混凝土面板堆石坝设计开题报告（精选7篇）
本科毕业设计（论文）开题报告
题 目
学 院 名称土木建筑学院专业班级水利水电工程
学生姓名
学号
指 导 教 师
填表时间：2013 年 3 月 15 日
三、文献综述（国内外研究情况及其发展）
混凝土面板堆石坝是用堆石或砂砾石分层碾压填筑成坝体，迎水面用混凝土面板作防渗体的坝，它对地形和地质条件都有较强的适应能力，并且施工方便、投资省、工期短、运行安全、抗震性好，因而其作为坝型选择具有很大的优势。
1.国外现代面板堆石坝的发展过程：
1）1850-1940年为抛填堆石坝时期，坝体采用木面板、钢面板钢筋混凝土面板防渗。但由于当时技术条件的限制，采用抛投法堆筑，垂直沉降和水平位移都很大，施工期和施工后沉降可达到坝高的7%左右。坝造高了，沉降量加大，混凝土面板开裂，导致大量渗水，因此当时堆石坝最高造到100m，是美国的盐泉坝，它采用的是钢筋混凝土面板防渗。
2）1940-1965年抛填堆石坝到碾压堆石坝的过渡时期。由英国率先进行振动碾压实坝体堆石的尝试，最终发展为以薄层碾压堆石为特征的现代混凝土面板堆石坝。
3）1965年以后是推广应用碾压堆石坝的时期。60年代，由于大型振动压路机的出现，使堆石密度明显提高，变形减小，渗水减少，筑坝材料的选用范围也有所扩大，施工季节不受限制，因而堆石坝再次得到发展，已成为经济合理、应用广泛、施工方便的一种新坝型。目前，由于施工工艺的进步，使得混凝土面板堆石坝的设计高度提高到200m级。
2.中国现代面板堆石坝的发展过程：
中国用现代技术修建混凝土面板堆石坝始于20世纪80年代中期，并在全国得到很快的发展，至2003年年底，已建成和在建的混凝土面板堆石坝逾110 座，其中：坝高超过100米的31座。已建成的最高坝是天生桥一级水电站大坝，高178米，居世界第二，而其库容、坝体体积、面板面积、电站装机容量等指标均居世界同类工程之首。在建的最高坝是水布垭水电站大坝，坝高233米，为目前世界第一高度混凝土面板堆石坝。
在中国混凝土面板堆石坝发展过程中，中国工程师们不仅紧密跟踪国内外设计施工技术方面的最新经验，同时也研发了若干新的工艺和技术，如：坝体分区和填方压实控制；用软岩作筑坝材料；混凝土面板裂缝控制和处理；趾板的布置和设计；流向上游坡面的反向渗水的处理；趾板直接建置于砂砾石覆盖层上并用混凝土防渗墙作为坝基防渗控制措施；修建坝顶溢洪道；用高混凝土挡墙改造不利地形条件；用碾压砂浆、乳化沥青及挤压混凝土作为上游坡施工期保护措施；在未完成堆石坝面过水度汛；用123 系统监测压实层厚度和碾压机具运行轨迹；堆石料的压实新方法等。
3.国内外面板堆石坝的发展现状可归纳为以下几点：
1)填筑标准提高：
主次堆石区分线，加大主堆石区的比例（目前已达2/3）；坝体填筑高度与深度均衡，坝料均衡上升，尽量减少高差，有高差的部位采用缓坡连接；压实质量提高，由于冲击压实技术的应用，使得坝料的孔隙率大大降低，而各区压实的均匀性大大提高。
2)软岩筑坝的发展
随着坝高的增长，硬岩已不能完全满足大坝填筑量的需要，通过掺用软岩或者单独采用软岩，大大地扩大了料源范围，增大了开采料的利用率。
3)冬季填筑碾压
1 工程简介
某水利枢纽工程位于湖北某干流上, 坝址以上流域面积2970km2, 多年平均年径流量12.08亿m3, 总库容为2.105亿m3, 电站装机为60MW, 工程等别为Ⅱ等。
枢纽工程由混凝土面板堆石坝、泄洪洞、溢洪道、发电引水系统及电站厂房等建筑物组成。大坝为混凝土面板堆石坝, 坝顶长270m, 坝顶高程547.40m, 防浪墙顶高程548.40m, 坝顶宽6m, 最大坝高56.60m, 上游坝坡1∶1.4, 下游坝坡1∶1.3。混凝土面板厚度0.3~0.5m, 址板厚0.8m。
坝体分为垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区, 在周边缝下游部位设有特殊的垫层小区, 如图1所示。
该坝址日内温差大, 孔隙水结冰充分, 冻融循环次数多, 面板不仅要有足够的强度和防渗性、耐久性、抗冻性等, 柔性及嵌缝材料、橡胶止水带等也必须有较高的特殊要求, 因此面板、趾板等关键部位的材料选择、结构设计与施工是该工程的重要环节。
2 坝体设计选料要求
2.1 面板混凝土原材料及性能指标
由于面板混凝土的耐久性直接决定面板的寿命, 而耐久性又受日晒、风吹、雨淋、冲刷抗冻融及碳化、疲劳、溶蚀、各种有害离子的化学反应、钢筋锈蚀膨胀等各种内、外因素影响, 不象混凝土和易性、抗裂性, 能在短期内能反映出来, 因此合理选择混凝土原材料, 是保证其耐久性正常发挥、增加面板寿命的主要措施。
