（水利工程专业论文）江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨.pdf

摘要 洞庭湖是全国洪灾最严重的地区 澧水突发性的大洪水与长江洪水在这一地区遭遇 经常形成毁灭性的洪灾 造成大量人员伤亡和财产损失 为了加速澧水治理和缓解洞庭湖 的洪灾 水利部和湖南省联合组建澧水公司 合资兴建澧水上第一个防洪控制工程江垭水 库 江垭大坝坝商1 3 1 m 是目前世界上已建成的最高的全断面碾压混凝土坝 江垭工程 在规划 设计 旌工 工程管理和营运机制等方面积累了一些建设经验 本文就是通过总 结 学习和再提高过程编写而成 本文可供类似工程参考 江垭水利枢纽大坝为全断面碾压混凝土 混凝土总量1 3 4 万脚 是目前世界上已建 和再建最高的碾压混凝土 r c c 大坝之一 坝体部分为三级配碾压混凝土 防渗部分为 二级配碾压混凝土 经坝体钻孔取心和压水试验混凝土质量良好 最长心样长为6 6 7 m 江垭大坝部分r c c 施工 将铺筑层由水平改成1 2 0 1 1 0 的缓坡进行斜层平推 铺筑 江垭大坝采用这种施工工艺浇筑的r c c 累计达到4 3 8 4 万m 3 占坝体r c c 总量的 5 1 3 钻心取样及压水试验成果表明 斜层平推铺筑法的施工质量总体上明显优于水平 层铺筑法 斜层平推铺筑法还大幅度提高了r c c 施工设备的综合效率 降低了设备配置 容量的要求 降低了生产成本 关键词 碾压混凝土 材料力学法 斜层平推铺筑法 a b s t r a c t t h ed o n g t i n gl a k ei sar e g i o nt h a th a st h em o s ts e r i o u sf l o o dd i s a s t e ri nt h e w h o l ec o u n t r y t h el a r g es u d d e nf l o o do fl i s h u ir i v e ra n dt h ef l o o do fy a n g t z e r i v e rm e e ti nt h er e g i o na n do f t e np r o d u c ed e v a s t a t i n gf l o o dt h a tc a u s eg r e a t l o s s e so fh u m a na n dp r o p e r t i e s i no r d e rt os p e e du pt h eh a r n e s s i n go ft h el i s h u i r i v e rb a s i na n dt oa l l e v i a t et h ef l o o dd i s a s t e ri nd o n g t i n m gl a k er e g i o n t h e m i n i s t r yo fw a t e rr e s o u c e sa n dh u n a np r o v i n c ej o i n t l ye s t a b l i s h e dt h el i s h u i r i v e rw a t e rr e s o u c e sa n dh y d r o p o w e rd e v e l o p m e n tc o m p a n yt oc o n s t r u c tt h e j i a n g y ar e s e r v o i r t h ef i r s tf l o o dc o n t r o lp r o i e c ti nt h el i s h u ir i v e r t h ej i a n g y a d a m w i t ht h ed a mh e i g h to f1 3 1 m i st h eh i g h e s tc o m p l e t e dr c cd a mi nt h e w o r l d 1 1 l ej i a n g y aw r a t e rc o n t r o lp r o j e c th a sal o to fs u c c e s s f u le x p e r i e n c ei ni t s p l a n n i n g d e s i g n c o n s t r u c t i o n p r o j e c tm a n a g e m e n t a n do p e r a t i o n s y s t e m w h i c h c o u l db eu s e da sar e f e r e n c ef o rt h es i m i l a rp r o j e c t t h ed a mf o rj i a n g y aw a t e rc o n t r o lp r o j e c ti saf u l l f a c er c cd a m w i t ht h e d a mh e i g h to f1 3 1 ma n dt h et o t a lc o n c r e t ev o l u m eo f1 3 4m i l l i o mm 3 i ti st h e h i g h e s tc o m p l e t e dr c cd a