（水利水电工程专业论文）思德拱坝裂缝成因的分析研究.pdf

苌7 7 8 8 9 7 思德拱坝裂缝成因的分析研究 水利水电工程专业 硕士研寞生熊敬 指导教师舒仲英 众所周知，拱坝以其经济、安全和优美的特点，在国内外水利工程中被广 泛采用；然而，拱坝也有其不足之处，它对坝区工程地质条件较为挑剔，施工 难度相对较高，不仅如此，坝身开裂现象也是一直困扰着工程界的问题。在我 国七、八十年代，修建了数座具有中国特色的砌石拱坝，但由于当时的设计和 施工水平有限，这些拱坝运行至今，均存在不同的病险情况，其中位于四川省 南充市仪陇县境内的思德拱坝，其坝身便存在严重开裂的现象，而且裂缝并不 是对称出现。 纵观历史，拱坝开裂似乎是难以避免出现的现象；然而，总结国内外的工 程经验可以得知，拱坝开裂并不一定就意味着拱坝的失效，而是拱坝应力超限 的一种表现，是拱坝自身释放超限应力并对应力重新调整的反映，因而只要找 到拱坝开裂的根本原因，并相应采取合理的处理措施，拱坝仍然能够很好地发 挥其挡水蓄能的功效。 本文便是基于上述观点，分别采用传统的结构力学方法和现代有限元技 术，依靠a n s y s 通用软件平台，求解思德拱坝在不同工况下的温度场和应力场， 通过两种方法的对比分析与研究，最终找出思德开裂原因以及坝身不对称开裂 的根本原因，并提出了相应的裂缝处理和坝区加固的合理意见；文中简要介绍 了两种方法的发展历史和计算原理，并对其优缺点作出了简明扼要的阐述；通 过对思德拱坝开裂原因的分析研究，论文以兹达到为拱坝设计者提供实用参 考、通过实践工程检验科学理论、为今后思德拱坝的整治提供可靠的理论依据 等三个目的。 关键词：思德拱坝，不对称开裂，结构力学法，有限元法，应力i a n a l y s i sa n d r e s e a r c h o nt h ec a u s e so fd e h i s c e n c ei ns i d ea r c hd a m h y d r a u l i ca n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：x i o n gj i n gs u p e r v i s o r ：s h uz h o n g y i n g i ti sw e l lk n o w nt h a ta r c hd a mi sa l w a y sa p p l i e dt ot h eh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g i nt h ew o r l dd u et oi t se c o n o m y , h i g hs e c u r i t ya n dg r a c e f u lc o n f o r m a t i o n ；h o w e v e r , a r c hd a ma l s oh a ss o m es h o r t c o m i n g s ，s u c ha sb e t t e rg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n d h i 班r e q u i r e m e n t so fc o n s t r u c t i o n ，m o r e o v e r , a r c hd a m sa r ee a s yt oa p p e a r d e h i s c e n c ep h e n o m e n o n f r o m1 9 7 0 st o1 9 8 0 si nc h i n a ，al a r g en u m b e ro f m a s o n r ya r c hd a m sh a db e e nb u i l t ，u n f o r t u n a t e l ym o s to ft h o s ea r c hd a m se x i s t v a r i o u sd i s e a s ep r o b l e m sa f t e rm a n yy e a r so p e r a t i o nn o wf o rt h el i m i to fd e s i g n a n dc o n s t r u c t i o nm e t h o da tt h a tt i m e ，i n c l u d i n gs i d ea r c hd a mw h i c hl i e sa ty i l o n g c o u n t yo fs i c h u a np r o v i n c ea n da p p e a r sa s y m m e t r i cc r a c k st h r e a t e n i n gi t ss e c u r i t y r e t r o s p e c tt ot h eh i s t o r yo fa r c hd a m ，d e h i s c e n c ep h e n o m e n o no fa r c hd a m s e e m