由表1知, 该工程混凝土材料参数选择均比较严格。在增加混凝土强度的同时, 提高其抗渗抗冻标号, 保证其具有一定的含气量, 以满足抗冻要求。与同期一般工程相比, 该工程通过试验, 对混凝土水泥材料强度、水灰比等原材料指标进行了选择与调整, 结果如表1所示。利用上述材料的用量及指标控制, 保证了施工后的面板混凝土性能指标均达到二级配R250S8D250的要求, 这一要求与其后颁布的新规范C25W8F300要求基本相同。
2.2 止水系统材料
面板接缝主要分为周边缝、伸缩缝两类。周边缝是趾板和面板间接缝。伸缩缝可分为防浪墙和面板间接缝, 面板之间接缝 (分受拉缝和受压缝) , 趾板之间接缝和防浪墙之间接缝。该工程坝址区, 多年平均气温2.2℃, 最低气温-42.6℃, 最高气温34.4℃, 温度变幅大, 因此工程设计中对柔性嵌缝材料、橡胶止水带等提出了较高要求, 如要求柔性嵌缝材料高温60℃时不流淌, 低温-45℃时不脆裂, 变形率>40%, 耐久性好, 渗透系数<i×10-8cm/s等。该工程止水系统材料性能见表2。
3 结构设计
3.1 坝体分区及坝料设计
根据该工程各种筑坝材料的性质和面板坝的工作条件, 混凝土面板以下坝体分为垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区, 在周边缝下游部位设有特殊的垫层小区。垫层区主要为混凝土面板提供一个均匀、稳定的低压缩性基础, 同时满足渗透稳定准则及严寒地区垫层料透水准则。设计要求选用质地新鲜, 坚硬且具有较好耐久性的石料经过加工而成, 最大粒径≥8cm, <0.5cm的含量为25%~40%, <0.01cm的含量≤5%, 连续级配料, Cu>20, 渗透系数K=i×10-3cm/s。施工中将垫层料与过渡层料铺筑和碾压结合, 俩区坝料同步填筑碾压。既达到了面板有均匀、稳定的支撑, 又达到了节约用料降低造价的目的。
主堆石区为坝的主体, 其石料的质量、密度、沉降量的大小直接关系到面板大坝的安危, 设计要求该料石质坚硬、级配良好, 最大粒径≤60cm, <0.5 cm的含量≥20%, <0.01 cm的含量≤5%, 连续级配料, Cu>15, 次堆石区主要用于保护主堆石体及其自身边坡的稳定。
3.2 混凝土面板、趾板及止水设计
大多数观测资料表明, 在水荷载作用下, 面板的大部分区域受压, 仅在坝顶和近岸边处有拉应变。面板应变和堆石体变形特性密切相关, 与其厚度关系不大。该工程的混凝土面板厚度采用连续变截面形式, 最大厚度为0.5m, 最小厚度为0.3 m。面板间伸缩缝只设纵缝, 不设永久水平缝, 面板垂直缝间距河谷中部为12 m, 两岸垂直缝间距为6m, 面板最大板块斜长91.05 m。在面板中部设单层双向钢筋, 适当增加面板钢筋含量 (每向配筋率0.4%) 。并选择面板混凝土的有利浇筑时机, 避免混凝土早冻。
趾板是以灌浆帷幕为主的地下防渗体系与地上防渗结构的连接部位, 是一个承上启下的防渗结构。采用平趾板型式布置, 板厚0.8m。趾板线由面板底面与趾板下游面的交线控制。本工程趾板宽度依据基岩风化、破碎情况, 允许渗透比降和基础处理措施综合确定, 趾板最大宽度6.0m, 最小宽度4.0m, 趾板每12 m设一道伸缩缝。为保证趾板与基岩的可靠连接, 通过锚杆锚固试验, 并参照已建工程经验, 在趾板内设置φ28锚筋, 插入岩石深度3.5m, 每1.2m2布置一根。
4 主要运行监测结果
4.1 坝体沉降
大坝的沉降监测分两个高程、五个测点进行。监测发现:大坝的沉降量随大坝填筑高度增加而增大, 符合一般规律。当大坝填筑到顶后, 各测点沉降量增加很少, 蓄水后各测点沉降量也没有明显增加, 即大坝后期沉降不会很大。竣工期最大沉降点在坝轴线处, 最大沉降值为20.2cm, 占坝高 (56.6m) 的0.38%, 蓄水期最大沉降值为25.2cm, 占坝高 (56.6m) 的0.47%, 在国内同类工程中属偏小。
4.2 坝体水平位移
通过各高程处引张线水平位移计对坝体水平位移进行监测, 监测发现:测点水平位移变化有规律, 施工期的位移量总体上向上游移动, 蓄水后位移方向指向下游, 且水平位移均不大, 多年后总体趋于稳定。
4.3 面板周边缝位移及渗流监测
利用7个测点对周边缝的沉降、剪切及开合度过程线进行测量, 测量发现该工程混凝土面板周边缝的变形较小, 即周边缝止水破坏的可能性较小。
渗漏监测发现, 渗漏量为13.9×10-3 m3/s, 年渗水量为44万m3, 小于设计渗漏量。
5 结语
经过大量的试验研究及参考已有工程经验, 该混凝土面板堆石坝在遵循传统理念进行设计的同时, 也结合气候特点采取了一些相应的改进措施, 保证了大坝能较好的适应极端气候运行的要求。水库蓄水后经历了几个严冬, 通过大坝的沉降、位移、渗流量等参数监测分析发现, 大坝的总体运行状况良好。
参考文献
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[2]陆述远, 唐新军.一种新坝型——面板胶结堆石坝简介[J].科技创新导报, 1998 (2) .
