碾壓混凝土拱壩沿層面破壞機(jī)理研究

1、碾壓混凝土拱壩沿層面破壞機(jī)理研究摘要：結(jié)合沙牌碾壓混凝土拱壩的非線性有限元計算，仿真結(jié)構(gòu)模型試驗和巖灘碾壓混凝土拱圍堰炸除的實地考察，研究碾壓混凝土的本構(gòu)關(guān)系，沿層面產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)的原因，形成各向異性。用數(shù)值計算和仿真試驗?zāi)M薄弱環(huán)節(jié)。在超載時層面首先開裂，隨著超載加大，拱壩失去承載能力，直至壩體沿層面破壞，這與均質(zhì)的石膏結(jié)構(gòu)模型試驗有本質(zhì)區(qū)別，它無法反映沿層面破壞的特征，而沿45方向破壞。炸除巖灘圍堰也證明了沿層面破壞的機(jī)理。因此對層面進(jìn)行“熱縫”澆筑和加墊層鋪筑，對提高層面抗剪和抗拉強(qiáng)度具有重要意義。 關(guān)鍵詞：碾壓混凝土拱壩 破壞機(jī)理 層面 常態(tài)混凝土拱壩結(jié)構(gòu)模型試驗研究，一般用石膏模型進(jìn)行

2、模擬。石膏為脆性材料，視為均質(zhì)體，壩體也為均質(zhì)體，與混凝土性能比較接近，其超載破壞特征如圖1所示，裂縫多數(shù)垂直于壩基面與水平面成一個傾角。筆者在承擔(dān)的九五國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項目子題“高碾壓混凝土拱壩承載能力研究”中，用原型材料模擬拱壩，避免了復(fù)雜的模型材料相似轉(zhuǎn)換，形象直觀，在國內(nèi)屬首例。模擬層面結(jié)構(gòu)施工工藝，突破了壩體勻質(zhì)的設(shè)定，考慮碾壓混凝土破壞沿層面產(chǎn)生，并用ANSYS程序進(jìn)行非線性有限元計算，也獲得了類似結(jié)果。與常態(tài)混凝土拱壩有本質(zhì)的區(qū)別。對巖灘碾壓混凝土拱圍堰炸除進(jìn)行實地測試，也說明了碾壓混凝土拱壩沿層面破壞。1 碾壓混凝土拱壩的本構(gòu)關(guān)系 碾壓混凝土拱壩分層碾壓，每層約30cm，根據(jù)施

3、工情況，對層縫的處理方式及縫的結(jié)合質(zhì)量有所不同。所謂“熱縫”，間隔時間短，在初凝之前則直接覆蓋混凝土，碾壓層面呈骨料嵌入狀態(tài)，通過鉆孔取芯樣看出，骨料相互嵌入，“熱縫”基本上看不出縫，可近似看作為均質(zhì)體。施工縫及冷縫，間隔時間超過了終凝時間，或者超過了加墊層拌合物鋪筑允許的時間，雖然表面進(jìn)行了刷毛，沖毛，并清洗干凈后鋪水泥粉煤灰砂漿等措施，但沒有骨料相互嵌入，形成一個薄弱環(huán)節(jié)。至于初凝后，在加墊層鋪筑允許時間之前的縫面情況，介于二者之間，一般采用鋪筑水泥粉煤灰漿即可連續(xù)澆筑，并達(dá)到和滿足對層間結(jié)合的要求，但相對說來，縫的不均勻程度和產(chǎn)生薄弱面的可能性要比“熱縫”要大。 對于熱縫和在加墊層鋪筑允

4、許時間之內(nèi)形成的縫，大量的層面易產(chǎn)生隱狀的層狀結(jié)構(gòu)，影響層面的粘結(jié)強(qiáng)度，其原因有以下幾個方面：拌合后的混凝土運(yùn)輸平倉過程中，產(chǎn)生骨料分離，骨料顆粒鋪在層面上，粘結(jié)較差；碾壓混凝土在碾壓過程中形成孔隙和多余的水分排出困難，使層面形成薄弱環(huán)節(jié)；下層混凝土表面的干濕狀態(tài)不符合施工要求，碾壓混凝土的稠度VC值過大或過??；卸料集中，鋪料厚度過大，振動壓實能量不足，密實度小于要求值，這些因素都將引起層面薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)VC值適中，層面在初凝前便覆蓋，碾壓使上層骨料嵌入到下層混凝土之中，形成咬合，看不出層面。研究工作制作32塊試塊(150mm150mm150mm)，分兩組進(jìn)行劈裂抗拉試驗，第一組順試塊1/2水平