st ob ei n e v i t a b l e ，b u ta c c o r d i n gt om a n ye x p e r i e n c e sw ec a nk n o wt h a tc r a c k s i na r c hd a md on o tm e a ni t sd i s a b i l i t y , b u td e m o n s t r a t es o m ep a r t i a ls t r e s s e se x c e e d t h el i m i t ；o nt h eo t h e rh a n d ，c r a c k sc a nr e l e a s et h o s ep a r t i a ls t r e s s e so fu l t r a l i m i t ， a n dt h e nt h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sw i l lb ea d j u s t e dw h i c hm a ye l i m i n a t ei t sp o t e n t i a l d a n g e r s t h e r e f o r ea sl o n ga sw ec a nf i n do u tt h ee s s e n t i a lc a u s e o fd e h i s c e n c ea n d a p p l yc o r r e s p o n d i n gt r e a t m e n t s ，t h ed a mc a ns t i l lp e r f o r mw e l l b a s i n go nt h ev i e w p o i n ta b o v e ，t h i st h e s i sb e n do n e s e l ft o f i n do u tt h e e s s e n t i a lc a u s eo fd e h i s c e n c ea n da s y m m e t r i cc r a c k si ns i d e a r c hd a mb yu s i n g i i s t m c t u r a lm e c h a n i c sm e t h o da n dm o d e mf i n i t ed e m e n tm e t h o dt os o l v e t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l d ，a n dt h e nl o o kf o r w a r dt os o m ep r o p e r a n d r a t i o n a lt r e a t m e n t s f u r t h e r m o r e ，i nt h i sa r t i c l en o to n l yt h ed e v e l o p i n gh i s t o r i e s a n dt h ec a l c u l a t i n gp r i n c i p l e sa b o u tt w om e t h o d sb u ta l s ot h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa b o u tt h e mh a v eb e e ns h o w e d ，t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h w i s ht oo f f e rt h ed e s i g n e ru s e f u lr e f e r e n c ea n da f r o r dt h er e p a i ro fs i d ea r c hd a m t h e o r e t i c a lb a s i s ，a d d i t i o n a l l yi tc a nc h e c kt h e o r yo fs c i e n c e k e y w o r d s ：s i d ea r c hd a m ，a s y m m e t r i cd e h i s c e n c e ，s t r u c t u r a l m e c h a n i c s m e t h o d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s t r e s s i n 川川犬学硕士学位论文 1 绪论 1 1 拱坝的兴建与开裂概况 1 1 1 拱坝的兴建概况 纵观古今，作为世界三大坝型之一，拱坝凭借其安全经济、体型优美等优 点占据了筑坝史的重要篇章。早在古罗马时代，于现今的法国境内的圣里米 省南部就建造了鲍姆拱坝；发展至今，根据国际大坝委员会世界大坝登记 ( 1 9 8 8 ) ) ) 一书统计表明 7 1 【8 1 ，截至1 9 8 6 年底，全世界建成坝商超过1 5 m 的拱 坝t 6 0 8 座，又据中国大坝委员会于1 9 9 9 年的统计资料表明，全世界已建的坝 高超过3 0 m 的拱坝达1 1 0 2 座。