（水工结构工程专业论文）用于砌石坝加固的聚丙烯纤维混凝土板墙的研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：当丝翌 日期：垒塑丝量望 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雄导师签名：立冬窭支一日 期：三! 竺：生! ， 山东大学硕士掌位论文 摘要 【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。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。因此，早期建成的砌石坝 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、渗漏等现象，对这些大坝进行检测 加固是十分必要的。 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，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，而又难以解决的难题。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。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。 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、施工和相应 的温控标准，在前人研究的基础上进行了系统的研究。 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。分析现行规范中浆砌石坝结构应力计算方 法的缺点和不足。提出用有限元法对加固前后的坝体进行应力分析。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。本文根据现有的温度应力计算理论提出 简单易行的防渗板墙的温度应力分析计算方法，包括水化热温度应力计算和 均匀冷却时的温度应力计算。 【关键词】砌石坝；防渗板墙：抗滑稳定；应力分御；改性聚丙烯纤维 山东大掌硕士掌 f i r 论文 a b s r a c t a b s t r a c t m a k i n g u s eo f s t o n et ob u i l dd a m si so l dl i n ei no u r c o u n t r y c h i n ai s o n eo ft h ec 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 e a n dw h i c hh a sm o s to ft h e m t h e r ea r e2 6 8 4s t o n e d a m si no u a c o u n t r yt i l lt h e e n do f t h et w e n t i e t hc e n t u r y y e ta b o u to n eh a l f o f t h e mw e r eb u i l tb e t w e e n1 9 5 0 a n d1 9 7 0 a tt h a t t 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 t u n i t e dn o r ms t a n d a r di nt h ew h o l ec o u n t n 1 1 1 er e f e r e n c ea n dt h ee n g i n e e r i n g t h a td r a wl e s s o n sf o t i na r ef e wt o o a sar e s u l t t h es t o n e d a m st h a tw e r eb u i i ti n t h ee a r l ys t a g ec a n n o tl 【e e ot 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 e t h o u g hs e v e r a ld e c a d e s ，m o s to f t 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 t h e r e f o r e 。i ti sn e c e s s a r yt oi n s p e c ta n dr e i n f o r c et h e m a tt h ep r e s e n tt i m e ，a d d i n gc o n c r e t ew a l lt ot h eu p r i v e rf a c eo ft h ed a mi sa m a i na n de f f e c t u a lm e a n s c o n c r e t ew a l lc a nn o to n l yp r e v e n tt h el e a k a g e b u t a 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 ft h ed a mi fi t st h i c k n e s s i si n c r e a s e dp r o p e r l y t h o u g hc o n c r e t et h a ti su s e da st r a d i t i o n a la r c h i t e c t u r e m a t e d a li su s e d w i d e l y s o m e s h o r t c o m i n g s 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 g e t ci n f l u e n c ei t sf u r t h e r a p p l i c a t i o n i nt h e e n g i n e e r i n g t h e p r o b l e mo f c r a c ki nt h ec o n c r e t cw a l lh a sa l w a y sd r o w n t h ea t t e n t i o no f e n g i n e e r s a n db e e nd i f f i c u l tt ob es o l v e d i ti s l 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 di t s t o u g h n e s s t h et e c h n o l o g yu s i n gs y n t h e t i cf i b e ri nc o n c r e t eb e g a na t 19 7 0 s i n r e c e n ty 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 