学 生：艾浩然 指导教师：张立仁 三峡大学科技学院 课题来源
本设计题目来源于H市JX县水库工程，属设计类课题。该电站位于HB省JX县的GT河干流上。距s市区直线距离为53km，公路里程77km，距JX县城公路里程45km。电站总装机容量1000MW，装机4台，单机容量250MW。电站建成后接入电网，在系统中担负调峰填谷、调频调相和紧急事故备用等任务。电站枢纽主要由上水库、水道系统、地下厂房系统及地面出线场、下水库拦河坝和拦排沙工程等组成，工程等级为一等。电站建成后接入j南电网，在系统中担负调峰填谷、调频调相和紧急事故备用等任务。编制本工程混凝土施工组织设计的目的和意义
施工组织设计是用以组织工程施工的指导性文件。在工程设计阶段和工程施工阶段分别由设计、施工单位负责编制。施工组织设计是对施工活动实行科学管理的重要手段，它具有战略部署和战术安排的双重作用。它体现了实现基本建设计划和设计的要求，提供了各阶段的施工准备工作内容，协调施工过程中各施工单位、各施工工种、各项资源之间的相互关系。
施工组织是项目建设和指导工程施工的重要技术经济文件。能调节施工中人员、机器、原料、环境、工艺、设备、土建、安装、管理、生产等矛盾，要对施工组织设计进行监督和控制，才能科学合理的保证工程项目高质量、低成本、少耗能的完成。施工组织设计是项目建设和指导工程施工的重要文件，是建筑施工企业单位能以高质量、高速度、低成本、少消耗完成工程项目建筑的有力保证措施，也是加强管理、提高经济效益的重要手段，也是很正确处理施工中人员、机器、原料、方法、环境及工艺与设备，土建与安装写作，消耗与供应，管理与成产等各种各样的矛盾，科学合理地、计划而有序地均衡地组织项目施工生产的重要保障。
本次毕业设计是对大学四年所学知识的总结和运用，通过对水利枢纽工程的了解和个人知识的掌握，本次毕业设计选择《HW工程下水库混凝土施工组织设计》作为题目。本课题主要解决
1、混凝土施工组织设计。
2、坝体混凝土温控和防裂措施。
3、混凝土外观质量保证措施。通过本次设计，运用几年来所学的理论知识及专业知识，结合毕业设计的任务进行思考、分析应用，提高我们独立思考与独立工作的能力，同时也加强了计算、绘图、编写设计文件、使用规范、手册能力的培养，使我们成为合格的水利人才。阅读的主要文献、资料名称，国内外现状和发展趋势
3.1 文献资料概述
1）SL303-2004，水利水电工程施工组织设计规范 2）DLT5144-2001，混水工凝土施工规范 3）DLT5215-2005，水工建筑物止水带技术规范 4）DLT5169-2002，水工混凝土钢筋施工规范 5）DL/T5110-2000，水电水利工程模板施工规范
7）潘家铮.重力坝设计[M].北京：水利电力出版社，1991 8）朱伯芳，高季章，陈祖煜，厉易生．大坝设计与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2002 6）李香云.国外国际河流的主要开发方式 《水利发展研究》-2010年1期
9）李瓒，陈兴华，郑建波，王光纶．混凝土拱坝设计[M].北京：中国电力出版社，2000 11）朱伯芳．大坝应力控制标准研究[J].水力发电，2000 12）SL282—2003，混凝土拱坝设计规范[S] 10）朱伯芳.当前混凝土坝建设中的几个问题《水利学报》ISTIC EI PKU-2009 13）SL319—2005，混凝土重力坝设计规范[S] 15）杨强，吴浩，周维垣．基于h-型自适应有限元的大坝应力取值研究[J].水利学报，2005 17）邵政权，李胜福，崔宝平，等．改善重力坝坝踵区应力分布方法的探讨[J]．东北水利水电，2003 18）满卫东.《黑龙江水利科技》-2007年2期 19）任青文，钱向东，赵引，等．高拱坝沿建基面的破坏和安全度研究[J].水力发电，2002 20）熊静，张建海.向家坝水电站重力坝深层抗滑稳定性研究.四川建筑科学研究[J].2009 21）金峰，周建平.重力坝在校核地震工况下核算方法的建议.水力发电[J].2009 14）陈胜宏，汪卫明等小湾高拱坝坝踵开裂的有限单元法分析[J].水利学报2003 16）杨清平，李俊杰．重力坝坝踵主拉应力区分布规律的探讨[J]．水利学报，2000 3.2 重力坝混凝土施工的现状、特点及发展趋势
3.2.1重力坝混凝土施工的现状
