柔性拱和软弱地基上的碾压混凝土拱坝

清华大学学报(自然科学版)2002年第42卷第10期

CN1122223??N.42,No.10JTsinghuaUniv(Sci&Tech),2002,Vol23??36

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柔性拱和软弱地基上的碾压混凝土拱坝

刘光廷,　徐增辉,　李鹏辉

(清华大学水利水电工程系,北京100084)

摘　要:为改善软弱基础上修建碾压混凝土拱坝的结构设计,通过对水压和温度荷载作用下坝体的应力和位移分析,提出了适应软弱基础拱坝变位大但应力不恶化的“柔性拱”及简易止裂措施,已用于修建新疆石门子碾压混凝土拱坝。坝体设人工短缝加大拱的变位,可消减水压和温度作用下的拉应力集中;扩大拱座降低坝肩软弱岩面上的压应力和剪应力,拱座考虑侧约束减少拱座在水压作用下的变位,也增加坝肩绕渗途径。

关键词:柔性拱;刚性拱;碾压混凝土拱坝;人工短缝;软

弱基础;刚性基础

中图分类号:TU502.1

文章编号:100020054(2002)1021365204

文献标识码:A

上。在高寒地区、软弱基础上修建拱坝尤其是较薄的碾压混凝土拱坝易使坝体的变位过大,局部应力集中恶化,以至于造成坝体不稳定和坝体破坏。因此尽管修建碾压混凝土拱坝工程量少,工艺简化,施工速度快[1,2],但在高寒地区、软弱基础上建造碾压混凝土拱坝还有很多技术难题尚待解决[3～5]。

1　新疆石门子碾压混凝土拱坝简介

石门子水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区昌吉州玛纳斯县境内的塔河中游河段上,是一项以灌溉为主,兼有防洪、发电和改善生态环境等综合效益的中型水利枢纽工程。

石门子工程主坝采用高110m的碾压混凝土拱坝。该工程的两岸和河床为青灰色和红色砾岩,砾岩为泥钙质胶结,其中红色砾岩浸水软化后的变形模量为4GPa,个别样品浸水后散塌。成层砾岩有夹泥层J3,右坝肩有陡倾角的断层F6,断层沿上下游方向延伸,并和斜夹泥层组成右岸不稳定体,同时,在左坝肩上存在F5～J3组成的不稳定体。

坝址处于强震多发区,地震设计烈度8级,设计采取相应的减震措施。

坝址地处高寒地区,月平均气温在0℃以下长达5个月,且年温度变幅高达60多℃。碾压混凝土拱坝未设后期的冷却措施,需采取专门措施消减后期坝体温降应力。

在石门子工程中,采用在坝肩设人工短缝、拱冠设中缝、下游面设人工短缝等措施以降低坝体的刚度,限制拱座变位及加大拱坝变位,达到释放温度应力及减少水压作用下的拉应力集中,也就是采用柔性拱的方法来改善坝体应力,作用十分明显

。

FlexibleRCCarchdamon

aweakfoundation

LIUGuangting,XUZenghui,LIPenghui

(DepartmentofHydraulicandHydropowerEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Analysesofthestressesanddisplacementsduetothehydraulicpressureandthermalloadwereusedtoimprovethestructuraldesignofarollercompactedconcrete(RCC)archdamonaweakfoundation.Aflexiblearchwithsimpleanti2crackmeasureswasaddedtoaccomodatethelargedeformationsofanarchdamonaweakfoundationwithoutincreasingthestresses.ThesemeasureswereusedtoconstructtheShimenziRCCarchdaminXinjiangUygurAutonomousRegion.Theartificialshortjointsinthedambodyincreasethearchdeformationbutreducethetensilestressconcentrationsduetotheunderhydraulicpressureandthethermalload.Theenlargedarchabutmentreducesthecompressionandshearstressoftheabutmentandincreasestheseepagedistancearoundtheabutmentsduetothehydraulicpressure.Thedeformationofthearchabutmentsisreducedbythelateralrestraintoftheabutment.

Keywords:flexiblearch;rigidarch;rollercompactedconcrete

(RCC)archdam;artificialshortjoint;weakfoundation;rigidfoundation

收稿日期:2001208222

基金项目:清华大学“九八五”科研基金资助项目

通常修建拱坝理想的地址条件是在基岩性能良好(均匀、完整、足够强度、透水性小等)的刚性基础

作者简介:刘光廷(19302),男(汉),福建,教授。

.tsinghua.edu.cnE2mail:gtliu@mail

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石门子碾压混凝土拱坝拉力区即在坝肩上游面处设人工短缝,由于组合应力断裂强度因子已接近混凝土韧度值,缝端设止裂结构。同时坝体中央横缝(简称中缝)灌浆时在下游面预留1m的部位不灌浆,在1380m(高程)以上中缝留温度通缝不灌浆;在坝体下游面拉力区G′,F′两点处设立沿径向1.5m深的人工短缝,高程1380m以上处设横缝。这种设人工短缝的方法可降低坝体刚度,起柔性拱作用。同时在坝体靠近坝肩部位加宽坝体厚度以增加坝体与软弱岩体的接触面积,降低下游拱座最大压应力水平,尤其是B′,D′点压力值(如图1所示)

