碾压混凝土拱坝沿层面破坏机理研究.doc

1 碾压混凝土拱坝沿层面破坏机理研究摘要:结合沙牌碾压混凝土拱坝的非线性有限元计算, 仿真结构模型试验和岩滩碾压混凝土拱围堰炸除的实地考察, 研究碾压混凝土的本构关系, 沿层面产生薄弱环节的原因, 形成各向异性。用数值计算和仿真试验模拟薄弱环节。在超载时层面首先开裂, 随着超载加大, 拱坝失去承载能力, 直至坝体沿层面破坏, 这与均质的石膏结构模型试验有本质区别,它无法反映沿层面破坏的特征,而沿 45° 方向破坏。炸除岩滩围堰也证明了沿层面破坏的机理。因此对层面进行“热缝”浇筑和加垫层铺筑,对提高层面抗剪和抗拉强度具有重要意义。关键词:碾压混凝土拱坝破坏机理层面常态混凝土拱坝结构模型试验研究, 一般用石膏模型进行模拟。石膏为脆性材料,视为均质体,坝体也为均质体,与混凝土性能比较接近, 其超载破坏特征如图 1 所示, 裂缝多 2 数垂直于坝基面与水平面成一个倾角。笔者在承担的九· 五国家重点科技攻关项目子题“高碾压混凝土拱坝承载能力研究”中, 用原型材料模拟拱坝, 避免了复杂的模型材料相似转换,形象直观,在国内属首例。模拟层面结构施工工艺,突破了坝体匀质的设定,考虑碾压混凝土破坏沿层面产生,并用 ANSYS 程序进行非线性有限元计算, 也获得了类似结果。与常态混凝土拱坝有本质的区别。对岩滩碾压混凝土拱围堰炸除进行实地测试,也说明了碾压混凝土拱坝沿层面破坏。 1 碾压混凝土拱坝的本构关系碾压混凝土拱坝分层碾压, 每层约 30cm , 根据施工情况, 对层缝的处理方式及缝的结合质量有所不同。所谓“热缝”, 间隔时间短, 在初凝之前则直接覆盖混凝土, 碾压层面呈骨料嵌入状态,通过钻孔取芯样看出,骨料相互嵌入, “热缝”基本上看不出缝,可近似看作为均质体。施工缝及冷缝,间隔时间超过了终凝时间, 或者超过了加垫层拌合物铺筑允许的时间, 虽然表面进行了刷毛, 冲毛, 并清洗干净后铺水泥粉煤灰砂浆等措施, 但没有骨料相互嵌入, 形成一个薄弱环节。至于初凝后,在加垫层铺筑允许时间之前的缝面情况, 介于二者之间,一般采用铺筑水泥粉煤灰浆即可连续浇筑, 并达到和满足对层间结合的要求, 但相对说来, 缝的不均匀 3 程度和产生薄弱面的可能性要比“热缝”要大。对于热缝和在加垫层铺筑允许时间之内形成的缝, 大量的层面易产生隐状的层状结构, 影响层面的粘结强度, 其原因有以下几个方面: 拌合后的混凝土运输平仓过程中, 产生骨料分离, 骨料颗粒铺在层面上, 粘结较差; 碾压混凝土在碾压过程中形成孔隙和多余的水分排出困难, 使层面形成薄弱环节; 下层混凝土表面的干湿状态不符合施工要求, 碾压混凝土的稠度 VC 值过大或过小; 卸料集中, 铺料厚度过大, 振动压实能量不足, 密实度小于要求值, 这些因素都将引起层面薄弱环节。当 VC 值适中,层面在初凝前便覆盖,碾压使上层骨料嵌入到下层混凝土之中, 形成咬合, 看不出层面。研究工作制作 32 块试块(150mm × 150mm × 150mm) ,分两组进行劈裂抗拉试验,第一组顺试块 1/2 水平面劈拉,第二组垂直水平面劈拉,第一组抗拉强度比第二组低 10% ~ 12% , 但也有少数试件仅低于 5% ~ 6% 。第二组则代表碾压混凝土本体性能。使碾压混凝土产生了各向异性状态。 2 层面模拟冷缝及在加垫层铺筑允许时间内部份的缝面由于层面没有骨料相互嵌入, 抗拉强度和抗剪强度都低于碾压混凝土本体,按抗拉强度约低 20% 计。对沙牌拱坝进行模拟计算,根 4 据施工具体情况取每 10m 为一层。 ANSYS 程序规模庞大, 节点单元均可超过 2万, 方可模拟层面状态。超载计算只计入自重和水压力,不计温度荷载。设计水压力作用下径向位移δr 的分布特征, 由于坝轴线左右岸不对称, 坝体径向位移分布不对称, 右半拱位移大于左侧拱。最大径向位移 位于坝顶拱冠上游偏右岸,大约距拱冠 10~ 15m处。图2 表示出坝体上游径向位移分布(括号内为第一模型试验值)。当自重不变加到 倍设计水压力时,拱坝失去承载能力。除周边裂缝贯穿坝体上下游外, 主要裂缝位于坝体中部的水平层面。图3 给出拱坝破坏前上下游面的主要裂缝( 破坏后的裂缝无法给出, 因为拱坝不能承载时, 程序不能给出收敛解) 。从图可以看出,破坏前,层面在下游面全部拉开,拱坝底部 ~ 高程之间的层面裂缝几乎上下游贯通, 高程以上的层面在靠近拱端处上下游贯通,未达到拱冠,右拱端开裂严重。当水压力超载倍数为 时, ~ 高程之间的层面裂缝主要位于拱端, 高程以上除拱端外,下游拱冠处也有局部开裂。当水压力超载倍数为 时,层面裂缝由下游向上游、由拱端向拱冠