m i nt h ew o r l da tp r e s e n t t h ep a r to fd a mb o d yi sm a d e b yt h i r d g r a d er c ca n dt h ep a r to fs e e p a g ec o n t r o li sm a d eb ys e c o n d g r a d e r c c t h ec o r es a m p l ea n dt h ew a t e rp r e s s u r et e s ts h o w e dt h a tt h eq u a l i t yo fr c c i sg o o d t h el o n g e s ts a m p l ei s6 6 7 m t h ei n c l i n e dr c cs p r e a d i n gm e t h o di st os p r e a dr c cb y c h a n g i n gt h e s p r e a d i n gl a y e rf r o mh o r i z o n t a ll a y e rt oas l o p eo f1 2 0 1 1 0 i nj i a n g y ad a m t h e v o l u m eo fr c c p o u r e db ya d o p t i n gs u c ht e c h n i q u ee r a c h e s4 3 8 4 0 0c u b i cm e t e ri n t o t a l a c c o u n t i n gf o r5 1 3 o ft h et o t a lc o n c r e t ev o l u m eo fd a mb o d y t h ec o r e b o r i n ga n dw a t e rp r e s s u r et e s ts h o w e dt h a tt h eq u a l i t yo fr c cb ya d o p t i n g i n c l i n e dc o n c r e t es p r e a d i n gm e t h o di so b v i o u s l yb e t t e rt h a nt h a tb yh o r i z o n t a l c o n c r e t es p r e a d i n gm e t h o d t h ei n c l i n e dc o n c r e t e s p r e a d i n gm e t h o da l s og r e a t l y i n c r e a s e st h ec o m p r e h e n s i v ee f f i c i e n c yo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ya n dd e c r e a s e s t h er e q u i r e m e n t so fe q u i p m e n tc a p a c i t ys ot h a ti tl o w e r st h ep r o d u c t i o nc o s t k e yw o r d s r o ii e rc o m p a c t e dc o n c r e t e m a t e r i a i m e o h a n i c sm e t h o d n ci in e dc o n c r e t e s p r e a din gm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的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了谢意 论文作者签名 裸港日期 五砷辱6 灼瑚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河海大学有关保留使用学位论文的规定 即 学校有权保留 送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 粱灌 日期 叼夸6 舟 目 河海大学工程硕士论文 江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨 第一章绪论 1 1 碾压混凝土筑坝技术概况 碾压混凝土起源于3 0 年代的干贫混凝土 7 0 年代进入世界性的科学实验阶段 我国 于8 0 年代初开始研究 并于1 9 8 6 年建成第一座碾压混凝土重力坝 福建省坑口大坝 随着深入的试验研究 原材料 施工机具 旌工工艺的改进 先进的设计理论和广泛的工 程实践 促使碾压混凝土筑坝技术不断提高 日趋完善 高掺粉煤灰等外掺料和优质复合 型外加剂 优化混凝土配合比 调整骨料石粉含量和v c 值的控制范围 不断改进和提高 碾压混凝土拌和 运输 摊铺 碾压及缝面处理等施工技术 研究并提出变态混凝土 斜 坡碾压 诱导缝施工 模板技术等新工艺 以及高温 高寒地区施工技术的应用等 表明 我国碾压混凝土筑坝技术已达到世界先进水平 多项指标已达到国际领先水平 从拱坝体 型上看 拱坝由厚拱 中厚拱发展到薄拱坝 1 9 9 3 年建成坝高7 5m 