e w i d e l yb e c a u s ei t sr e m a r k a b l em e r i t a c c o r d i n gt ot h ec r a c kc a u t i o no f c 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 e w a l lw h i c hr e i n f o t e e st h es t o n e d a m s t h i s p a p e r t a k e st h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o no ft h ew a l la n dt h es t a n d a r do f c o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r ei n t oa c c o u n t a n d c a r r yt h o u g hs y s t e m a t i cs t u d yo n t h eb a s i so f s 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 r b r i n g sf o r w a r d t h e c h e c k i n gm 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 t h e s h o r t c o m i n go f t h ec a l c u l a t i o n a lm e t h o d so fs t r u c t u r a ls t r e s si na c t i v ec r i t e r i o ni s d i s g u s t e d h o wt ou s ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dt oa n a l y s i st h es t r u c t u r es t r e s so f s t o n e d a m si si l i u m i n a t e d a c c o r d i n gt ot h ec h e c k i n gr e s u ha n dt h es u r r o u n d i n g s o 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 ep o l y p r o p y l e n er i d e r c o n c r e t ew a l la n dt h eg r a d eo f r 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 sd i s g u s t e di n t 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 l s t r u c t u r e o nt h eb a s i so ft h ee x i s t e n tc a l c u l a t i n gt h e o r yo f t e m p e r a t u r es t r e s s ， m i sp a d e rb r i n g sf o r w a r das a m p l em e t h o do fh o w t oc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r e s t r e s so ft h ec o n c r e t ew a l l i n c l u d i n gt h ee a l c u l a t i o no ft h es t r e s so fh e a to f h y d r a t i o na n d t h es t r e s so f u n i f o r m c o o l i n g 【k e yw o r d s 】s t o n e d a m ；p r e v e n t i n gl e a k a g e c o n c r e t e w a l l ；r e s i s t i n g s l i d e s t a b i l i t y ；s t r e s sd i s t r i b u t i n g ；m e l i o r a t e dp o l y p r o p y l e n e f i b e r 4 山东大掌硕士掌位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 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 世纪术建成的各类砌 石坝总数为2 6 8 4 座，其中5 0 一7 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“3 。因此，早 期建成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、渗漏等现象，对这 些大坝进行检测加固是十分必要的。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，进步保证大坝 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) 形成内外温差，从而产生温度应力。由 于混凝土在初凝阶段强度较低，当温度应力超过一定数值时，就会在混凝土 表面产生温度裂缝。二、混凝士冷却收缩时，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藿的贯穿性裂缝。叫儿盯为 防止混凝出现表面裂缝，一些工程在混凝土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土中的应用越来越得到重视和推广，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 山东大掌硬- ：t ：r 掌位论文 丽利于规模化推广。研究结果表明，聚丙烯纤维的加入可提高混凝土的抗裂 纹强度，可以防止或阻止水泥固化过程中裂缝的形成和发展，从而防止混凝 土中钢筋的锈蚀，延长混凝土的使用寿命。且掺加聚丙烯纤维的混凝土可泵 性好、坍落度损失小，混凝土表面光滑平整。“3 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 2 国内外研究现状 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狄、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。h 3 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。