拱坝的的砌筑历史源远流长，大致可以归结 为以下四个阶段。 第一阶段( 古罗马时代1 9 世纪以前) 萌芽阶段。在这一时期里，工程 师们开始意识到拱的作用，但始终采用重力墙的观点去对待拱坝的受力：因此， 当时的拱坝均以低坝为主，筑坝材料和体形都不能以现代拱坝的观点去衡量， 这一时期的部分兴建概况见表1 1 。 建坝年最大坝高坝顶孤坝顶中心弧高厚高 坝名国家 代 ( m ) 长( m )角( o ) 比 比 鲍姆法国古罗马 1 21 87 31 50 3 2 达拉土耳其 6 世纪 1 4 世 库里特伊朗 6 02 70 4 纪 1 4 世 凯巴伊朗 2 65 54 02 10 3 5 纪 1 4 世 阿巴斯伊朗 2 0 纪 阿尔 明班牙 1 4 世 曼萨 纪 3 6 1 6 世 埃尔切 两班牙 2 37 l6 73o 5 纪 四川人学硕士学位论文 1 7 世 里勒西班牙 2 72 32 2 o 90 3 7 纪 庞他 意大利 1 8 世 1 24 60 3 o 1 尔托 纪 约克斯维 瑞士 1 7 世 1 33 01 2 0 2 30 2 7 特 纪 第二阶段( 1 9 世纪2 0 世纪中叶) 初步发展阶段。在这一时期里世界各 国对拱坝的认识都有了明显的提高，拱的作用已经确立，水泥已经应用于筑坝， 体型也发展n t 定中心角和双曲拱坝。在欧洲，法国、英国和南斯拉夫等国家 开始兴建勒具有现代意义的拱坝，其中也涌现出了诸如佐拉等著名的拱坝设计 师【9 1 ；然而，在这个时期里，拱坝得到飞速发展的是美国，他们在4 0 余年内 修筑了约百座坝高度h 1 5 m 的拱坝，比欧洲主要国家的筑坝总数还要多。 第三阶段( 2 0 世纪中叶2 0 世纪6 0 年代) 蓬勃发展阶段。在这一阶段的 初期，发展中心再次转移到欧洲，诸如前苏联、葡萄牙、西班牙和南斯拉夫等 国家，拱坝取得了长足的进展，拱坝建造更加普遍，技术更先进的拱坝大量涌 现，模型试验技术也相应快速的发展；在亚洲，日本也成为了世界拱坝修筑的 主要国家之一，而中国的筑坝速度随着新中国的建立明显提高，期间修筑了 6 0 余座低拱坝。 第四阶段( 2 0 世纪7 0 年代至今) 全面发展。在这一阶段里，拱坝的结构 形式愈发丰富，应力分析方法不断得到改进，设计方法也不断更新。而中国无 疑成了全世界拱坝砌筑的焦点，7 0 、8 0 年代里，我国前1 0 年建成的拱坝数目 超过3 0 0 座( 砌石拱坝占9 0 ) ；筑坝高度在7 0 年代就已经超过1 0 0 m ，8 0 年代超过1 5 0 m 并向2 0 0 m 接近，9 0 年代已经达到2 4 0 m 并向更高的特高拱坝 冲击；此外，拱坝的体型也丰富多变，筑坝技术也快速发展，诸如碾压式混凝 土拱坝等。我国具有代表性的拱坝可见表1 2 睇j 。 四川大学硕士学位论文 表1 2中国拱坝兴建概况 建坝坝高 坝名地点坝型 特点 时间 ( m ) 响洪甸 安徽 1 9 5 8 重力拱坝 8 6 5 第一座高拱坝 山江寨湘西 1 9 5 6 首次采用结合坝身泄洪拱坝 首次采用坝、厂和溢流结构一体方 修文贵州 1 9 6 1 单曲拱坝 4 9 式 窄巷口贵州 1 9 7 0 双曲拱坝 5 4 。8 拱上拱结构 群英河南 1 9 7 1 重力拱坝 1 0 l 3 第一座百米级拱坝 双曲周边 大成台湾 1 9 7 41 8 1 我国最高的后倒双曲拱坝 缝拱蜘1 欧阳海湖南 】9 7 6 双翦拱坝 5 8 首次采用连续开孔泄洪方式 我国第座空腹式拱坝和世界上 风滩湖南 】9 7 9重力拱坝 1 1 2 5 泄洪最大的拱坝 龙羊峡青海 1 9 8 9 重力拱坝1 7 5我国最高的重力拱坝 二滩四川 1 9 9 9 双曲拱坝 2 4 0 我国已建最高的双曲拱坝 小湾 云南在建双曲2 9 2我国在建最高的双曲拱坝 1 1 2 拱坝开裂概况 众所周知，尽管勘探技术与设计方法不断改进，施工工艺也蒸蒸只上，但 拱坝的开裂问题仍一直困扰着工程界，也正是由于上述提及的因素，自拱坝出 现以来，就伴随着拱坝的开裂。历史上世界各地兴建的拱坝出现开裂的情况不 胜枚举，引起拱坝开裂的根本原因多达十几种【5 l ，表1 3 给出了部分国内外一 些典型的拱坝开裂案例【3 】【4 】【5 1l l o 。 四川大学硕士学位论文 表1 3国内外部分拱坝开裂概况表 坝名国家坝高( m )开裂情况 由于坝座破碎软弱，且遭遇漫顶后的岩块崩 l d d a r 南斯拉夫 3 9 塌，致使右坝座下沉，坝体上产生一条4 5 度斜 裂缝。 由于遭遇地震造成地基不均匀沉降。致使左 p a c o i m a 美国 1 1 3 侧横缝张开6 4 m m 9 7 m m ，并从坝顶向下发 展。 首次蓄水便发现坝顶下l o m 2 0 m 的下游 c a b r i l 葡萄牙 1 3 2 面水平施工缝张开，裂缝达3 5 2 条，大多数贯穿 全坝段。 