混凝土筑坝技术二十世纪70年代由国外首先起用，我国于80年代初开始研究，并于1986年建成了第一座碾压混凝土重力坝-福建省坑口大坝。在推广初期，部分学者对层间结合、坝体防渗等产生疑虑和争论，曾一度减缓了碾压混凝土坝的应用进程。随着深入的试验研究，原材料、混凝土配合比及施工机械、施工工艺的改进，先进科学的设计理论和实践，碾压混凝土筑坝技术不断提高，日趋完善，解决了各类问题：采用高掺粉煤灰等外掺料，选用适宜水泥、砂石骨料、优质复合型外加剂、核子水分-密度仪国产化研制；石料对碾压混凝土性能的影响规律；对碾压混凝土拌和、运输、摊铺、压实的机械设备不断改进，调整了混凝土稠度Vc值的控制范围；坝体防渗结构的演化发展；在混凝土摊铺、浇筑及分缝处理，分层碾压、模板工程等施工工艺不断改进和提高，研究了变态混凝土、斜层平摊铺筑、诱导缝施工及恶劣环境下的施工技术等新工艺，进一步提高了碾压混凝土大坝的质量，对垂直、水平及其他方向的混凝土芯样检查，芯样已达10m（若不受钻孔机具限制，可能会更长），压水试验的透水率平均水于1Lu，抗剪断试验的破环面不在层面结合面，观测仪器的数值均证实大坝运行正常，大坝渗漏、变形值与常规混凝土相同。近几年来，我国碾压混凝土筑坝技术得到了飞速的发展，1993年建成了当时世界上最高的坝高75m的普定碾压混凝土重力坝在建的龙滩大坝（坝高初期196m，终期216.5m）是世界上最高的碾压混凝土重力坝；坑口碾压混凝土重力坝、普定碾压混凝土拱坝两个项目都获得了国家科学技术进步一等奖。随着施工水平和能力的提高，我国碾压混凝土筑坝速度更有了明显的进步，三峡三期上游碾压混凝土重力式围堰高121m，仅用4个月完成总方量110万/m³。其月、日最高强度达到47.5万/m³、2.1万/m³，均居世界首位。截止目前为止，我国已建、在建的碾压混凝土大坝60多座，围堰近20座，我国碾压混凝土筑坝技术已处于国际领先地位。
3.2.2混凝土施工的特点
混凝土施工具有结构厚、体形大、钢筋密、混凝土数量多。工程条件复杂和施工技术要求高。混凝土的截面尺寸较大，在混凝土硬化期间水泥水化过程中温度增高，使混凝土内外温差过大，内外温差产生的温度应力大于混凝土的抗拉应力，是导致混凝土结构出现裂缝的主要因素。在混凝土施工中必须考虑温度应力的影响，在高温下拌和浇筑混凝土，水分蒸发快，诸多原因引起坍落度损失，难以保证所设计的坍落度，易降低混凝土的强度，抗渗和耐久性。若掺用减水剂的混凝土，温度高，气泡易挥发，降低其含气量，且变得不稳定，空气量难以控制，使混凝土坍落度的控制变得较为困难，由于夏季温度高，水泥水化反应快，混凝，土凝结较快，施工操作时间变短，容易因振捣不良造成蜂窝、麻面以及冷缝等质量问题。
3.2.3重力坝混凝土施工发展趋势
早期的碾压混凝土坝大多采用胶凝材料用量较低的贫浆碾压混凝土水泥＋活性掺和料在每立方米100kg以下，现在大多采用胶凝材料用量较高的富浆碾压混凝土水泥＋活性掺和料在每立方米150kg以上。富浆碾压混凝土坝是当今世界上比较流行的趋势。
综合世界上已建成的碾压混凝土坝的平均水平，胶凝材料用量在每立方米150kg3以上的碾压混凝土坝占45%左右，胶凝材料低于每立方米100kg的碾压混凝土坝不足13%。中国碾压混凝土坝的平均胶凝材料用量是每立方米173kg，其中水泥每立方米79kg、活性掺和料每立方米94kg。
近年来胶凝材料的概念也出现了新的变化。过去人们认为胶凝材料是指水泥加活性掺和料，最早使用的活性掺和料多为粉煤灰。随后人们发现了更多有价值的掺和料，并认识到了适当的石粉掺量7.5%左右 对提高碾压混凝土强度的作用。最近出现了由多种活性掺和料混合而成的胶凝材料，其中可以完全没有水泥成分，而且世界上已有7座碾压混凝土坝使用了这项新技术。3.3 目前混凝土重力坝的原理、施工工艺和方法
3.3.1混凝土重力坝的原理
重力坝是依靠坝体自重在坝基面产生摩阻力来抵抗水平水压力以达到稳定的要求利用坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度的要求。
3.3.2混凝土重力坝的施工工艺
具体施工工艺如图3.1所示
施工准备 缝面处理 模板安装 钢筋绑扎 混凝土拌和 汽车运输 MD900塔机、轮胎吊车 止水片安装、金结埋件安装 仓位验收 混凝土浇筑 养 护
3.1混凝土重力坝的施工工艺
3.3.3混凝土重力坝的施工方法
大坝混凝土施工主要是坝体混凝土的模板、钢筋、止水制安，缝面处理，坝体RCC混凝土、常态混凝土、预制混凝土的浇筑。
大坝缝面处理位置是坝基建基面、混凝土浇筑层间水平接合面、施工冷缝。
建基面缝面处理。在坝基开挖验收后，由人工清除基面上松动岩石和杂物，清理干净，然后由人工用压力水将基面冲洗干净，冲洗水用电动潜水泵排到仓外。
混凝土浇筑层间施工缝处理。当混凝土浇筑收仓后，混凝土终凝24小时后由人工用高压冲毛机进行冲毛处理。
施工冷缝面处理。因施工和天气原因造成的施工冷缝，由人工与装载机配合处理至下层混凝土面，人工用高压冲毛机冲洗干净，经工程师批准后按照冷缝混凝土浇筑技术要求进行混凝土浇筑。
RCC混凝土浇筑。RCC基础混凝土由右岸拌和楼生产，20t自卸汽车水平运输，大坝两台MD900塔吊和50t轮胎吊吊灌入仓，人工振捣整平。
预制混凝土浇筑。预制混凝土由右岸拌和楼生产，5t自卸汽车水平运输，16吊轮胎吊入仓，人工振捣整平。3.4 施工过程中可能出现的问题或事故