。

2.2　柔性拱对坝体水压下应力场和位移场的影响

　　首先对石门子碾压混凝土拱坝在水压作用下的

应力场和位移场进行计算,比较讨论在软弱基础和刚性基础条件下柔性拱的作用,任取典型高程仿真计算结果如图2～4所示。

从图2,3可以清楚地看出,

拱坝坝体应力在柔

图1　拱圈的人工短缝示意图

2　水压荷载作用下柔性拱对于坝体应力场

和位移场的影响

2.1　水压情况下的计算模型和材料参数

计算以坝轴线中点为原点,横河向(指向左岸为正)为x轴,顺河向(逆水流方向为正)为y轴,铅直方向(向上为正)为z轴。为保证计算精度,共划分单元14330个,节点17748个。

不同高程岩石弹性模量采用石门子工程软弱基础实测值,但在刚性基础比较计算时岩石弹性模量Er取为20GPa(见表1所示)。

在柔性拱计算中,考虑拱坝及人工短缝,缝端应

[4]

力强度因子用加密单元位移差计算,而在刚性拱计算中不设缝。由于护坦和导墙是先浇筑的,其弹性模量取和坝体混凝土最终弹性模量相同。在仿真计算中采用了水库正常蓄水位高程1391m,下游面水位高程1320m,同时考虑坝体上游淤沙到高程1342m的淤沙压力。任取典型高程的应力和位移进行讨论比较。

表1　软弱地基、刚性地基岩石计算弹性模量岩石基础软弱刚性

高程??m

<1319

1319～1351—

Er??GPa

图2　水压荷载下坝体的拱向Ρx和顺河向位移图

性拱和刚性拱情况下的差别相当明显。上游两坝肩和岩石之间由于混凝土轮廓外延,增加上游绕拱肩渗流途径,也使得坝肩A,E点上游拉应力集中部

位外移至B,D两点(图2a)。无论是软弱基础还是刚性基础,采用柔性拱都可以减少两坝肩上游处的拱向拉应力集中,坝体下部(约1??4高)拱的拉应力

从5～6MPa减少到1MPa左右,减少了75%～　　注:软弱基础岩石数据来自新疆石门子工程的实测材

85%,拱冠部位的压应力增大0.3～0.5MPa(但不料参数。

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刘光廷,等:

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大于2.5MPa)。由图2b可知,软弱基础上柔性拱减少了拱坝下游面拱向压力,但未增加下游拱座B′,两点的最大压应力值(小于刚性础最大压应力D′

值),因此坝体应力得到了明显的改善。这主要是由于柔性拱适应了柔性基础的较大变位。

坝体的下游面开了人工短缝后,下游面的开缝部位G′,F′两点附近的拱向压应力有一明显的降低,降低到采用刚性拱时压应力的1??4～1??2。

从图3可以看到坝肩处AA′的拱向应力和顺河向位移,在坝肩扩大后坝体应力比较小,下游拱座最大只有2～3MPa压应力,都在岩石和混凝土的承载范围内。采用柔性拱或刚性拱无论是对于坝肩压应力分布还是对于坝肩位移都没有明显影响。影响坝肩应力和位移的主要原因是基础的岩石刚度,尤其对于坝肩的位移(图3b),基础的好坏有决定性影响。软弱基础下,坝肩的压应力比刚性基础大0.5MPa左右(图3a);而位移则几乎是刚性基础的1倍,但总的来说,最大约4mm左右。这也正体现了

增大5%;柔性拱的最大位移产生于坝体顶部,为

22.4mm,刚性拱顶部位移为16.2mm,柔性拱位移增大1??3左右。柔性拱顶部位移较大的原因是坝体高程1380m以上中缝留横缝,同时,1??4缝在高程1380m以上留横缝,导致拱向作用降低,梁的顺河向位移加大。图2c中显示出柔性拱位移比刚性拱位移在拱冠部位增量最大(主要是在坝体的高程1380m以上),坝肩部位位移增加总量不大。虽然软弱基础坝体位移较刚性基础明显增大,增大20%～30%,但总量不大。可见,坝体位移柔性拱较刚性拱要大,而软弱基础较刚性基础要大。

从图4可以看到上游面拱冠区的梁向拉应力主要取决于上下拱圈的相对变位,比较刚性基础上刚性拱和软弱基础上柔性拱,尽管后者变位大但上游梁向的拉应力明显减少。当然,这里也包括了软弱基础由下到上岩石弹性模量Er值增大所带来的好处

。

软弱基础变位大的特点

。

图4　水压荷载下坝体高程1291m上游面梁向Ρz

由此可见,增大拱座厚度,可以降低坝体应力,但是拱向拉应力集中则没有改善;而设立人工短缝,降低坝体刚度的柔性拱方法,可以降低坝体局部的应力集中,但对于坝体的其它部位应力不会有大的影响,也就是说,人工短缝对于坝体应力的影响是局部的。坝体中部的位移会有所增加,但是坝肩的位移不会因柔性拱而增大,拱座及坝体的应力得到了改善。

3　温度荷载下柔性拱对于坝体应力场和位

移场的影响

图3　右坝肩拱向Ρx和顺河向位移图

　　对于厚度不大的拱坝来说,特别是在年温度变化剧烈,或未设后期冷却水管的碾压混凝土拱坝及未分缝全坝段碾压混凝土拱坝,如何控制坝体的后期温降产生的拉应力集中就成为一个十分重要的问题。在这里主要考虑温度荷载下柔性拱的作用。考虑在软弱基础和刚性基础条件下坝体上部单层拱圈

从图2c看水压作用下坝体的拱冠部位位移,刚性拱位移比柔性拱位移小,这是由于柔性拱的坝体设人工短缝和高程1380m以上温度横缝使坝体刚度降低所致。刚性拱的最大位移产生于坝体上部拱冠,为19.6mm,而此处柔性拱位移仅20.5mm,