在国际材料与结构实验 室联合会1 9 7 5 年论文集冲3 上，对有关聚丙烯纤维混凝土的各项性能、计算 方法、施工技术等均有较全面的论述。但对聚丙烯纤维提高混凝土各项技术 性能指标仅有只言片语的探讨。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 1b r e b e s h 、d u r a f i b r e 、欧共体的e u r o f l b r e 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。目前已在世界上6 0 多个国家和地区得到应 用。产品己打入我国市场，在我国西部的一些高速公路上应用较多。近年来， 工业发达国家如美国、加拿大、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工程n3 。如美国n e c o n 公司的尼龙纤维已有2 0 年的历史。美国希尔兄弟的杜拉纤维已打入我国市 场，先后用于路面、桥面的修补及大面积薄构件的防裂等。 我国于1 9 9 2 年开始，由原中国纺织大学( 现东华大学) 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。东华大学对改性聚丙烯纤维的研究较为深入，已研 6 山东大学硕士掌位论文 究出异形截面纤维、表面活性纤维，目前证在研制第四代纤维，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 一6 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。2 0 0 0 年9 1 2 月，经国家有关部 门批准立项，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1 1 万1 t 1 3 ，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哺1 。告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丌始的。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 用纤维混凝士完成了渠道防渗、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：掺入改性能够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 一2 0 ，能有效地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口1 。 聚丙烯纤维是出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。掺加在混凝土中的改性聚丙烯纤维长度一般为1 2 1 9 m m ，直 径几十um ，根据国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 1 0 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。由于聚丙烯混凝土能减少裂缝，并使裂缝 7 山东大学硕士掌位论文 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“1 1 乱均报道了聚丙烯纤维混凝土能显著减少侵蚀性环 境对钢筋的锈蚀作用。 ( 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。 ( 4 ) 加入聚丙烯纤维，虽然不能提高混凝土的静力强度，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施工和常规混凝土基本相同，但聚丙烯混凝 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。 聚丙烯混凝土最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，如房建中的地坪、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。 目前，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 3u 或4 8u ，可根据 使用要求制成各种直径和长度，在混凝土中具有较好的分散性，并能与混凝 土牢固结合，经国家建材测试中心测试，试样的裂缝减少率在7 0 左右。由 东华大学研制、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 1 “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1 ，据介绍，在混凝土中掺加体积的o 1 ，可以提高抗裂能力1 0 0 以 山东大掌硕士学位论文 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。 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。“叫 近年来，国内外学者对改性聚丙烯混凝土的韧性进行了试验研究 1 7 - 1 9 3 ， 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。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聚丙烯纤维混凝士防渗板墙的设计、施工和相应的温 控标准，在前人研究的基础上进行系统的研究。研究内容主要包括以下三方 面： ( 1 ) 结合工程实例，根据现有的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。分析现行规范中浆砌石坝结构应力计 算方法的缺点和不足。提出用有限元法对加固前后的坝体进行应力分析。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 根据现有的温度应力计算理论提出简单易行的防渗板墙的温度应 力分析计算公式，包括水化热温度应力计算和均匀冷却时的温度应力计算。 9 山东大掌硕士掌位论文 第二章聚丙烯纤维混凝土的改良性能及防水机理 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土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：叫叼 材料聚丙烯耐酸碱性 极高 相对密度 o 9 1 安全性无毒材料 熔点 1 6 5 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n 门 一、基本荷载 i 、坝体及坝体上永久设备的自重； 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 游面静水压力取其相应的不利水位计算。 