3.4.1没有完整的施工、组织规范
重力坝的建造作为一项大型工程，其施工周期长，施工人员多，技术指标和规范复杂。但是很多的施工单位在施工的时候没有制定一套切合实际的完整规范，或者已经制定严格的规范措施，但是在施工时因为监理没有到位导致规范没有被严格执行，从而导致安全隐患。例如，在施工过程中没有严格按照：开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖。的规定顺序进行施工，就可能导致基坑开挖边坡的稳定性得不到保证。
3.4.2水泥的配合比不正确
即施工单位为了控制工程造价，在进行搅拌桩施工时没有严格按照设计规定加入足够量的水泥，从而导致搅拌桩的强度严重不足，导致安全隐患的产生。
3.4.3 没有采纳专家评审的修改方案
重力坝作为一项复杂的大型工程，在工程施工期间会遇到很多的问题。有经验的专家评审工程师会根据实际施工的情况对施工方案进行修订。但是在实际的施工过程中，很多的施工单位为了图施工的方便，没有严格按照工程师给出的修订方案对施工要求进行必要的纠正，特别是在深基坑施工工程中，因为施工单位没有及时依据工程师修改制定的施工方案进行施工而导致安全隐患、工程质量问题，甚至是安全事故的情况常有发生。
3.5 质量评价
水工混凝土的技术指标要求较多，如抗压、抗渗、抗冻、极限拉伸值以及抗冲耐磨、抗侵蚀等，在混凝土配合比设计阶段，必须通过试验论证达到要求指标，确定施工配合比。SL/T191－1996《水工混凝土接过设计规范》把立方体抗压强度标准值作为力学指标的基本代表值。在现场混凝土施工中，均以150mm立方体试件的抗压强度为主要控制指标。设计的主要内容及成果要求
4.1 主要内容
1.原材料选择和配合比 2.混凝土浇筑方案选择 3.混凝土运输与浇筑机械设备 4.混凝土浇筑 5.特殊季节的施工 6.质量安全保证措施 7.进度
4.2 成果要求
1、开题报告一份。要求同学对国内外混凝土工程的施工技术、方法、发展现状等有深刻的认识。开题报告内容不少于4000字。
2、译文一篇。至少3000字，要求外文与中文翻译内容相符。
3、设计说明书一份。要求符合工程上常规施工组织设计的编写规定，论据充分合理，有必要的计算过程及相应的施工细部说明图。
4、HW工程下水库混凝土施工组织设计一份。
5、相关设计内容图纸一套。
6、毕业答辩PowerPoint文档一份。设计的方法及手段
通过熟悉资料，查阅相关资料，搞清楚了资料的来源以及如何使用资料认真阅读《水工设计手册》等设计指导书，熟练掌握设计规范。根据所给资料和所学的知识，进行枢纽的布置和坝型、坝轴线的选择，并确定枢纽主要建筑物的基本尺寸。参观实验室模型以及外出对水库进行实地调研考察，提高自己的感性认识。要完成此次设计还需要通过图书馆和网络查找有关水利水电工程枢纽，建筑物布置及设计等方面的资料，认真听取指导老师的意见，和同学们相互交流，进行工程类比，工程借鉴，才能最终顺利完成此次毕业设计。设计进度
整体进度如下：
1、）2013.12.15~2014.1.7，完成外文翻译及文献综述，质量达到规定要求；
2、）2014.1.8~2014.2.15，完成开题报告编写，质量达到规定要求；
3、）2014.2.16~2014.3.30，完成基础编写过程；
4、）2014.3.31~2014.4.30，完成毕业论文正文编写，提交论文初稿，由指导教师批阅、修改；
5、）2014.5.1~2014.5.15，提交论文二稿，由指导教师批阅、修改；
6、）2014.5.15~2014.5.25，交毕业论文正本，质量达到规定要求；
7、）2014.5.25~2014.5.30，指导教师将评阅好的毕业论文交教研室，进行形式审查，上网查询及交叉评阅；
8、）2014.6.1-2014.6.10，答辩； 现有条件及需采取的措施
7.1 现有条件
本人在校期间已经经过三年半的学习，其中有已经完成了水力学、水文学、工程地质、材料力学、画法几何等专业基础课及水工建筑物、水利工程施工等专业课的学习，具备了工程设计的基本理论知识
设计中所用到的资料来自于可研阶段的工程实际资料和《水工建筑物设计规范》等。我们大学期间所学的《水工建筑物》、《工程施工》、《水工CAD制图》、《结构力学》、《水力学》、《土力学》、、《水文学》、《建筑材料》等课程，是顺利完成本次毕业设计的现有条件。
7.2 相应的措施
混凝土面板堆石坝筑坝技术是现代坝工建设领域取得的一项具有重大意义的技术成就。该坝型具有造价低、安全性高和适应性强等诸多优点, 因而受到坝工界的普遍重视, 具有极好的应用前景, 是许多工程的首选坝型[1]。但众所周知, 混凝土面板的防裂是混凝土面板堆石坝进一步发展的关键技术难题之一。因此, 很有必要对造成面板裂缝的原因和解决措施进行研究。
1 混凝土面板的裂缝机理
就堆石坝面板产生的裂缝而言, 可能发生两类裂缝, 即结构性裂缝和非结构性裂缝两类[2]。