由于基础的非均一性及与岩石徐变有关的 奥特 法国 5 4 不可逆位移，致使下游左岸坝基及附近出现垂直 法日 于坝基方向的裂缝 由于拱圈封拱温度的差异以及气温变化，致 坎卡诺意大利 1 2 6 使下游与砼层相吻合的水平裂缝，下游与垂直分 缝平行的坝底附近裂缝，与坝基正交。 1 9 7 1 年1 9 8 2 年间先后发现l o 个拱靠近基 马尼克加拿大 2 1 4 础部位发生裂缝，并出现严重渗漏。 4 p uj i 大学硕士学位论文 由于地下水位下降后地基沉降，造成大坝j f 游出 z e u z i e r 瑞士】5 6 现了环向裂缝，上游面拱顶范围出现了5 条垂直 坝段接缝的裂缝。 由于人坝经历了两次高温低水位和三次低 陈村 中国7 63 温低水位的变化，致使在坝上下游面1 0 5 m 高程 出现了一条长达4 5 0 m 的水平裂缝。 由于低水位遭遇温降造成坝体下游面近基 长自桥 中国5 0 础部位出现k3 5 m 的顺坡裂隙，大坝左岸出现 k 约7 m 的竖向贯穿裂缝。 由于加大了溢流堰断面，加强了溢流堰所在 拱的刚度。使梁承担了较大的荷载，加上温荷的 常峪口中国 3 7 作用，大坝下游面1 0 8 1 m 高程出现了7 条开张 性水平裂缝。裂缝总长达1 0 1 5 m ，全部贯穿联 通。 由于拱坝内部水化热产生的温度较高，而气 响水 中国1 9 5 温很低，造成该坝出现了1 1 条水平裂缝和7 条 竖向裂缝。 1 1 3 拱坝开裂成因分析概况 历史上对拱坝开裂成因的分析可以追溯到1 9 世纪末，澳大利亚的 t a m w a r t h 拱坝由于遭遇了温度骤降气温而发生开裂，垂直裂缝从坝顶向下几 乎达到坝基，最大缝宽1 0 m m ，工程师c w d a r l y 对其开裂情况作出了正 确的分析，并相应地采取了合理的措施避免了拱坝的进一步开裂，拱坝后期运 行良好【3 1 。可见，工程界已经注意到温度对拱坝应力影响的重要性。 进入2 0 世纪，随着拱坝开裂现象的不断增多，拱坝开裂问题引起了全球 工程界的关注。美国早在3 0 年代开始应用模型技术研究拱坝裂缝的成因，并 对裂缝的安全性给出了定性分析建议。针对不同的拱坝，人们对拱坝开裂的认 叫川大学硕士学位论文 识不断加深，但计算评价方法仍然比较落后。 随着计算机的应用不断普及，数值模拟技术在2 0 世纪发挥了巨大的作用， 也给拱坝开裂成因分析提供了强有力的工具：同时，诸如勘测、制造、监测和 物理模型等技术的不断发展，拱坝开裂问题可以得到有效的解决。对于任何一 座拱坝，其开裂原因均有其特殊性，不能统一概之，鉴于历史的分析可将拱坝 开裂的成因基本可以归结为以下两方面的原因：( 1 ) 自然因素，诸如低水位、 骤降气温、破碎地基、地震等；( 2 ) 人为因素，诸如坝体体型不合理、工程区 布置不合理、人为爆破、混凝土骨料碱性反应等。 1 2 论文内容概述 1 2 1 课题来源 在前面已经提到2 0 世纪7 0 8 0 年代是我国拱坝的筑坝高峰时期，而这一 时期具有鲜明中国特色的砌石拱坝以其安全性、经济性、就地取材、施工简易 等方面的优点占据了主导地位，筑坝的范围遍布了我国十余个省，截至1 9 8 0 年，我国修筑的砌石拱坝高度超过1 5 m 的达到6 2 1 座，截至1 9 9 9 年，砌石拱 坝高度超过1 5 m 的达到1 5 3 8 座，数量占我国拱坝总数的9 0 以上。然而，由 于当时的设计方法有限，而施工人员没有经过严格的培训，施工质量难以保证， 这就为拱坝的安全留下了隐患。 思德水库大坝( 以下称思德拱坝) 正是这一时期，于1 9 7 0 年1 2 月开始兴 建的，该坝为浆砌条石定圆心、定半径非溢流重力式拱坝。大坝运行3 0 余年 来，病害不断，其坝身左岸与重力墩结合部，左岸近1 4 端出现了贯穿上下游 的竖向裂缝，坝体上游面下部也出现了不同程度的开裂。国家先后多次对大坝 进行了整治，然而效果并不是很理想，坝体仍然发生开裂，且不断的恶化，如 果不能及时的进行加固处理，一旦坝体失事，其4 1 7 0 1 0 4 m 3 库容下泄将直接 危及下游的8 个乡镇5 万人生命和4 座小型电站的安危。 基于上述情况，借鉴前人的经验，只要找出拱坝开裂的真正原因，并合理 的处理，拱坝的开裂并不就是意味着拱坝的失效。所以，本文便是根据恩德拱 坝的现今情况，运用常规方法与有限元方法相结合的方式，力求找出思德拱坝 开裂的根本原因，一方面为拱坝设计者提供实用参考，二是通过实践工程检验 科学理论，三是为今后思德拱坝的整治提供可靠的设计依据。 凹j i i 大学硕士学位论文 1 2 ，2 研究方法及研究路线 拱坝在施工期间与运行期间均有不同程度的开裂情况，有些裂缝的出现严 重影响了拱坝的安全，甚至是溃坝的莳兆，而有些裂缝的出现改变了拱坝的传 力结构，释放了超限的应力从而改善了拱坝的应力状况。拱坝开裂的根本原因 在于其局部的拉应力超过砌体的极限抗拉强度，或者少有情况下局部的压应力 超过砌体的极限抗压强度，而引起上述两种情况的发生的外因是多种的，在前 面已经提及。所以，评价拱坝是否开裂，进而分析拱坝开裂的原因，坝体应力 的计算是关键。 