的普定大坝 为当时 世界最高的碾压混凝土重力拱坝 1 9 9 6 年建成的厚高比仅o 1 9 的福建溪柄溪拱坝 为世 界上第一座碾压混凝土薄拱坝 2 0 0 1 年建成目前世界上最高的沙牌碾压混凝土重力拱坝 坝高1 3 2m 和厚高比o 1 7 坝高8 0 m 的龙首碾压混凝土双曲拱坝 目前正在建设世界最 高碾压混凝土重力坝龙滩大坝 坝高2 1 6 5m 一期坝高1 9 6m 三峡三期上游碾压混凝土 重力式围堰高1 2 1 m 4 个月完工总方量1 1 0 万m 3 其月 日最高强度分别达到4 7 5 万 m 3 2 1 万m 3 均居世界首位 我国已建 在建的碾压混凝土大坝8 4 座 围堰1 9 座 采用碾压混凝土筑坝 是将土石坝的施工方法用于混凝土坝的一种新的筑坝技术 是 利用振动碾强力振动和碾压的共同作用 将贫配合比干硬性混凝土压实的一种新的混凝土 施工方法 它既具有土石坝大规模机械化快速 连续施工的优越性 又保持了混凝土坝体 积小 安全可靠 经济合理的优点 同传统的常态混凝土筑坝相比 碾压混凝土筑坝具有 水泥用量少 水化热温升低 温控措施简单 施工速度快 施工设备通用性强 工程造价 低等优点 采用碾压混凝土筑坝成为当今最具竞争力的一种新的筑坝技术 有着广阔的推 广应用前景 1 2 碾压混凝土筑坝技术的发展与趋势 中国碾压混凝土坝分布比较广 从严寒的北方到亚热带地区都建有碾压混凝土坝 取得了丰富的经验 其技术开发与发展趋势有以下几个方面 1 坝越筑越高 已建超过l o o m 高的坝有3 座 初期建设的高碾压混凝土坝只是部分 采用碾压混凝士 江垭重力坝为全碾压式 坝高1 3 1 m 在建超过1 0 0m 高的坝有5 座 正在设计准备开工的有8 座 其中龙滩一期工程坝高1 9 2 m 将是世界上最高的碾压混凝 土重力坝 2 碾压混凝士量占坝体比重越来越大 已建成的观音阁重力坝历时3 年多 碾压混凝 土达1 2 4 万m 3 占总体积6 2 9 江垭重力坝碾压混凝土体积为7 5 6h m 3 占坝体混凝 土总量6 7 设计中的龙滩坝碾压混凝土3 3 9 万m 3 占总量6 3 7 百色坝碾压混凝土 2 1 4 5 月m 3 占总量7 2 3 坝型由重力坝发展到拱坝 贵州高7 5 m 的普定拱坝采用了倒悬 诱导缝及变态混 凝土等一系列新技术 同时 河北省温泉堡坝是在较宽u 型河谷上修建拱坝 取得了成功 在福建溪柄溪薄拱坝上初次试用了应力释放的短缝 这些技术的发展 促进3 座超过1 0 0 m 高的沙牌 石门子和蔺河口拱坝的修建 4 高掺粉煤灰 少用水泥 高掺粉煤灰可减少水化热 缩小温差 防止裂缝 如石漫 滩重力坝水泥用量5 3k g m 3 汾河 库坝最低的水泥用量5 7 k g m 3 设计中的百色坝最 低水泥的用量仅为5 0 蝇 m 3 根据多年研究结果 粉煤灰的掺量可以达到2 3 使用粉 河海大学工程硕士论文 江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨 煤灰有困难的地区 可用矿渣和磷灰岩磨细作为掺和料 已在大朝山碾压混凝土坝成功采 用 我国还在碾压混凝土拌和时掺用1 7 的岩粉 取得成功经验 5 碾压混凝土配合比建立了数据库 由于有4 0 多座坝的实践和大量的室内外试验成 果 已经有条件建立碾压混凝土配合比数据库 可以在具体工程条件下 预选比较合适的 配合比 仅用少量的室内试验 即可取得合适的配比 大大减少试验工作量和时间 6 掺用外加剂 采用外加剂可以提高碾压混凝土的性能和耐久性 尤以复合外加剂最 为有效 并已在普定 大朝山 棉花滩等工程应用 尽量减少常态混凝土 由于常态混凝土与碾压混凝土施工工艺不同 施工时常互相 干扰 在材料制备 结构分缝 温控等方面也不相同 增加了出现裂缝的可能性 目前在 设计中尽量减少使用常态混凝土 如垫层尽量减薄 并迅速覆盖碾压混凝土 大朝山重力 坝索性取消了垫层常态混凝土 8 采用变态混凝土 1 9 9 0 年变态混凝土 又称改性混凝土 先后在荣地和普定碾压混凝 土坝应用于坝上游面或止水片预埋件附近 主要是在靠近上游面模板处 由于小振动碾难 于紧靠模板碾压 为保证2 0 3 0 c m 厚的碾压混凝土脱膜后表面光滑 无蜂窝麻面 用容 器将水 水泥 粉煤灰浆倒入事先挖好的槽内 加入量控制在体积的6 1 0 并控制 v c 值 然后用插入式振捣器捣实 这样可以减少施工困难 并适当增强抗渗性 碾压混 凝土坝与两岸坝肩连接处 电梯井 通气孔 廊道连结部位 过去都用常态混凝土 现都 可改用变态混凝土 p 1 研制适合中国国情的施工设备 由于进口设备价格过高 多年来我们研制了一批适 合中国国情的施工设备 如水平连续拌和机在沙牌坝试用 深槽皮带运输机在石漫滩坝试 用 并已完成b w 型震动碾的试制 其中最有特色的是垂直运输用的负压溜槽 其高度在 江垭为7 2 m 沙牌为6 7 5 m 大朝山为8 6 6 m 应用效果良好 1 0 进行了大量的分缝研究工作 根据我国各种不同气候条件 从早期的不分缝到后 期的拱坝分缝 采用的间距和结构有很大改进 从结构上看大体有三类 机械切缝 如 用于铜街子 观音阁 江垭 大朝山等工程分缝 正常分仓工作缝 如桃林口 汾河二 库坝 诱导缝 又分三种 一种用间隔打孔削弱断面 如天生桥二级 石漫滩等工程 第二种是用涂沥青木板间隔 如岩滩工程 第三种是专门为拱坝设计采用的 预制混凝土 模板设有灌浆系统 沙牌坝还专门研究采用重复灌浆系统 