1.1 非结构性裂缝的产生机理
混凝土面板非结构性裂缝主要是由于面板混凝土在自身和各种外界因素作用下产生收缩变形所致。主要有以下几种类型:
1.1.1 塑性收缩裂缝。
塑性收缩裂缝是当处于塑性状态的混凝土面板表面水分的蒸发率大于沁水上升到表面的速率时出现的。主要由于混凝土温度高、气温高、空气湿度小、风速大等原因造成。塑性收缩常常发生在新拌混凝土初凝前, 如果塑性收缩较大, 可能产生水纹形状的龟裂, 但裂缝深度一般不大。
1.1.2 温度收缩裂缝。
温度裂缝是由于施工期水泥水化热的作用, 或者外界气温骤降, 使面板内外形成温差, 进而形成引起温度应力使混凝土因内外变形不一致在表面产生拉应力, 当拉应力大于混凝土的抗拉强度时就会产生裂缝。
1.1.3 干燥收缩裂缝。
干缩裂缝是由于混凝土在硬化过程中, 表面水分蒸发速度快于内部, 而混凝土的湿度扩散系数非常低, 造成混凝土表面发生干缩变形, 而在表面产生拉应力, 当应力过大时就会产生裂缝。
1.2 结构性裂缝的产生机理
结构性裂缝是面板在外力作用下产生的裂缝, 裂缝主要是由于堆石体在其自重和水压力作用下产生不均匀沉降和水平位移, 导致面板与垫层之间脱空, 使得面板受力变形产生贯穿性裂缝。其中坝体变形的成因主要有四种, 分别是:加载变形 (坝体和库水自重增加引起的坝体混凝土面板堆石坝中面板的裂缝产生原因分析, 处理方法、处理效果的监测结果以及防范措施等变形) 、湿化变形 (下游尾水位和浸润线抬高导致部分坝体增湿饱和引起的变形) 、流变变形 (长时间运行期坝体流变产生的变形) 和震动变形 (地震激励下坝体的变形) 。
2 混凝土面板常用抗裂措施探讨
2.1 面板非结构裂缝的控制
要防止混凝土面板出现非结构裂缝, 根本的方法是要获得抗裂性能高的混凝土。主要是从面板本身所用的材料和面板施工方法上采取措施。具体做法有:
2.1.1 优化混凝土性能, 提高混凝土自身抗裂能力。
除了所有的原材料、掺合料及外加剂必须是正规厂家, 并经试验室复检为合格品外。还要尽量从以下方面着手:
a.水泥要采用水化热低、早强型水泥, 标号不低于32.5MPa。采用此种水泥拌制的混凝土初期抗拉强度增长快, 极限拉伸值大, 水化热量小, 有很好的抗裂性能;
b.选用线膨胀系数小的骨料配制混凝土, 以减少因温度变化引起混凝土的体积变形。同时可以适当加入一定的掺合料, 如在混凝土加入粉煤灰 (取代相同数量的水泥) , 不但节省了混凝土成本, 而且改善了混凝土性能, 提高了混凝土的抗裂性能。
c.选用优质混凝土减水剂和引气剂, 在满足混凝土施工坍落度的前提下, 降低面板混凝土的单方用水量, 以减少混凝土的干缩量, 同时提高混凝土的抗裂性能。
d.使用掺纤维混凝土。在混凝土中掺加适量的聚丙烯纤维, 可以抑制早期裂缝形成和发展;降低混凝土的弹性模量, 提高混凝土的极限拉伸值;提高混凝土的抗冻等级, 改善抗渗性和耐久性。
此外, 混凝土拌和物应满足面板施工的要求, 具有较好的和易性、流动性、凝聚性。
2.1.2 优化混凝土施工配合比。
根据《混凝土面板堆石坝施工规范》及设计技术要求, 结合原材料、掺和料及外加剂的选用情况, 以及现场施工条件, 进行择优配制。然后检测拌制混凝土的和易性, 检测成型混凝土的抗压、抗拉、抗折强度和极限拉伸率, 以及抗渗、抗冻指标, 从中选出最优的, 适合施工的配合比。
2.1.3 采用混凝土的补偿收缩技术。
混凝土的早期裂缝主要是由于干缩变形、温度变形引起的, 而补偿收缩混凝土就是使混凝土适当膨胀, 来抵消其有害的收缩, 从而达到避免或大大减轻混凝土开裂的目的[2]。
2.1.4 选择合理的施工时间, 减少混凝土早期收缩变形。
面板混凝土性能良好, 只能提高自身抗裂能力, 要防止面板裂缝, 还针对引发面板裂缝的外因——干缩、冷缩、变形及约束等, 制定相应的施工技术措施, 改善面板施工环境和施工工艺。如面板浇筑前坝体需有3个月以上的预沉期。另外北方应选在秋季和春季施工, 南方应选在冬春季施工。即选在温度较低 (0~20℃) , 且温差变化较小的季节。开仓时间一般在每天中午11时~下午16时等。
2.1.5 加强施工工艺措施, 注意混凝土保养和减少面板约束。
面板混凝土浇筑时, 应严格控制混凝土浇筑的连续性、均匀性, 做到振捣密实。严格控制混凝土浇筑质量, 做好浇筑时的温度检测工作, 可采用如光栅、光纤测温等新型埋入式检测仪器设备进行混凝土温度监控。浇筑完成后, 必须做好面板混凝土的保温、保湿等养护工作。另外可以在基础面上重新涂一层3mm左右厚的乳化沥青, 创造一个良好的基础面, 减小了基础面对的约束力且使应力均匀分散。同时可采用聚氨脂等新型优质保温、保湿材料进行面板表面的快速防护, 以减小混凝土面板的湿差应力和温差应力。
2.2 结构性裂缝的防治
2.2.1 做好坝基、坝坡的处理。