在早期，拱坝没有理论指导，前入是在实践中积累经验、摸索前进的，他 们大多把拱坝按重力墙结构来考虑：1 7 世纪随着欧洲工业革命和工程力学的 诞生，开始用简单的薄壁圆筒公式计算拱坝应力，虽然没有考虑拱圈之间的作 用力，但水平拱圈的作用得到了反映：2 0 世纪初，意大利工程师提出了固端 拱法初步反映了坝肩对拱圈的约束作用，比圆筒法更接近实际的受力状态，对 拱坝的认识提高了一步，此后，拱冠梁法和多拱梁法应允而生；1 9 3 0 年，瑞 士人克恩应用单位荷载变位与试算求得变位一致的计算方法一试载法一产生， 首次形成了完整系统的现代结构力学分析方法。然而在某些问题的处理上仍然 存在缺陷；随着计算机广泛应用于自然科学和有限元方法的不断成熟，有限元 法应用更加广泛，特别是在大、中型水利工程中已经成为不可替代的有效方法 【6 1 。 本文研究路线是在收集大量的基本资料后，应用现代有限元技术，模拟恩 德拱坝在不同地理条件下、不同水位条件下、不同气温变化条件下，求解拱坝 的温度分布场，最终求解拱坝应力分布场：同时结合到我国目前仍然常用的结 构力学方法进行对比分析，最终得出思德拱坝的开裂原因以及恩德拱坝不对称 开裂的原因。通过对比分析，得出常规方法与有限元方法的差异，结合前入的 经验，根据开裂原因提出合理的处理意见。 四川人学硕士学位论文 2 思德拱坝概况 2 1 基本情况 思德水库位于四川省仪陇县柳垭镇金花寨村，距仪陇县城5 0 k m 。是一座 以灌溉为主、兼顾防洪、水产养殖等综合利用的中型水利骨干工程。坝址以上 集雨面积i 0 6 k m 2 ，多年平均降雨量1 115 o m m ，总库容4 1 7 0 万疗，有效库容2 0 4 3 万m 3 ，设计灌面9 4 3 万亩。 思德水库大坝下游有龙桥、三河、板桥乡、营山的柏林、消水等五个场 镇和仪平省级公路，仪大、仪秋、仪立、仪柏、营消等五条县级公路；直接影 响柳垭、思德、龙桥、三河、板桥、柏林、消水等乡镇五万余人的生命和石笋 河电站、龙桥电站、板桥电站等小型电站的安全，除灌溉任务外，还有为下游 地区5 万余人提供防洪和生活用水及工业用水等，一旦失事后果严重。 图2 - 1思德水库枢纽平面布置图 叫川大学硕【学位论文 枢纽工程由重力式浆砌条石拱坝，侧槽式溢洪道，红岩取水洞和放空建 筑物组成，其孝区纽布置见图2 1 。 思德水库始建于1 9 7 0 年1 2 月，坝型为浆砌条石定圆心、定半径非溢流重 力式拱坝，于1 9 8 2 年8 月建成蓄水。坝顶最大弧长1 3 6 1 4 m ，最大坝底宽3 4 m ， 顶宽3 m ，最大坝高5 2 4 m ，坝顶高程为4 3 6 4 m ，防浪墙顶高程4 3 7 6 m 。大坝 上游面在4 0 7 1 7 m 高程设有一灌浆平台；平台以下部分实为变中心角、变半径， 而平台上部几乎为等中心角、等半径 设有重力墩，且左重力墩紧邻溢洪道 最大剖面图见图2 2 。大坝左、右端均 其溢洪道底板高程为4 2 0 o o m 。 图2 - 2 拱冠梁剖面图 该工程溢洪道为侧槽式溢洪道，位于大坝左侧，与左重力墩毗邻，顺山 坡布置，侧堰堰顶净宽6 0 m ，溢流堰为实用堰型，堰顶高程与正常高水位同高， 为4 3 2 8 m ，整个溢洪道坐落在砂质粘土岩上。溢洪道总长2 1 7 m ( 含挑流段) ， 9 叫川大学硕上学位论文 其中侧槽底板长5 5 m ，接渐变顺直段、陡槽段和挑流鼻坎段。 红岩隧洞设在库区右岸，距大坝8 k i n ，距柳垭镇3 k m ，起于柳垭镇自桦出 村二社的红岩河，出口在马鞍镇琳琅一社朱德纪念馆下，全长6 4 8 4 m ( 其中暗 渠长6 2 m ) ，于1 9 7 6 年1 1 月破土动工，1 9 8 2 年全部开挖衬砌结束，取水隧洞 设计流量4 5 6 5 m 3 s ，加大流量5 5 2 m s ，比降1 2 0 0 0 。建成1 0 0 。圆拱直墙 式断面，全衬段洞宽3 m ，洞高2 7 m ，直墙高2 m ，设计糙率为0 0 2 2 5 ，水深 l _ 7 8 m ；不衬段为1 2 0 。圆拱直墙断面，洞宽3 4 m ，洞高2 7 m ，糙率为0 0 2 7 5 ， 隧洞只衬边墙段长9 8 3 4 m ，只衬顶拱段长1 1 6 m ，全断面衬砌段长3 0 7 9 5 m ， 末衬段2 2 4 3 1 m ，衬砌体的边墙和顶拱均为m 。水泥沙浆砌条石，厚度0 3 m ， 底板为干砌条石，厚度为o 2 m 。进口处设置安装了工作闸门和检修闸门，并 安装了2 台7 5 t 手摇启闭机启动，进水孑l 为方孔，1 0m 1 0 m ，洞后为一渐 变段与隧洞衔接，取水高程4 2 2 。o m 。 放空管布置在大坝拱冠左侧，管中心高程4 0 2 4 m ，最大泄流量1 0 4 m 3 s ， 正常水位时5 0 5 1 天可以放空水库。放空管上设有工作闸阀和检修闸门，检修 闸门尺寸为1 o m 1 0 m 。闸门置于坝上游竖井内，竖井内径2 2 m ，外径4 4 m ， 井深3 7 5 m ，配q p q 一1 6 型卷扬式启闭机启闭。闸后设巾= o 1 5 m 的旁通管，放 空管长3 6 2 m ，过流断面0 7 8 5 m 2 ，靠近管尾装有动水启动的工作闸阀，直径 由= 1 0 m 。 思德水库及其建筑物的基本特性汇总于表2 1 。 