5、面劈拉，第二組垂直水平面劈拉，第一組抗拉強(qiáng)度比第二組低10%12%，但也有少數(shù)試件僅低于5%6%。第二組則代表碾壓混凝土本體性能。使碾壓混凝土產(chǎn)生了各向異性狀態(tài)。2 層面模擬 冷縫及在加墊層鋪筑允許時間內(nèi)部份的縫面由于層面沒有骨料相互嵌入，抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都低于碾壓混凝土本體，按抗拉強(qiáng)度約低20%計。對沙牌拱壩進(jìn)行模擬計算，根據(jù)施工具體情況取每10m為一層。ANSYS程序規(guī)模龐大，節(jié)點(diǎn)單元均可超過2萬，方可模擬層面狀態(tài)。超載計算只計入自重和水壓力，不計溫度荷載。 設(shè)計水壓力作用下徑向位移r的分布特征，由于壩軸線左右岸不對稱，壩體徑向位移分布不對稱，右半拱位移大于左側(cè)拱。最大徑向位移32.08

6、mm位于壩頂拱冠上游偏右岸，大約距拱冠1015m處。圖2表示出壩體上游徑向位移分布(括號內(nèi)為第一模型試驗值)。 當(dāng)自重不變加到2.82倍設(shè)計水壓力時，拱壩失去承載能力。除周邊裂縫貫穿壩體上下游外，主要裂縫位于壩體中部的水平層面。圖3給出拱壩破壞前上下游面的主要裂縫(破壞后的裂縫無法給出，因為拱壩不能承載時，程序不能給出收斂解)。從圖可以看出，破壞前，層面在下游面全部拉開，拱壩底部1760.01770.0m高程之間的層面裂縫幾乎上下游貫通，1770.0m高程以上的層面在靠近拱端處上下游貫通，未達(dá)到拱冠，右拱端開裂嚴(yán)重。當(dāng)水壓力超載倍數(shù)為1.5時，1760.01800.0m高程之間的層面裂縫主要位

7、于拱端，1800.0m高程以上除拱端外，下游拱冠處也有局部開裂。當(dāng)水壓力超載倍數(shù)為2.8時，層面裂縫由下游向上游、由拱端向拱冠擴(kuò)展，直到完全不能承載。 (a)1.5倍設(shè)計水壓力(b)2.8倍設(shè)計水壓力圖3 碾壓混凝土層面開展情況(陰影部分代表開裂) 3 超載試驗及破壞特征 沙牌拱壩最大壩高132m，其中拱壩高117.5m，弧高比2.13，厚高比0.238，最大半徑R224.75m，采用三心圓拱，材料二級配C20，三級配C20。模型比尺180，頂厚0.12m，底厚0.35m，弧長3.13m，模擬每層厚0.10m，間隔4h。1998年9月4日澆筑第一個模型，2000年6月3日澆筑第二個模型。采用扁

8、千斤頂加水壓荷載，自重荷載簡化后加到壩頂。3.1 第一個模型 2.0倍設(shè)計水壓力下的應(yīng)力分布和徑向位移。 拱向壓應(yīng)力y：上游最大拱向壓應(yīng)力y=-12.01MPa，向兩岸逐漸減小，全部受壓，右側(cè)壓應(yīng)力大于左側(cè)。下游拱向應(yīng)力全部受壓，兩端壓應(yīng)力最大，y=-18.82MPa，受橫縫的影響中部應(yīng)力呈馬鞍型。 梁向應(yīng)力z:上游面以受壓為主，最大壓應(yīng)力z:-6.83MPa，下游梁向應(yīng)力以受拉為主，最大拉應(yīng)力z:5.54MPa(實際應(yīng)變值為212)。 徑向位移以拱冠為最大，r=88.8mm，向兩岸逐漸減小，從壩頂向壩底減小，兩條橫縫處最大徑向錯動12mm。3.2 第二個模型 (1) 2.0倍設(shè)計水壓力下的應(yīng)

9、力分布和徑向位移。拱向應(yīng)力y:上游最大拱向應(yīng)力y=-10.87MPa，向兩岸逐漸減小，全部受壓。下游拱向應(yīng)力幾乎全部受壓，兩端壓應(yīng)力最大，y=-12.66MPa，中部因受橫縫的影響應(yīng)力呈馬鞍型。梁向應(yīng)力z:上游面壩踵以受拉為主，最大拉應(yīng)力z=3.56MPa(實際137)，最大壓應(yīng)力z=-3.17MPa；下游梁向應(yīng)力以受拉為主，最大拉應(yīng)力z=1.45MPa。徑向位移以拱冠為最大，r=73.6mm，向兩岸逐漸減小，從壩頂向壩底減小，兩條橫縫處有徑向錯動，最大徑向錯動6.0mm，右岸橫縫沿拱向張開3.2mm。 (2) 2.7倍設(shè)計水壓力下的應(yīng)力分布和徑向位移。拱向應(yīng)力y:上游拱向應(yīng)力分布是在1830