地基开挖清理, 要力求连续平顺, 避免因地基突变而引起不均匀沉陷, 导致混凝土面板局部应力集中。开挖后的建基面不应有反坡, 若出现反坡均应处理成顺坡;岸坡开挖清理后的坡度符合设计规定;坝基底部保留的砂砾石层, 应根据其密度与级配情况, 由设计单位确定保留的范围和厚度。保留部分的表层应在坝体填筑前用重型振动碾或夯板进行压实和夯压, 并达到设计标准:坝基防渗处理应按设计要求进行, 使之符合大坝正常和安全运行要求。
2.2.2 提高堆石体碾压质量, 预留堆石体预沉降期。
堆石体变形的控制主要控制填筑密实度和岩体强度。垫层、过渡层与相邻的主堆石区的填筑应按照平起填筑、均衡上升的原则组织施工;各坝体分区, 各部位应有计划、有呼应的连续填筑;垫层区、过渡区、主堆石区的上料顺序为从上游向下游铺料, 避免形成“梯田式”或“鱼背式”的填筑坝面。在面板施工前, 相应的坝体应至少有三个月的预沉降期, 以减少面板脱空和结构性裂缝的产生[3]。
2.2.3 优化混凝土面板设计参数等。
a.面板设计厚度一般按下列公式进行计算:t=0.3+ (0.002+0.0035) H。其中:H为断面底至面板顶部垂直距离, m。
b.面板混凝土标号一般不低于C20, 不高于C30。对面板进行分缝、分块一般采取垂直接缝, 将面板分成若干条板, 也可在面板将要开裂处增加诱导缝, 这样可以释放该处的拉应力, 增强面板的柔性
2.2.4 面板合理分缝及合理配置钢筋。
根据三维非线性有限元计算结果, 面板在大坝两坝肩周边处呈三维复杂受力状态, 且多为受拉区, 而面板中部多为受压区。根据上述受力特点, 受拉区面板宜采用窄型板, 并设置张性缝;受压区面板宜采用宽型板, 并设置压性缝。压性缝间布置隔缝材料, 避免压应力过大而引起面板抬动或翘起。此外, 在面板受拉区、压应力较大部位、周边缝等重点部位应布置双层钢筋, 提高面板适应变形的能力。
2.2.5 采用双层面板技术。
这一结构措施是将混凝土面板在厚度不变的情况下设计成为双层面板, 层间采取隔离措施, 去掉上下两层之间的约束, 使上下层面板功能分割、释放层间变形, 以减小面板的拉应力, 实现面板的防渗抗裂功能[2]。
3 面板裂缝应对措施
工程实际中发现面板混凝土裂缝, 应对混凝土现状进行调查、仔细研究产生裂缝的原因, 裂缝是否已经稳定, 若仍处于发展过程, 要判断该裂缝发展的最终状态。具体可以从以下几方面着手:a.判明是结构性裂缝还是非结构性裂缝;b.查明裂缝的宽度和长度及深度;c.判明裂缝是发展的还是稳定的;d.根据裂缝类型, 稳定状态, 和对面板破坏的严重性并结合结构耐久性、抗渗、抗震、使用等方面要求采取修补措施。
3.1 面板混凝土裂缝的修补措施
对于出现的裂缝, 在根据裂缝调查结果、建筑物重要性、使用功能和裂缝控制标准进行裂缝危害性分析后, 应严格按照规范标准要求和设计认可的处理方案对裂缝进行相应的处理。常规的处理方法主要有以下四种[3]:
3.1.1 表面干缩裂纹不用处理。
3.1.2 0.2mm以下的非贯穿、非共通性裂缝, 只进行表面处理。具体方法如:在裂缝上用33cm宽的复合SR防渗盖片进行粘接封闭, 裂缝两端复合SR防渗盖片各延长30cm后结束封闭。
3.1.3 D<0.2 mm的贯穿或贯通性裂缝, 进行表面处理。裂缝上用33cm宽的复合SR防渗盖片进行粘接封闭, 在面板垂直结合部与垂直缝表层SK防渗盖片连接封闭。
3.1.4 0.2mm≤D≤0.5mm宽裂缝, 要在裂缝表面凿出4×4Y的“V”型护缝槽, 内部充填SR-24材料后, 表面用33cm宽的SR防渗盖片进行连接封闭, 在扩缝槽部位的复合SR防渗盖片局部作出一半径为5cm的小鼓包, 以满足裂缝填充要求。对于此类宽缝亦可采用化学灌浆的方法, 辅助处理裂缝。
如果面板裂缝较多, 且多为结构性贯穿裂缝, 严重影响面板使用功能, 则应按要求重新浇筑。
4 结论
从今后坝型的选择看, 混凝土面板堆石坝是非常有工程价值的经济坝型。防止混凝土面板裂缝是面板堆石坝的关键问题, 须予以高度重视和认真对待。本文对裂缝的成因、应对措施以及处理方法进行了初步探讨, 具体工程实际中还需要我们按使用功能、建筑物重要性、等级和设计要求, 尽量多观察、多比较、多分析、多总结, 采取各种有效措施控制混凝土裂缝的产生, 从而确保工程质量。
摘要：混凝土面板堆石坝是具有很好发展前景的新坝型, 但混凝土面板裂缝问题相当普遍, 是面板施工中的一个难题。对混凝土面板裂缝的结构性裂缝和非结构性裂缝成因进行了探讨, 并提出了混凝土裂缝的应对措施以及处理方法。
关键词：混凝土面板堆石坝,混凝土,裂缝,措施
参考文献
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[2]麻媛.堆石坝混凝土面板裂缝成因及防裂措施[J].建材技术与应用, 2007 (4) :36-38.