3 、相应于正常蓄水位或设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 、相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。 二、特殊荷载 1 、校核洪水位的静水压力； 2 、相应于校核洪水位时的扬压力； 3 、相应于校核洪水位时的动水压力； 4 、地震荷载； 5 、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 山东大学硕士掌位论文 1 、静水压力 p = 圭加2 式中：y 一水容重，1 0 k n m 3 ； h 一水位高度，1 7 1 。 2 、冰压力3 1 1 根据地方的水文图集，如山东省水文图集查得砌石坝所在地区的最 大冰厚，按表3 1 选取作用在单位长度坝体上最大的静冰压力值( 1 0 4 1 q m ) 。 冰层膨胀压力的合力作用点位于冰层表面以下约o 3 d b ( d b 为计算冰厚， i n ) 。 表3 1 静冰压力表 冰厚( m ) 0 4 0 0 4 o 80 8 1 - 2 i 静冰压力( 1 0 4 n m ) 1 01 0 3 03 0 3 5 3 、泥沙压力 根据浆砌石坝设计规范，泥沙压力按下式计算： 驴华留( 4 5 。争 y 。= y 1 - ( 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： 伊。一泥沙的内摩擦角。 4 、浪压力口1 3 ( 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 m s ，吹程1 1 3 k i n ) ： 山东大掌硕士掌位论文 2 h l = 0 0 1 6 6 0 “d y , 2 1 l = 1 0 4 ( 2 h 1 ) o 8 式中：u 一计算风速，m s ： d 计算吹程，即出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 倍时取计算 吹程d ，否则取5 倍的水库宽度； 2 h 一浪高，m ； 2 1 ，一波长，m 。 ( 2 ) 浪压力计算 具体的浪压力计算分两种情况。 第一种情况：坝前水深h i 满足h i j h l 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= ，坠等业一扣 曼苎查竺! 烹竺苎芝盎 5 、坝底碾扬压力计算3 在此只讨论伟用在实体浆砌石坝坝基面韵扬压力计算时撤据坝基地质 荣 牛、防永帷幕和排承静布置情况分别选用期霄3 , 3 所示静压力圈形。 、 ；! i 一 一； 。jj ： ， ： ；? l l r l 一l 一 c 锄 图3 3 ) 坝基设有防渗帷幂和排水孔时，在坝躐处的扬压力为h l ( 上游水深) ， 捧糸孔缱上为蜴+ o h h 势上下镦承位差) ，坝蛲妊为遵( 下游水深) 。 其蝴姆| ：王室线连接。如匿3 3 ( 8 ) 爵承。口筐可撮据埂基，整质 i 孥况，湃米攫 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，梁进行专门韵研究谗证 i l ；i 喃定遁鸯的数值， 国埂基设弯辨渗攮幕露毒设雄拳魏时，在辗躜链的撩压力为珏l ，糖幕 中心线上为h i + i h 。现址处为，期徊以赢线连接，如图3 ，3 ( b ) 所示。 n 1 宜采用0 5 哪7 壤蒸地震条粹良好，来竣辚渗镶幕，、艇设有撵水孔对，在援踵赴盼弱 l l j 一 一 一一一一 j三一j | 一 r 一一 山东大掌硕士掌位论文 压力为h l ，排水孔线上为h 2 + o2 h ，坝址处为h 2 ，期间均以直线连接，如 图3 3 ( c ) 所示。o2 宜采用o 3 o 4 5 。 坝基未设防渗帷幕和排水孔时，在坝踵处为h j ，坝址处为h 2 ，其问 以直线连接。如图3 3 ( d ) 所示。 6 、坝体自重 g = y “v 谜+ y vn 式中：yt r 一混凝土心墙容重； v * 混凝土心墙体积； ra 一浆砌石容重： v “浆砌石体积。 7 、动水压力跚 溢流坝反弧段上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= 盟v ( c o s 他一c o s 朔) g 垂直分力：0 一q _ z 。v ( s i n 仍+ s m 仍) 式中：( 广一反弧段上的单宽流量，m 3 s m ； y 一水的容重，k n m 3 ； g 一重力加速度，m s 2 ； v 一反弧段上的平均流速，r i g s ： 仍、仍一反弧段的夹角。 8 、地震荷载制”3 地震对建筑物的影响程度，是根据地震在该处所表现的功率而定，常 用地震烈度表示。抗震设计中经常采用基本烈度和设计烈度两个概念。当大 坝所在区域的地震烈度超过7 度时，就必须考虑地震荷载。水工建筑物抗震 计算所要考虑的荷载包括：由建筑物自重及建筑物上荷重产生的地震惯性 力、地震引起的动水压力和动土压力。 ( 1 ) 砌石重力坝水平向总地震惯性力的计算 山柬大掌硪士掌位 g e 文 鼻= k c z f w 式中k u 一水平向地震系数，为地面水平最大加速度的统计平均值与 重力加速度的比值； f 一地震惯性系数： c z _ 一综合影响系数，取1 4 ； w 一产生地震惯性力的建筑物的重量。 ( 2 ) 地震动水压力 地震时由于坝体的振动引起库水的激荡，在坝面产生附加的地震动水压 力。我国水工抗震设计规范中考虑了坝体弹性振动变形的影响，采用似静力 法进行计算地震动水压力。 上游坝面铅直时，单位宽度上的总地震水平动水压力为： 咒= q 6 5 k h c z y o h ： 其合力的作用点的高度自水面算起为0 5 4 h ，。地震动水压力沿坝高的压 强分布按下式计算： p = k h c z fp y o h t 式中p 。，一水深y 处地震动水压力强度： f ，一水深y 处动水压力分布系数，其它符号同前； h ，一静水深度。 对于倾斜的迎水面，计算地震动水压力应乘以折减系数c 。 c o = 臼1 9 0 式中。一坝面与水平线的夹角。 ( 3 ) 地震动土压力水平向地震作用下的总士压力醪按下式计算： e ：= ( 1 k c z c o 培) e 式中e 。一静土压力； 巾一土的内摩擦角； c ，一地震动土压力系数。 3 2 3 荷载组合吲 2 l 山东犬掌硕士掌位论文 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一种或几种特殊荷载组成。 一、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，可以考虑设计洪 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。 二、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 ) 旅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 在砌石坝上游面浇注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。