1 1 层面处理措施 在碾压混凝土坝中 特别是高坝 层面处理不仅影响到坝身的整 体强度 也影响到防渗效果 层面抗剪强度过低甚至会影响到大坝安全 为提高层面间的 连接性 已在普定 江垭 汾河二库坝工程中采用了不少措施 经钻取的心样证明效果很 好 n 2 排水孔设计 施工 钻孔取心探索了新的途径 排水孔是降低坝体扬压力的重要 结构 施工时 曾用过刚性管道 无沙混凝土管 塑料短管填沙拔管和其他办法造孔 但 经碾压后 一般都会出现变形 错位 很难贯通 为了检验碾压混凝土坝质量 需钻孔取 心 因此可以结合留孔作排水用 但钻孔技术要求较高 特别是高坝 保持垂直到位通往 廊道工艺比较严格 有时也难以做到 需作进一步探索 石漫滩大坝不高 用钻孔的办法 简单可靠 白石工程已经研制出制孔钢模 直径为1 0 0 咖 可以径向收缩 免除了拔管困 难 使用效果很好 f 1 3 1 采用斜层平推铺筑法 江垭工程施工初期 由于仓面过大 拌和楼容量不足 以 致使用一般通仓薄层铺筑法难以保证在下层初凝前完全铺盖上层进行碾压 因而提出了斜 层平推铺筑法 这种斜坡为1 1 0 1 2 0 如果倾向上游 会增加抗剪强度 自无疑议 但是若平行坝轴线向前推进 对斜层坡脚的处理必须十分慎重 要求在碾眍过程中防止大 骨料分离滚下 再是每个条带的底部必须错月 防止形成一条自上游全下游的通道 这种 施工方法可以缩短覆盖时间 提高上升速度 防止预冷混凝土吸热过快 也相应降低了造 2 河海大学工程硕士论文江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨 价 虽然斜层平推铺筑法的心样获得率和抗剪强度都略优于通仓薄层铺筑 但压水试验成 果斜层平推铺筑法与通仓薄层铺筑法相接近 因此结论应在江垭水库蓄水后 检验廊道内 及下游面渗透情况才能得出 碾压混凝土拱坝由于仓面不大 方量有限 没有采用斜层平 推铺筑法的必要 而且底宽不大 若是一次倾斜 则尾部的接缝必然贯穿全断面 成为一 个弱点 1 4 1 关于下游面采用阶梯消能问题 1 9 9 4 年水东坝用预制混凝土模板形成阶梯消能 后 洪水单宽流量达9 0m 3 s 坝面并无损坏 在百龙滩坝也应用了阶梯消能 随后大朝 山和设计中的百色碾压混凝土重力坝下游面也拟采用阶梯 水工试验证明 过去担心的阶 梯上能否通气防止负压的问题可能解决 因为在采用宽尾墩情况下 水流集中于中部 两 边易于通气 不致产生较大负压 1 3 筑坝技术的重大进展 1 采用坝体自身作防渗体 江垭碾压混凝土重力坝上游部位采用二级配富胶凝材料碾压混凝土作为坝体本身的 防渗体 并在其上游侧3 0c n l 范围内 喷洒6 1 0 的水泥粉煤灰净浆 以形成变态混 凝土 用插入式振捣器振捣 确保其防渗性和外表保护层的密实平整 从防渗的可靠性而 言 这相对于其它任何外敷防渗层的措施 都是一个重要的进展 从而可以实现全断面薄 层碾压 连续升程 2 开发斜层平推铺筑新工艺 在江垭碾压混凝土重力坝的碾压混凝土施工中 开发采用了斜层平推铺筑法 其要点 是 沿着垂直于仓面短边的方向 从仓面的一端以1 1 0 一0 的斜坡和碾压层的厚度 逐 层摊铺碾压 一直上升到本次升程高度 平推至仓面的另一端 其优点是 将大仓面施工转化为小仓面作业 缩短层问 日j 隔时间 确保层间结合质量 以较小的浇筑能力配置 进行大仓面施工 实现大面积连续浇筑 减少影响质量的入仓口数量和模板工程量 采用斜层平推 铺筑法进行碾压混凝土施工 既可确保施工质量 又可加快施工速度 是 种经济 高效 的施工工艺 1 4 主要研究内容 深入研究如何进一步发挥碾压混凝土筑坝技术的特点和优势具有重要的意义 在设计中 研究以三级配变态混凝土作坝体上游的防渗体 研究不同品质粉煤灰及其 他掺和料掺量对碾压混凝土性能的影响以及迸一步增大掺量的可能性 充分利用碾压混凝 土后期强度 如3 6 0d 或更长龄期作为设计强度指标 研究碾压混凝土拱坝分缝少 整体 性好 利于发挥拱坝受力作用的特点 在地质 地形条件较好时优先选用拱坝方案的可行 性 研究对中 低碾压混凝土坝简化温控标准和措施 采用全断面通仓铺筑连续上升 分 数次浇筑完成的方案 在施工中 研究灰岩 花岗岩 辉绿岩等不同骨料的特性 及其与水泥 外加剂 掺 和料的组合配合性能 在极端恶劣气温条件下的施工方法 尤其对低温地区负温状态下的 施工措施 进一步研究变态混凝土的砂浆掺量及施工工艺 推广使用连续式搅拌站生产三 级配碾压混凝土等 通过试验研究和工程实践 不断创新 保持我国碾压混凝土筑坝技术 的领先地位 3 河海大学工程硕士论文 江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨 第二章碾压混凝土坝设计施工的理论 2 1碾压混凝土重力坝的应力分析方法 碾压混凝土重力坝的应力分析采用普通混凝土重力坝的应力分析方法 可以归纳为 理论计算和模型试验两大类 它们彼此补充 相互验证 同时也都要受到原型观测成果的 检验 理论计算方法主要有 材料力学法 又称重力分析法 是目前广为应用的一种方 法 弹性理论数学解析法 只有少数边界条件简单的结构才有解答 数值解法 有有 限差分法和有限单元法 过去常用差分法 2 0 世纪6 0 年代以来 有限单元法迅速发展 此法适用范围广 计算功能强 精度也较高 结构模型试验方法主要有 光测法 主要 解决弹性应力问题 脆性材料电测法 除能进行弹性应力分析外 