： y 户一作用在坝体上的全部荷载对滑动平面的切向力分值。 ( 2 ) 抗剪断强度公式抗滑稳定安全系数按下式计算： 肚警 式中 一一滑动面上的抗剪断摩擦系数 河海大学工程硕士学位论文 c 7 一滑动面卜的抗剪断凝聚力； a 滑动面截面积； k 7 一抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数。 对于大中型砌石坝，抗剪摩擦系数和抗剪断摩擦系数的确定一般通过现场试 验确定。对于小型的砌石坝可以根据实际的地质条件，广泛参考已建工程的经验 确定抗剪摩擦系数或抗剪断摩擦系数。 3 3 3 砌石坝的结构应力计算m 6 1 重力坝应力计算的方法很多，目前常用的是材料力学法和有限元法，本文采 用材料力学法进行结构应力计算。 材料力学法，又称重力分析法，可用于实体重力坝，对于实体重力坝中的高 坝、修建在复杂地基上的坝以及不能作为平面问题处理的坝体和坝段应进行有限 元法或结构模型试验。2 1 材料力学法的基本假定是，坝体水平截面上的垂直正应 力6 y 呈直线分布，即盯y 可按材料力学的偏心受压公式计算。根据这个假定就可以 从计算水平正截而的o ，着手，应用静力平衡条件求出坝体内任意一点的应力分量 和主应力。用材料力学法计算坝体应力时，一般是取i m 坝长，简化成平面问题 进行计算。计算坝体应力时，需要在坝体横断面上截取许多个水平截砸。第个 截面总是取在坝底面，然后根据坝型的特点沿坝高向上每隔一定高度截取一个截 面进行计算。 ( 1 ) 垂直正应力o 。的计算 上游面的垂直正应力为： = 学+ 譬 下游面的垂直f r 应力为： ：学一雩 式( 3 1 6 ) 式中：仃，。一上游坝面处的正应力； 盯。一下游坝面处的正应力； w 一作用在计算截面以上的全部荷载的铅直分力的总和： m 一作用在计算截面以上的全部荷载对截面形心的力矩总和 河海大学工程硕士学位论文 为 b 一计算截面的长度。 垂直正应力的符号以压应力为正。在同 水平截面上，离下游面x 处的1 3 y 盯，= 仃川+ o - y u - - 州) 亭 ( 2 ) 剪应力t 的计算 f 。= ( p u 一口。) n f d2 ( 盯。d 。p d ) m 式中：p l ，一上游面水压力强度； n _ 一上游坝坡坡率： r 一下游面水压力强度； m 下游坝坡坡率。 截面上f = a j + b l x + c 1 x 2 式中：a l = 九 卟去( 譬化一a 叫 旷吉c 譬胁。胁。， 式( 3 1 8 ) 式( 3 1 9 ) ( 3 ) 水平正应力o x 的计算 上游坝面的水平应力为： 盯。= p u r 。，n 式( 3 2 2 ) 下游面的水平正应力为： 盯。d = p d 十r d m 式( 3 2 3 ) 截面内水平正应力的计算： 根据推导截面内o x 为三次曲线，但实践证明吼三次分布曲线与直线相当接 近，因此可近似用下式进行计算： 式中 o - ，= 口2 + d 2 x 日2 = 盯d 2 i 式( 3 2 4 ) 式( 3 2 5 ) 河海大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 主应力按下式计算 6 ：鱼二! 型 a ：翟导去肛了丽yh 一 主应力的方向用第一主应力与铅直线的央角来表示 矿= 扣留( - 去 河海大学工程硕士学位论文 第四章聚丙烯纤维混凝土防渗板墙设计 4 1 聚丙烯纤维在混凝土中掺加量 聚丙烯纤维的掺加量不同对混凝土性能的影响也不同，目前国内的有关研究很 多。根据中国混凝土网( w w w c h i n a c o n c r e t e s c o m ) 实际工程设计、施工资料，聚丙 烯纤维掺量为0 6 、0 9 、l2 k g m 3 的混凝土与水泥用量相同