因此，在进行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下几种： ( 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。为抗滑稳定系 山东大掌硕士掌位论文 数的确定提供依据。 ( 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 ) 物探物探较常使用的有两种手段，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。另一种多道瞬念面波，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。 ( 4 ) 调洪计算根据水库的实际情况确定洪水标准，然后进行调洪计 算，确定库区的设计洪水位和校核洪水位。一方面检验现存砌石坝是否满足 洪水标准的要求，另一方面为大坝的抗滑稳定计算和结构应力计算提供相应 的数据。 3 3 2 砌石坝的抗滑稳定计算 砌石重力坝可能失去稳定的方式有下列几种： ( 1 ) 在库水压力作用下发生滑动； ( 2 ) 由于不平衡作用力矩而倾覆： ( 3 ) 由于扬压力的作用而浮起。 设计时往往要求坝底面的垂直f 应力保持压应力，实际上也就排除了坝 体浮起或倾覆的可能。因此，砌石重力坝失去稳定的主要形式是在外荷作用 下产生滑动。 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y w 小号哥 式中：k 一抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数； f 一坝基接触面的抗剪摩擦系数； y 矽一作用在坝体上的全部荷载对滑动平面的法向力分僵； y 尸一作用在坝体上的全部荷载对滑动平面的切向力分值。 山东大掌硕士学位- k e 文 ( 2 ) 抗剪断强度公式抗滑稳定安全系数按下式计算： 肚学 式中f 滑动面上的抗剪断摩擦系数； c 7 一滑动面上的抗剪断凝聚力； a 一滑动面截面积： 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 3 3 3 1 坝体应力计算的材料力学法口们 重力坝应力计算的方法很多，目前常用的是材料力学法。材料力学法 ( 又称重力分析法) 至今被认为是一种简单可行的基本计算方法。该方 法的基本假定是，坝体水平截面上的垂直正应力o ，呈直线分布，即0 ，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面 的。，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l 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面。 第一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： 旷学+ 字 下游面的垂直f 应力为： ，一w 6 m 2 等一专 式中：盯。一上游坝面处的正应力： 山东大掌硪士掌位论文 c r y d 一下游坝面处的f 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； b 一计算截面的长度。 垂直正应力的符号以压应力为正。在同一水平截面上，离下游面x 处的o ，为： 旷盯州+ b ，一仃川) 手 ( 1 ) 剪应力一的计算 f 。= ( p u o - v u ) 1 1 钆= ( 仃y d - p d ) m 式中：p u 一上游面水压力强度； n 一上游坝坡坡率： p d 一下游面水压力强度； m 一下游坝坡坡率。 截面上f = a l + b l x + c l x 2 式中：a l = r d 卟吉c 譬砌。撕。， 铲古c 譬衙。拙。， ( 3 ) 水平正应力0 。的计算 上游坝面的水平应力为： 盯。= p u t u n 山东大掌硕士掌位论文 下游面的水平币应力为： 盯x d = p d + m 截面内水平正应力的计算： 根据推导截面内o ；为三次曲线，但实践证明o 、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： o - ，= a ，+ b 2 x 式中 口2 = 盯耐 6 = ! 型二! 型 ( i ) 主应力按下式计算 盯= ! 学丢厄j ：再万 主应力的方向用第一主应力与铅直线的兴角来表示： = 三叫一去j 3 3 3 2 砌石坝结构应力计算的有限元法 虽然材料力学法由于计算简单而得到较为广泛的应用，但是存在自身 的缺陷。材料力学法的基本假定是正应力o ，呈直线分布。根据用比较精 确的理论和试验研究的成果，可以得出以下结果：在均匀的、整体筑的重 力坝的上部( 约占全高的2 3 ) ，o ，的分布接近于直线变化，用材料力学 法得出结果也接近用其他更精确的方法求出豹结果。而在坝体的下部，o ，的非线性分布影响较为显著，这种影响称为“基础约束影n l 自”。 浆砌石重力坝大多设计有混凝土防渗心墙或混凝土防渗面板或其它 材料的防渗层，所以并不是均质的。这与用材料力学法进行坝体应力计算 的应用条件不符。所以尽管我国的现行规范允许采用材料力学法进行砌石 坝的应力计算，但结果与实际不符。尽管在浆砌石坝设计规范s l2 5 2 9 中同时也提供了另外一种方法即“考虑坝体分层异弹模特性，按折算断面 转化为均质体计算”但计算较为繁琐。 山东夫掌礓士掌位论文 有限单元法是在高速电子计算机的应用同益普及，数字分析在j e 程中 的作用同益增长的背景下发展起来的。有限元的实质是把具有无限个自由 度的连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适 合于数值解法的结构型问题。有限元法具有很强的适用性，应用范围极为 广泛。能够成功的处理如应力分析中的非均质材料、各向异性材料、非线 性应力应变关系以及复杂边界条件等难题。 由于砌石坝沿其长度方向尺寸基本均匀，所以用有限元法对砌石坝进 行应力应变分析时，可取砌石坝的一个典型截面束进行平面应变问题分 析。同时为更好的模拟实际情况，在用a n s y s 对坝体进行分析时，要取 足够大的坝基来支撑坝体。以下举实例说明砌石坝的抗滑稳定和结构应力 的复核计算。 3 4 工程实例黑龙潭水库砌石坝抗滑稳定和结构应力复 核 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。 奈河是泰山前城区内重要的排洪河道。它起源于泰山的南天门，总流域面 积1 9 7 5 k m 2 ，全长1 3 9 7 k m ：其中龙潭水库以上流域面积1 0 ，8 2 k m 2 ，河长 6 4 8 k m ，千流平均比降o 1 2 3 2 。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 2 3 m ，出中部溢流坝段和两侧非 溢流坝段组成。其中，溢流坝段长5 6 m ，坝顶高程2 6 2 m