还能进行破坏试验 由于模型试验费工费时 对于一般平面问题以及中 小型工程 可只进行理论计算 对于 重要工程或地质条件复杂的工程 常用模型试验进行验证 重力坝的应力 一般以材料力 学法进行分析 对于建在地质条件复杂地区的中坝 高坝除用材料力学法计算坝体应力外 尚宜采用有限元法进行计算分析 对于高坝 必要时可采用结构模型 地质力学模型等试 验验证 宽缝重力坝可用材料力学法进行坝体应力分析 对于局部区域如头部附近则可用 有限元法计算 并允许在离上游面较远部位出现不超过坝体混凝土允许的拉应力 空腹重 力坝可用结构力学法 材料力学法和有限元法计算坝体应力 并用模型试验验证所得应力 成果 应没有特别不利的应力分布状态 2 1 1 材料力学法 材料力学法有如下基本假定 坝体材料为均质和各向同性 水平截面上垂直正应 力呈线性分布 坝体横缝不传力 视坝段为固结于地基的悬臂梁 对于实体重力坝 通 常沿坝轴线取单位宽度的坝体作为计算对象 作用在其上的荷载和应力以图2 1 右上角 箭头所示的方向为正 以压为正 下同 箸 算 窆一 弘2 4 河海大学工程硕士论文 江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨 图2 1 坝体荷载 1 水平截面上垂直正应力计算截面上距形心0 为x x 以向上游为正 处的垂 直正应力s y 为 z 形x m q 2 丁 了 2 1 式中 w m 分别为作用在计算截面上的全部荷载 考虑或不考虑扬压力 的垂直分 量总和及对截面形心0 的力矩总和 t 为计算截面沿上下游方向的长度 j 为截面对形心 轴的惯性矩 单宽矩形截面的j 1 l 1 2 2 边缘应力计算重力坝坝体的最大和最小应力 一般均出现在大坝上下游边缘 因此必须核算边缘应力 不考虑杨压力作用时 坝体水平截面上的边缘应力按如下方法推 求 脚标u 和d 分别表示上游和下游边缘 用式 2 1 计算上下游边缘铅直正应力 相 啊 在计算截面的上下游坝面取三角形微分体 见图2 a 按力的平衡条件可求 得边缘剪应力1 矿 d 和水平正剧 om o m 由图2 b 的微分体的力平衡条件可得边缘 主应力o 时 m 显然 坝面上的压强 上 下游坝面分别为p 和p t 也是主应力 即 口一 o p f p 图2 2 坝体边缘应力计算 考虑扬压力时 先求出在扬压力和其他荷载共同作用下的边缘应力o y 和o a 然后 以此代替不考虑扬压力作用时的o 和 订并以p p m p b d p l 丑和 分别为上游和下游 坝面的扬压力强度 代替以上计算中的p 和p i 即可求得有扬压力情况下的边缘应力 图2 3 微分体力系 3 坝内应力计算在坝内取单位厚度的矩形微分体 不考虑扬压力时 微分体上的 5 河海大学工程硕士论文 江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨 作用力系如图2 3 所示 根据平衡条件 x 0 及 y 0 可得力的平衡微分方程为 鲁一言 札 o 2 2 警一鲁 儿 c 2 刊 根据s y 直线分布的假定 可得距下游坝面x 处的s y 为 q 2口 bx 2 4 式 2 2 2 3 中 yc 为材料容重 九为地震惯性力系数 防高度而变 式 2 4 中 a 和b 可由偏心受压公式求得 联解式 2 2 2 3 2 4 可得 2 5 2 5 式中的系数a l b l d 2 可由边界条件和平衡条件求得 从式中可见 水平截面上的剪应力呈二次抛物线分布 水平正应力呈三次曲线分布 但很接近直线 有 时把它近似地取为线性分布 以简化计算 当有扬压力时 可先不计扬压力 算出坝内各点的应力分量 然后迭加扬压力产生的 应力分量 折线分布的扬压力 可分解为沿全截面直线分布和局部三角形分布两部分 见 图2 4 前者引起的坝内应力为 吒2 q 一九i f o 式中 pu x 为距下游坝面x 处的扬压力强度 目前 尚无计算局部三角形分布扬压力所产生的坝内应力的精确方法 一般作如下的 近似处理 先求出在局部扬压力作用厂产生的坝体边缘应力和坝内应力 然后在其作用的 局部截面上对t 和ox 进行修正 将以上两部分扬压力所引起的坝内应力迭加 即可求得折 线分布的扬压力所产生的坝内应力 6 l j xd x x cq x 6h 一 口 弘 吒 河海大学工程硕士论文江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨 图2 4 扬压力分解图 上述计算方法已编有电算程序可资应用 材料力学法不能考虑坝基变形的影响 因而 在离坝底面1 4 i 3 坝高的范围内 计算所得的坝体应力与实际情况有一定出入 但 此法简便 又有长期的使用经验 是重力坝应力分析的基本方法 为各国规范所推荐 对 于地质条件比较简单的中 低坝 可只按此法计算坝体应力 有时还可只计算坝的边缘应 力 2 1 2 有限单元法 可用以处理复杂的边界条件 考虑多种材料的不同特性 模拟复杂的地质条件 并可 以计算弹性 弹塑性以及弹塑粘性问题 重力坝用有限单元法计算应力时 一般可作平面问题处理 大体步骤如下 截取坝 基的计算范围 一般地基深度和坝的上下游地基宽度各取2 5 倍坝高 地基越软弱 其 弹模和坝体弹模相差越大 则采用较大的倍数 并根据具体情况选定边界的支承方式 将计算域离散为有限个单元 最常用的是三角形和等参四边形单元 单元大小要合适 凡 应力较大或应力梯度变化急剧的部位 