10、.0m高程壓應(yīng)力為最大，y=-12.74MPa，向兩岸逐漸減小，全部受壓，右側(cè)壓應(yīng)力大于左側(cè)。下游拱向應(yīng)力全部受壓，兩端壓應(yīng)力最大，y=-17.78MPa，中部應(yīng)力呈馬鞍型。梁向應(yīng)力z:上游面最大拉應(yīng)力z:3.69MPa(實際142)，下游梁向應(yīng)力以受拉為主，最大拉應(yīng)力z:7.64MPa(實際293)。徑向位移以拱冠為最大，r=224.8mm，向兩岸逐漸減小，從壩頂向壩底減小，橫縫處最大徑向錯動13.6mm，右岸橫縫沿拱向張開8.0mm。3.3 破壞特征 第一模型當(dāng)水壓力加到2.5倍設(shè)計水壓力時，1786.70m和1798.70m高程沿水平碾壓層面從右岸開始開裂，迅速向左岸延伸，一直到達(dá)左岸。

11、1827.50m高程從右岸邊開始開裂迅速延伸，接近拱冠，然后豎向轉(zhuǎn)向壩頂。層面間的錯動，模型達(dá)3mm，原型為240mm，徑向位移由159.20mm增加到207.20mm，荷載不能繼續(xù)上升，結(jié)構(gòu)失去承載能力。拱壩破壞后的主要裂縫見圖4。 第二模型當(dāng)水壓力加到2.7倍設(shè)計水壓力時，結(jié)構(gòu)失去承載能力，破壞情況與第一個模型基本相同。 過去所作的石膏模型或其他均質(zhì)體模型，裂縫多出現(xiàn)在45方向，即垂直岸坡方向，因為這些地方主拉應(yīng)力最大，幾條破壞性裂縫呈交錯狀態(tài)。碾壓混凝土是呈層狀結(jié)構(gòu)，層面為薄弱環(huán)節(jié)，仿真結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)是模擬了層面薄弱環(huán)節(jié)。因此裂縫首先出現(xiàn)在薄弱的層面，圖3的破壞模式反應(yīng)了結(jié)構(gòu)呈層破壞。“

12、九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項目驗收此子題時，專家組肯定了這種破壞模式是合理的，反映了碾壓混凝土的本構(gòu)關(guān)系，反映了碾壓混凝土的呈層狀態(tài)。 應(yīng)指出的是圖中拉應(yīng)力大于22MPa是不妥的，因為拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度后，-曲線軟化，應(yīng)變值開始下降，只是應(yīng)變值升高，為了便于表示，仍采用E，而且設(shè)E值不變，才會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。4 巖灘拱圍堰炸除觀測及分析 巖灘下游拱圍堰高40m，半徑124.84m，中心角60，1988年5月建成，1991年炸除。巖灘拱圍堰施工時，每施工1.82.4m，則停下來立模和安裝混凝土預(yù)制塊，待模板裝好后繼續(xù)進(jìn)行碾壓上升，間隔時間為一天或數(shù)天，總之由于多種原因使壩體產(chǎn)生冷縫。巖灘圍堰炸除時的觀

13、測資料也說明了這一點(diǎn)，縫面形成大面積“光板”，沒有參差不齊的現(xiàn)象，沒有層面的骨料嵌入，表面平整，甚至個別地方還有“光滑”現(xiàn)象出現(xiàn)，“光板”面積達(dá)數(shù)十平方米，最嚴(yán)重者幾乎整個壩段為“光板”。這些層面的抗拉強(qiáng)度和抗剪斷強(qiáng)度將嚴(yán)重降低，此縫將會首先開裂破壞。冷縫層面抗拉強(qiáng)度和抗剪斷強(qiáng)度低于本體強(qiáng)度是顯然易見的，實際上“熱縫”的抗拉和抗剪斷與碾壓混凝土本體也有差異。 圖5為各種破壞模式，A表示爆破裂縫呈階梯形，跨3個冷縫層面，表明層面粘結(jié)良好，B表示層面為“光板”粘結(jié)較差，但也呈階梯形，C為全層面呈光板，成為光裂面。如果鉆孔在1/2壩體位置，則裂縫突向外表面，即沿徑向突出迎水面，但也有個別破壞面在背面，當(dāng)迎水面施工質(zhì)量優(yōu)于背水面時，才能出現(xiàn)這種情況。圖5顯出層面粘結(jié)的不均勻性，同一層面，時好時壞，方可能出現(xiàn)階梯破壞狀態(tài)，從平面看裂縫破壞呈漏斗狀，而不是一直線，當(dāng)密集鉆孔成一條直線時，才可能成為一條直線或近似一條直線。應(yīng)指出的是巖灘拱圍堰為一臨時建筑，水泥用量少，施工質(zhì)量控制較永久性建筑差，方可出現(xiàn)以上的那些極端問題。5 結(jié) 論 通過碾壓混凝土拱壩非線性有限元計算，仿真結(jié)構(gòu)模型試驗和巖灘拱