表2 1水库工程特性表 序号名称单位数量备注 水文 1 坝址以上集雨面积 k m 21 0 6 0 2 多年平均年降雨量 m m1 1 1 5 o 3 设计洪峰流量p = 2 m 3 s5 6 2 1 1复核值5 5 1 0 4校核洪峰流量p = o 2 巾3 s9 0 9 3 5 复核值8 5 7 o 水库 l 水库正常水位 4 3 2 8 0 0 四j i i 大学硕士学位论史 2 设计洪水位p = 2 4 3 5 0 0复核值4 3 5 1 7 3 校核洪水位p = o 2 4 3 6 0 0复核值4 3 6 0 0 4 死水位 4 2 2 0 0 5总库容1 0 4 m 3 4 1 7 0 复核值4 1 7 0 6 正常库容 1 0 4 3 0 1 8 0 7死库容1 0 4 m 39 7 5 0 大坝 1坝型重力式砌石拱坝 2 坝顶高程 4 3 6 4 0 3 防浪墙顶高程 4 3 7 6 0 4 坝项长度 1 3 6 1 4( 弧长) 5晟人坝高5 2 4 6坝顶宽度 3 o 7最大坝底宽度 m 3 4 0 四 溢洪道 1型式开敞式侧槽实用堰 2溢洪道堰顶高程 4 3 2 8 3溢洪道堰口净宽 6 0 0 原设计5 5 m 4 泄水槽总长度 1 9 1 4 1 5 p = 2 的泄洪流最 m 3 s3 6 0 复核值4 3 2 0 6p = 0 2 的泄洪流量 m 3 s6 1 6 复核值6 7 7 0 五放水建筑物 l 放水塔型式引水建筑物 ( 红岩取水隧洞)( 整治后) 放空管长 m3 6 2 2 2 流域自然地理概况 思德水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电等综合利用效益的中型水力 骨干工程，水库地处东经1 0 6 。4 8 ，北纬3 1 。1 5 ，位于渠江水系消水河上游 的梯子河上，区属四川省仪陇县柳垭镇5 、6 村之间，距仪陇县城以东约5 0 k i n 。 流域内地势起伏较大，相对高差1 0 0 2 5 0 m ， 可谷平直、切割较深，形似v 字型。河床基岩裸露，耕地多分布于4 0 5 0 m 高的河谷阶地和山坡上。流域 植被条件较差，水土流失严重。区内主要农作物为水稻、红薯、花生等。 库区坐落在四川翁地东部的深丘区，亚热带气候特征明显。区内气候温暖 潮湿，雨量丰沛，夏、秋多暴雨；流域内具有“冬春干、夏伏旱、秋多雨”的 气象特征。据多年水文气象观测资料统计，区内多年平均年降水量1 1 1 5 m m 左 右，多年平均陆面蒸发7 6 0 0m i n 左右，多年平均径流深约4 1 0 m m ，多年平均 气温1 6 5 c ，多年平均相对湿度7 5 0 ，多年实测最大风速2 0 o m s 。流域降 水量主要集中在5 月至1 0 月，降水量约占年降水总量的8 4 9 ，1 2 月至次年 3 月降水量较少，为流域枯水期。4 月为汛前过渡期，1 1 月为汛后过渡期。 恩德水库集雨面积1 0 6x1 0 3 r n 2 ，河长2 3 4 1 0 3 m ，平均坡降4 3 3 。区 内地表径流和地下径流主要由降雨补给，多年平均径流系数o ，3 5 ，地下水径流 模数3 2 8 1 0 4 m 3 k m 2 年。每年5 月下旬进入主汛期，延续到1 0 月下旬结束 【1 1 】。 2 3 工程地质概况 库区主要为侏罗系重庆统莲花口组地层，岩性为浅灰或风化浅黄色的中细 长石，石英砂岩和泥质砂岩及红色砂质粘土岩等，砂页岩互层，岩层相交替变 2 四川大学硕士学位论文 化较大，岩层倾向北西，倾角平缓( 3 。6 。) ，砂质粘土岩为天然隔水层， 且分水岭宽厚，无构造断裂带贯穿水库，因此库区不存在暂时或永久渗漏问题。 坝基为j “3 p 层砂岩，在清基后余下部分最大厚约7 2 m ，最小厚度约4 m 。 砂岩底部有一剪切错带，厚约0 4 7 1 o m 。其下部为，。层砂质泥岩，厚 4 5 0 m 。再往下为厚层砂岩。坝基砂岩质地坚硬，但完整性较差。在左部基坑 中有四条扫帚状分布的裂隙，倾角7 0 。8 0 。，张开1 1 3 c m ，充填泥砂和夹 泥等。同时在高程3 8 7 0 0 m 3 8 4 o o m 间有一条倾向左岸的泥化夹层，里液性 状，厚0 1 o 2 5 m 。部分成岩腔，约占基础面积的二分之一。在发现上述不 利的工程地质问题后，采取了扩大基础和词结灌浆处理方案。基础宽度由原来 的2 1 m 扩至3 4 m 。上游侧扩宽7 m ，下游侧扩宽6 m 。扩宽部分上游齿槽开挖至 3 8 3 7 0 m ，下游齿槽开挖至3 8 4 o o m 高程，将该两部分建基范围内泥化夹层全 部清除，完全切断了该泥化夹层。 坝肩出露的地层为j ”5 。j3 7 3 1 、层砂岩与j 3 - 6 。层砂质泥岩。岩层近于水平， 略倾右岸。裂隙主要有三组，其中岸边卸荷裂隙较发育，均充填粘土。左岸卸 荷裂隙走向n 3 3 。5 2 。e ，n w ， 7 6 4 8 5 。，裂隙一般张开宽度l l o c m ， 个别达2 0 4 0 c m ；右岸卸荷裂隙走向n 2 0 。4 5 。e ，s e ， 5 0 。6 06 ，裂 隙张开宽度1 l o c m 。坝肩三组裂隙与层面裂隙，将岩体切割成块体，其中走 向n 2 0 。5 2 。