如坝踵和坝趾附近部位 滑裂面可能通过的部位 单元应划分得小些 距坝底面较远或应力变化不大的部位 单元可划分得大些 选定单 元的位移模式 求出单元刚度矩阵 然后集合成结构的总体刚度矩阵 k 将各单元所 承受的荷载 包括体力 面力和集中荷载 按静力等效原则移置到结点上 集合成荷载列 阵 r 建立以结点位移 d 为未知量的线性方程组f k d r 解方程组得出结 点位移 根据几何方程和物理方程 由己求得的结点位移计算应力 如何考虑库水对坝体和地基的作用 对计算结果有着重要影响 当坝体的渗透系数 比地基小1 0 0 倍以上时 一般可将坝体视作不透水体 渗流仅通过地基 库水以面力的 方式作用在坝面和坝的底面 以体积力的方式作用在坝基 当坝体和坝基的透水性相差不 多而比较透水时 可把两者均作为透水介质 库水以体积力的方式作用于坝体和坝基 当 两者的透水性均很小时 在蓄水初期可把它们均视作不透水介质 这时库水及尾水将以面 力的形式作用在上下游坝面和上下游地基表面上 这是一种不利的工作情况 坝踵附近将 7 掣 河海大学工程硕士论文江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨 出现较大的拉应力 2 2 重力坝的应力控制标准 不同的应力分析方法有不同的应力控制标准 当用材料力学法计算坝体应力时 一 般控制标准为 最大压应力小于材料的容许压应力 计入扬压力时 上游坝面不允许出现 拉应力 中国规范规定 不计扬压力 坝体上游面最小主压应力不小于计算点的静水压强 的1 4 美国垦务局规定 在荷载正常组合的情况下 混凝土层面的上游边缘最小压应 力o f f i ay 拼 凡 k 不计扬压力 式中 a 为计及排水孔的折减系数 设置排水孔a 取 0 4 不设排水孔a 取1 0 为水的容重 h 为计算点的水深 r l 为浇筑层表面的混凝 土的抗拉强度 k 为安全系数 荷载正常组合时 k 取3 0 地震情况和施工期的应力控 制标准可适当降低 当用有限单元法计算时 如何控制应力 尚无统一标准 2 3 地基变形对坝体应力的影响 坝体和地基是相互制约的 在接触面上 两者的变形必须协调一致 地基变形对坝体 应力影响的程度与地基的地质条件 坝的材料性质等有关 地基的变形模量不同 坝底附 近的坝体应力分布也不同 图2 5 给出了满库条件下 坝体和地基的变形模量比 e c er 不同情况下的坝底应力分布 由图2 5 可见 当地基变形模量e r 大 即e c e f 较小时 坝踵易出现拉应力 有限元计算和模型试验均表明 坝基前 指坝踵附近 软 后 指坝趾附近 硬 坝踵应力情况比均质地基为好 前硬后软的地基 坝踵应力情况最 差 已有的计算揭示 高坝的坝踵附近部位的地基和坝体往往存在较大的拉应力区 但当 坝踵附近的地基中出现陡倾角的裂缝后 原有的拉应力即行松弛 而转移到地基深处缝的 末端 且拉应力区的范围和数值都变小 2 4 纵缝和分期施工对坝体应力的影晌 在施工期竖直纵缝灌浆前 各坝块独立工作 坝体自重应力不同于整体浇筑 当上 游坝面有正坡时 施工纵缝将减小坝踵压应力 当上游坝面倒悬时 施工纵缝可增大坝踵 压应力 当上游坝面铅直时 施工纵缝对坝体应力无影响 有的高坝采用分期施工 即第 一期先建部分坝体 蓄水运行后再将坝体加高加宽 由于分期施工 坝踵有可能产生拉应 力 此时可用有限单元法进行核算 图2 5 满库时的坝底应力分布 a e c er 0 b er er l c e c er 一8 8 专 i 一 河海大学t 程硕士论文 江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨 2 5 碾压混凝土渗流特 陛 由于碾压混凝土是分层碾压而成 而碾压混凝土的浇筑层通常只有几十厘米 这就使 得碾压混凝土坝存在大量的水平施工缝 这种水平施工缝的存在将使碾压混凝土坝的渗流 特性不同于普通混凝土坝 如果处理不当就有可能成为碾压混凝土坝渗流集中通道和抗滑 稳定的薄弱面 自碾压混凝土坝问世以来根据对国内外已建碾压混凝土的运行观测 总体 来说筑坝技术是成功的 但普遍存在渗漏问题 渗漏问题一直被视为它的一个天生缺陷 碾压混凝土的渗流特性由碾压混凝土本体渗透性及层面渗透性共同决定 碾压混凝土 本体可视为均质各向同性体 其渗流特性与常规混凝土坝类似 具有良好的抗渗性 但层 面渗流特性十分复杂 碾压混凝土的层面不同于两块平板叠合时构成的 也不同于岩体的 裂隙面 它实质是上下两层混凝土间有一定嵌入的起伏不平的啮合面 这是由于碾压上层 混凝土时 某些骨料嵌入下层尚未凝固的混凝土或砂浆中而形成的 但就总体而言 层面 的渗流仍在层流状态 基本符合立方定律 我们可通过计算雷诺数来判别 定义层面的雷 诺数 r e 1 0 d v 式中u 水流流速 驴一层面水力直径 取d 2 b b 为等效水力隙宽 v 水的运动粘滞系数 v o 0 1 3 e m 3 s 则辐向流中r e 的定义可表示为 r e q v i t 式中q 一为层面渗流量 广一为定义雷诺数处的半径 在辐向流中 不同的r 处具有不同的r e 通过试验 在试验中出现的最大流量q 1 0 0 0 c m 3 s 在中心进水孔层面起始处 f 2 5 c m 的r e 9 8 0 与接触型裂隙岩体渗流试验进行对比 试验条件基本类似 其最大 隙宽b 1 3 0um 仍属层流状态 通过拟合计算 水流基本符合q a b n 的关系式 n 在 2 9 7 3 