e 的卸荷裂隙与拱坝推力方向交角甚小，是坝肩侧向的滑移结 构面。经复查竣工地质剖面图，坝肩未发现水平泥化夹层，水平滑移结构面主 要受层面裂隙控制。层面裂隙大致可分为四种不同的岩性：一是泥岩，二是砂 质泥岩，三是泥质砂岩，四是砂岩。据两岸钻孔资料，在高程4 0 0 o o m 以上， 软岩夹层分布情况见表2 2 【i t l 。 表2 2高程4 0 0 m 以上，5 ，层中软弱岩层分布表 岩石名称左岸右岸 泥岩4 1 1 0 1 4 1 0 7 44 1 1 0 1 4 0 9 7 0 4 0 5 6 3 4 0 5 1 0 砂质泥岩 3 9 5 2 0 3 9 5 0 0 4 2 1 0 0 一4 1 6 。0 04 2 0 2 4 4 1 7 。3 6 四川大学顺士学位论文 2 4 水文地质概况 坝区基岩裂隙水主要埋藏于砂岩裂隙之中。据前期钻孔资料，两岸地下水 埋藏较深，左岸钻孔地下水位高程在3 9 7 5 7 m 左右：右岸钻孔地下水位高程在 3 9 8 1 3 m 左右。左右岸地下水位分别高出河床钻孔地下水位6 0 2 m 与6 5 8 m 。 平均比降为9 与9 4 ，地下水比降平缓，表明坝肩岩体的透水性良好。据钻 孔压水试验成果，在卸荷带内，遇有裂隙的试验段透水率在数拾吕荣以上。钻 孔查明河床坝基在高程3 7 3 o o m 以上：两岸坝肩在高程3 9 0 m 左右以上，属强 透水层。经前期灌浆处理，岩体的透水性有所降低。经本次钻孔查明为中等透 水性。 前期钻探查明，河床坝肩在高程3 7 3 o o m 以上；两岸坝肩在高程3 9 0 o o m 左右以上，属强透水层。虽曾进行防渗帷幕灌浆，但鉴于裂隙中充填粘土等， 且帷幕灌浆质量欠佳。在运行中，实测坝基渗漏量达0 0 4 4 m 3 s 。两坝肩及下 游两岸可见到渗漏点【l “。 2 5 坝体病险概况 大坝运行3 0 余年来，病害不断，主要存在以下问题： ( 1 ) 坝身左岸与重力墩结合部，左岸近1 4 端出现了贯穿上下游的竖向 裂缝，坝体上游面下部也出现了不同程度的开裂。国家先后多次对大坝进行了 整治，然而效果并不是很理想，坝体仍然发生开裂，且不断的恶化，如果不能 及时的进行加固处理，一旦坝体失事，其4 1 7 0 x1 0 4 m 3 库容下泄将直接危及下 游的8 个乡镇5 万人生命和4 座小型电站的安危。 ( 2 ) 拱座稳定不足。 ( 3 ) 坝体、坝基渗漏严重由于坝基岩层裂隙发育，岩体平均吸水率u 为 6 0 7 l u 8 7 l u ，远大于规范值，加之工程施工质量差，刚建成蓄水就发现坝体 和坝基渗漏严重。尽管经灌浆处理，但处理不彻底。质量欠佳，本次地勘查明 左、右坝肩岩体吸水率达4 i 9 l u ，属中等透水层。现渗漏严重，实测库水位 四川1 人学硕上学位论文 在4 2 5 0 0 4 3 2 8 0 m 时，坝体渗漏量为0 0 0 7 m 3 s 0 0 3 8 m 3 s ，并且逐渐加大。 在左右坝肩下游约4 5 米处有三处集中渗漏，最大渗漏量达0 0 4 4 m 3 s ，目前坝 体和基础总渗漏量已达0 0 5 m 3 s 0 0 8 2 m 3 s 。下游集中渗漏点的渗水略浑， 如果系顺河裂隙中夹泥物质随水流出，则会造成严重后果。 ( 4 ) 无进库上坝公路，对防洪抢险很不利。从柳垭镇进库土坝公路4 o k m ， 为简易机耕道，路面窄，路基差，载重汽车不能通过，防洪抢险物资无法运至 大坝，且该路仅至大坝下游0 5 k m 处，防洪抢险人员无法上坝，对水库运行管 理和防洪抢险极为不利，急需扩建机耕道并接通至坝头。 ( 5 ) 溢洪道渐变段和顺直段边墙高度不足，尚差0 6 7 m ，挑流鼻坎近端 被冲有深坑，形成临空面影响鼻坎安全，且出口左岸边坡有3 0 m 宽松散堆石滑 坡体，右岸有5 0 m 宽的滑坡体，将影响出1 3 引洪，需进行整治。 四川大学硕十学位论文 3 坝体裂缝成因的结构力学法分析 在有限元法出现以前，工程界普遍采用结构力学法计算坝体的应力应变。 结构力学法的根本观点是假设拱坝坝体的传力机构由拱和梁组成，计算应力应 变时分别考虑，而计算结果要求拱梁交点处的变位需要一致。多拱梁法，即试 载法，乃是截取多层拱圈和多根悬臂梁进行计算，根据需要采用三向或者更多 方向变位协调计算：而拱冠梁法则是多拱梁法的一种简化，仅仅在拱冠处取一 根悬臂梁计算，一般仅仅考虑径向变位的协调。 拱冠梁法是一种近似合理的分析拱坝应力的方法，较多应用于计算中小型 拱坝的应力，也用于大型工程的方案选择或者初步设计中，它比纯拱法要合理， 而计算工作量远远少于完整的多拱梁法，很适用于中小型工程的设计“。恩德 拱坝最大坝高仅5 2 4 m ，属于中型拱坝，故而本文在计算坝体应力应变中采用 的结构力学方法乃拱冠梁法。 3 1 坝体应力结构力学法分析理论 3 1 1 温度荷载分析理论 在结构力学法中是将温度荷载等效为初始应力计算的。首先将温度变化在 时间上存在三个温度场，即封拱温度场、年平均温度场和年变化温度场，而温 度荷载即为这三个温度场的叠加；另方面，根据温度荷载的作用效果不同， 又将每一个温度场分解为均匀温度变化荷载、等效线性温差荷载和非线性温度 变化荷载。由于非线形温度变化荷载的自平衡性和力矩归零性，在计算温度应 力时，仅考虑均匀温度变化荷载和等效线性温差荷载的影响【1 3 】，具体计算如 下。 3 1 1 1 特征温度场求解 温度场分布可以归结为求解热传导微分方程与特殊边界条件，即求解： 堡； ：空( 3 - 1 ) a f 刁窜 瓦= a ，c o s o ) ( r 一) ；t = a ，c o s 0 3 f ( 3 - 2 ) 其中： 叫川大学硕士学位论文 t ：温度分布场； t ：时间变量： h ：导温系数； x ：空间变量； a s 、a x ：温度变幅； e ：初始相位差： m ：变化周期。 可见，结构力学法假设拱坝为一个双面受简谐温度作用的半无限体，仅考 虑拱坝径向和竖向的温度变化。 3 1 1 2 温度荷载求解 如前所述，温度荷载为三个特征温度场的叠加，如式( 3 3 ) ( 3 5 ) 所 示，其中封拱温度场和年平均温度场是不随时间变化，仅变化温度场是随着时 间变化的。所以，根据当地的实际气温变化，确定变化温度场从而选择温升和 温降工况。 r o = 瓦1 一乙o + 磊2 ( 3 3 ) 乃= 乃i 一乃。+ 乃2 ( 3 4 ) l = l 1 一瓦o + 瓦2 ( 3 5 ) 其中各个温度场的t 。、t d 、t 。按式( 3 6 ) ( 3 - 8 ) 计算。 l 2 j ：，2 r ) a x ( 3 - 6 ) 乃= 罟敛m ) x d x ( 3 - 7 ) 乙= f ( 筇一乙一半 ( 3 8 ) 3 1 1 3 等效温度初始应力计算 根据上述方法得到的均匀温度变化荷载与等效线性温差荷载后，即可根据 结构力学法计算水压力一样计算各个拱圈和拱冠梁的温度应力，其求解公式为 式( 3 9 ) 1 4 l 。 四川大学硕士学位论文 。= 鲁卜黔扣b ) ， 其中： 驴唇旷后( 工+ 考 。， 然后将温度变化引起的应力和其它荷载引起的应力叠加，就可以得到拱圈 和悬臂梁的总应力。 3 1 2 坝体应力分析理论 3 1 2 1 坝基变位计算 目前，坝基变位计算的常用方法有两种，而运用结构力学方法计算的时候 多采用伏格特法，他把地基变位和受力归结为式( 3 1 1 ) 的关系。 p 】= 【】 f 】 ( 3 1 1 ) 其中： u 】：基础变位矩阵； ：基础变位系数矩阵； f ：基础力系矩阵。 其原理是考虑一无限大的地基平面，其上有块矩形建筑物，沿着长度方 向作用有均匀分布的广义力，如图3 1 所示：在广义力的作用下，地基表面产 生复杂的变形，计算出矩形基础宽度范围内的平均变位，那么变位与作用力之 比就是基础变位系数。所以，基础变位关键在于得到变位系数矩阵，丽变位系 数矩阵根据鲍辛涅斯克与诬罗梯关于半无限地基在单位力系作用下的变位公 式，可以推导出交位系数，具体公式可回读参考文献 2 】。 四川大学硕士学位论文 ， | 7l - 岁” j 。霸，7 ， 图3 - 1 伏格特单位力计算简图 地基变位计算包括拱座基础变位计算和悬臂梁基础变位计算，两者的计算 又包括以下两步。 第一步：将坝体力系投影至基础坐标系，坐标系定义见图3 - 2 。 拱座基础：p 】= c o s p 1 0 o 0 一s i n w0 0 一c o s 0 0 0 s i n 移 00 c o s 巨 i ：一。：l 沙 ： 悬臂梁基础：p 卜8 i n y 窿一。：0 s 妒：翌0 l ：= 0 了 第二步：再将基础变位投影到坝体坐标系。 拱座基础： 10000 i c o e s 缈 i l n 咖0 妒。别 悬臂梁基础： 1 9 圈 圪岛+ 毛c o 眺i t 一也s i n 以 一h 。c o s 肚2 m ：s i n p 岛r 2 圪岛i t + 厶c o s 帕r ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ，fj h m 四川大学硕士学位论文 k s i t y 岛+ ( m c o s , s i r q + m s i d p 饯r k ( s i r l 谯+ c o 女炉i f 坎) ： lj 弧s i i i r + 南s i ，v 。g r ) + 4 生! 盟! ：3 1 型业+ k 竺竖! 塑! ! 堕 = i l 懈s 矗r + 与s i 驴。g r ) + 胆型严型+ k 早 i 蚴s i i i 严邯诹i 叫加谧兰照署鳖坐+ 巧些擎 ( 3 1 5 ) 图3 - 2 拱圈及拱冠梁基础变位坐标系 3 1 2 2 坝体应力计算 无论是拱冠梁法，还是多拱梁法，拱坝的应力计算包括拱圈应力和悬臂梁 应力计算。拱冠梁为典型的包含3 个自由度的静定杆件结构，可以直接利用结 构力学方法求解，此处不在累述。但应该注意拱冠梁的截面不是矩形而是扇形， 计算截面的面积和惯性矩时较为不便：另一方面，沿着高程下降，拱冠梁的形 状在发生变化，其重心也在发生变化；此外，除了定圆心拱坝以外，一般悬臂 梁的两个侧面是扭曲的，不同高程上剪力和力矩的方向是逐渐变化的，从上至 下累计各剪力和力矩时，要用矢量加法。 然而，拱圈的应力计算较为复杂，其原因在于拱圈两端固支，实为3 次超 静定结构，鉴于思德拱坝为单曲拱坝，所阻此处只就等厚