0 9 之间变化 本次试验b a 6 0 l am 雷诺数表示水流在层流区内 局部区域如 边缘点除外 即层面渗流符合达西定律 试验表明碾压混凝土平行层面方向的渗透系数要比垂直层面方向渗透系数大得多 而 且平行层面方向渗透系数的离散性要比垂直层面方向的大得多 碾压混凝土层面的渗流特 性受诸多因素影响 其中主要是施工条件 如层面闻隔时问 层面处理方式 碾压质量 填筑时的气候条件等 还与渗流水头 层面的应力状态和混凝土配合比有关 其中最基本 是层面间隔时间 层面间隔时间越长透水性越大 施工中应尽量减小层面间隔时间 尽量 控制在初凝时间以内 如不得不采取长间歇施工 采取刷毛铺水泥砂浆等措施可以提高 其抗渗性 2 6 碾压混凝土筑坝技术分类 当今世界碾压混凝土筑坝技术就其设计思想 施工方法 混凝土配合比以及性能方面 的差异 可以分为四大类 1 r c d 工法 这是日本发展起来的碾压混凝土筑坝 r c d 技术 它在坝体迎水面 背水面及基础 部位均用常态混凝土防渗与保护 中心部位用碾压混凝土填筑 浇筑层厚度0 7 1 0 m 施工缝面停歇养护 冲毛 清洗 铺砂浆 从上游到下游切割横缝 胶凝材料用量1 2 0 1 3 0 k g r n 3 其中粉煤灰掺量2 0 3 5 v c 值为2 0 s 1 0 s 水胶比在0 7 0 0 9 0 之l b j 砂率一般为3 0 3 4 抗压强度1 2 1 6 m p a 层问粘聚力2 5 3 0 m p a 渗透系数1 0 4 l f f 8 c m s 典型坝例有日本岛地川坝和大川坝 9 河海大学工程硕士论文 江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨 2 干贫碾压混凝土坝 采用土石坝施工概念 浇筑层厚度o 2 5 0 4 0 m 层面不处理 连续浇筑快速上升 胶凝材料用量6 0 1 2 0 k g m 3 其中粉煤灰掺量0 4 0 抗压强度8 1 0 m p a 层面粘聚力 0 5 1 0 m p a 渗透系数1 0 1 0 一c m s 典型坝例有美国柳溪坝 蒙克斯维尔坝等 3 中等灰浆量碾压混凝土坝 采用薄层浇筑连续上升快速施工技术 浇筑层厚度0 3 o 5 m 层面不处理 胶凝材 料用量1 2 0 1 6 0 k g m 3 其中水泥5 0 6 0 k g m 3 抗压强度1 0 1 5 m p a 层间粘聚力0 8 1 4 m p a 典型坝有我国坑口 岩滩坝 4 富灰浆碾压混凝土坝 采用大仓面薄层浇筑连续快速施工技术 由于灰浆丰富 从而改善了碾压混凝土的和 易性 可碾压性 密实性 抗渗性和层面结合 通常碾压层厚度为3 0 c r a 层面不处理 胶凝材料用量超过1 6 0 k g m 3 其中粉煤灰掺量最高达7 0 抗压强度2 0 4 0 m p a 层面 粘结力2 4 m p a 渗透系数1 0 4 1 0 1 1 c m s 典型坝例有美国上静水坝 碾压混凝土的一些重要特性 如层面抗剪断特性 抗渗特性等 应以现场试验成果作 为主要依据 因此宜采用室内试验和现场试验研究相结合的方法 2 7 碾压混凝土的配合比设计 碾压混凝土是采用通仓或大面积薄层铺料 振动碾表面压实的干硬性混凝土 虽与常 规混凝土采用基本相同的材料 但混凝土配合比有很大区别 水泥灰浆量少 骨料最大粒 径由于施工方法和碾压机械能量的制约不能过大 混凝土含沙率较高 碾压混凝土要求的 稠度范围不大 粉煤灰掺量较多等 大坝内部大体积碾压混凝土配合比一般应满足以下条件 1 满足设计对强度和耐久性等性能要求 当碾压混凝土用于大坝内部 结构物基础或 其他承重结构 设计上往往提出强度要求 这时候选这配合比时应和常规混凝土一 样 需根据强度要求确定水灰比 以保证硬化后混凝土强度满足设计要求 2 为降低混凝土的发热量 简化温控措施 达到取消埋设冷却水管的要求 碾压混凝 土应尽量减少水泥用量 并掺用粉煤灰以保证充足的灰浆量 3 碾压混凝土拌和物应具有必要的稠度 适应施工机械 铺料厚度以及气候的变化 以保证碾压密实 4 选择最佳的骨料级配和最大骨料粒径 保证施工过程中不发生明显的材料分离 为了保证碾压混凝土具有良好的技术性能并降低工程造价 必须合理选择各种原材 料 包括水泥 粉煤灰 粗细骨料 外加剂和水等 碾压混凝土配合比设计的根本出发点是 胶凝材料浆体最大限度地填满细骨料间的空 隙 并包裹细骨料颗粒 形成均匀密实的混凝土 以达到满足强度 耐久性 抗分离性 工作性及经济性的目的 碾压混凝土的配合比设计 实际上就是确定四个参数 即单位用 水量 w 水胶l l w c 剐 粉煤灰掺量 f c 剐和砂率 s s g 1 1 目l i 各国在进行碾压混凝土配合比选择时 采用的配合比参数和计算方法不尽相同 但不论采取何种方法 只要选择适当 均能配制出优质的碾压混凝土 比较好的方法是 以少量的试验工作能方便可靠地获得所需配合参数 当混凝土原材料 混凝土生产及 施工条件发生变化时 能迅速得到新条件下的参数调整值 尽量接近常规方法 简化调 整时的工作 以利于推广应用 在进行碾压混凝土配合比参数选择时 必须根掘实际工程 和簏工条件 以及设计要求的技术指标 选定混凝土拌和物稠度 即v c 值 控制范围 骨料最大粒径及级配 混凝土的保证强度等基本配合条件 1 0 河海大学工程硕士论文江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨 第三章江垭水利枢纽工程布置及坝型选择 3 1工程概况 江垭水利枢纽工程位于澧水支流淡水中游 地处湖南省慈利县江垭镇境内 坝址距慈 利县城5 7 k i n 江垭水利枢纽工程以防洪为主 兼有发电 航运 灌溉 供水 旅游等多 种功能 最大坝高1 3 1 m 总库容1 7 4 1 亿m 3 其中防洪库容7 4 亿m 3 水电站装机容量 3 0 0 m w 工程以防洪为主 兼有发电 灌溉 供水 航运和旅游等综合效益 根据 水 利水电工程等级划分及设计标准 s d j 1 2 7 8 枢纽工程为i 等大 1 型 主要建筑物大 坝及临库档水建筑物为一级 设计洪水按5 0 0 年一遇设计 5 0 0 0 年一遇校核 电站为二 级建筑物 按5 0 年一遇洪水设计 5 0 0 年一遇洪水校核 航运等次要建筑物按三级建筑 物及相应的洪水标准 根据工程规划 枢纽工程设计应满足以下条件 正常蓄水位2 3 6 m 汛期 4 8 月 防洪限制水位2 1 0 6 m 在汛限水位时要满 足安全泄量1 7 0 0m 3 s 的要求 当坝址发生5 0 0 年一遇设计洪峰流量1 2 2 0 0 m 3 s 和5 0 0 0 年一遇校核洪峰流量 1 5 7 0 0 m 3 s 通过水库调蓄后 泄洪建筑物应能安全渲泄 电站安装三台单机容量1 0 0 m w 的水轮发电机组 采用2 2 0 千伏电压出线三回 1 1 0 千伏二回 娄水为七级河道 设计年过坝货运量8 万t 年过坝木材量2 万m 3 设计最大过 坝船型为2 0 t 在库内引水灌溉农田8 5 7 万亩 引用流量4 3 m 3 s 水库最低取水位为2 0 5 0 m 3 2 坝址及坝线选择 3 2 1 坝址选择 江垭坝段自雪泥湖至九溪全长l l k m 自上而下选有雪泥湖 柳枝坪 石灰窑 和九 溪四个坝址 除雪泥湖坝址只作为一般调查外 其余坝址均进行过勘测工作 雪泥湖和九溪坝址均位于三迭纪石灰岩区 岩溶发育 水文地质条件复杂 无相对 隔水层 绕坝和向库外渗漏问题严重 防渗处理难度较大 且有缓倾角裂隙发育 工程地 质条件也较复杂 柳枝坪坝址基岩为石英砂岩夹页岩 虽无岩溶渗漏问题 但坝址位于倒 转背斜轴部 靠近规模较大的逆冲断层 构造破碎十分严重 岩体松动 两岸连接处理困 难 以上三个坝址均不利于兴建高坝 石灰窑坝址曾选有i 线区和i i 线区 两线区相距约3 0 0 m 比选如下 1 地形条件 石灰窑坝址为中山峡谷区 河谷形态呈 u 形 地形比较对称 两岸山岭标高7 0 0 8 0 0 m 左右岸坡分别为4 0 5 0 5 5 残坡积层厚小干2 m 上下游冲沟对称发育 两坝线区地形条件相似 2 地质条件 石灰窑坝址为横向河谷 主要岩性为石英砂岩夹页岩 砂岩夹页岩 石灰岩 岩层 倾向下游 倾角平均3 8 石灰窑i 线区坝基为云台观石英砂岩 河床有大面积承压热 水出露 水温达4 2 5 1 涌水量大 两岸岸坡岩体张裂隙发育 松动变形强烈 开挖 处理工程量大 且基岩中分布有较破碎的软弱央层 对坝肩稳定不利 石灰窑i i 线区为栖 霞反岩 岩石峰硬 强度较商 可作为大坝持力层 岩溶虽有发育 但底部相对隔水层可 作为防渗的依托 承压热水不直接作用于坝基 而埋深于坝基9 0 m 以下 有6 8 m 厚的砂 页岩及滑石化灰岩相对隔水层阻隔 虽水文地质工程地质条件均较复杂 但具备建坝条件 河海大学工程硕士论文 江垭碾压砼坝设计与施工中若干问题的探讨 地质条件优于l 线区 3 施工条件 石灰窑i 线区 基坑有承压热水出露 涌水量大 旌工排水和处理困难 石灰窑i i 线区 避开了热水 其他施工条件两区相c a 施工条件i i 线区优于i 线区 4 水工布置 石灰窑i 线区大坝直接坐落在有承压热水出露的石英砂岩夹页岩上 岩体破碎 风化 严重 开挖深度大 两岸接头困难 热水对混凝土有侵蚀性 抗浮稳定和基础防渗都难 处理 不宜建坝 石灰窑i i 线区 坝基为栖霞灰岩 避开了热水 基岩较完整 力学强度较高 虽为石 灰岩 但分布有底部隔水层和中部相对隔水层 可作为防渗的依托 水工布置优于石灰 窑i 线区 综合以上分析比较 i i 线区优于i 线区 推荐石灰窑l l 线区为选定坝址 1 9 8 2 年5 月 水利电力部和湖南省建委组织的选坝会议 正式选定石灰i l 线区为江垭水利枢纽坝址 3 2 2 坝线选择 石灰窑i i 线区坝址 两岸上下游均有冲沟发育 可供坝线选择的范围较小 从上游 向下拟定了i i 1 h 2 i i 3 线比较 两线阗相距约3 0 4 0 m 云台观右英砂岩承压热水 含水层 在河床出露点距i i i 坝线水平距离分别约为9 0 m 1 2 5 m 1 6 0 m 在坝线 下埋深分别为5 0 5 5 7 0 7 5 m 9 0 9 5 m 条坝线的地形条件和施工条件无大差异 但 石狄窑i i 3 线距热水出露区最远 在坝基下埋深最大 可以充分利用底部隔水层隔住承 压热水含水层 提高大坝抗渗 抗浮的安全度 可充分利用底部隔水层作为坝基和坝肩岩 溶含水层的防渗依托 大坝建基面可避开横切河床之f 1 1 和左岸岸坡管道状溶洞 性状较差 的层l 日 错动挤压带f 1 1 2 f l l 3 f 2 0 1 f 2 0 2 埋藏较深 对坝基深层抗滑稳定有利 以上地质条件 水工布置条件均优于其他两条坝线 故选定石灰窑i i 3 线为坝轴线 3 3 枢纽布置及坝型选择 3 3 1 坝型选择 根据工程规划 坝址地形地质 洪水和当地建筑材料