云南省兰坪县某水库位于云南省怒江州兰坪县北西、丰坪村附近的挂登河上, 总库容3 230.7万m 3, 开发任务是以农业灌溉为主, 兼顾村镇供水及发电。拦河大坝为混凝土面板堆石坝, 坝顶高程2 610.1m, 最大坝高65.1m, 坝顶宽度7.2m, 坝顶长138.0m。
2004年1月, 大坝开始填筑, 2004年5月填筑高程达到2 576.0m, 2005年5月填筑高程达到面板顶2 607.0m, 2005年9月面板混凝土开始浇筑, 2006年4月面板浇注完毕, 2006年12月填筑封顶, 高程达到2 609.9m。2007年7月通过大坝安全鉴定, 同年11月下闸蓄水, 2008年4月蓄水至2 581.0m。
2大坝监测工程设计
为了监测坝体内部垂直位移及水平位移变化, 在堆石体内部Bh 0+077.285处设置典型观测断面, 见图1。垂直位移监测采用溢流水管式沉降仪 (SC型) , 共10套 (T1—T10) , 可直接测读坝体内部各点沉降量 (规定沉降为正, 抬升为负) ;水平位移监测采用引张线式水平位移计 (ZP型) , 共9套 (Y 1—Y 9) , 可测量坝体内部沿上下游方向的水平位移 (规定向下游为正, 向上游为负) 。
面板混凝土应变监测仪器包括无应力应变计, 双向应变计和三向应变计, 均采用差动电阻式应变计 (DI—10型) , 规定应变为正值则受拉, 应变为负值则受压。面板自由应变监测布置9套 (N 1—N 9) 电阻式无应力应变计 (配DI—10型) , 可直接测量面板的自由体积变形产生的应变;同时布置4个双向应变计 (s2i (i=1, 2, 3, 4) ) 和7个三向应变计 (s3i (i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) ) , 双向应变计监测面板水平方向和顺坡方向的变形, 三向应变计则增加了对面板斜向变形的监测。具体位置见图2。
坝体渗流量观测对于深覆盖层坝基面板堆石坝是至关重要的监测项目之一。本工程在下游坝坡坡脚处设置一个高40cm、宽80cm的直角三角形量水堰进行观测, 堰板采用1m×1m×0.01m不锈钢板制作。
以下就典型测量结果进行分析。
3观测资料分析
3.1坝体内部变形监测数据分析
3.1.1坝体内部垂直位移监测数据分析
由图3可知, 坝体沉降在坝体填筑结束时, 绝大部分已经完成。同一高程各测点沉降值变化规律基本相同, 坝轴线处沉降位移量最大, 依次向坝轴线两侧沉降量减小, 基本对称于坝轴线, 说明坝体填筑较为均匀。各测点前期沉降较快, 随着上覆堆石体的增高和时间的推移, 测点的沉降速率逐渐降低。施工期沉降曲线速率变化较快, 应是与坝体填筑密切相关。这种变化规律符合施工期堆石体的实际加荷沉降规律。
水库水位对坝体内部沉降位移影响不明显, 当库水位达到一定高程并继续升高时, 沉降位移量会略有增大, 说明竣工后坝体填筑密实度较高。
坝体内部最大沉降量为坝轴线处测点T5在2009年2月17日的测值65.0 cm, 发生在2/3坝高处。由表1[1,2,3,4,5]可知, 与同类坝型相比, 某水库混凝土面板堆石坝的沉降量偏大。
3.1.2 坝体内部水平位移监测数据分析
由图4可知, 坝体内部各测点的水平位移蓄水前绝大部分已经完成并且变化规律相似, 坝体上游侧堆石体向上游方向移动, 下游侧堆石体向下游方向移动, 越靠近坝体边缘处位移量越大。
随着库水位的不断升高, 坝体内部各测点有均向下游移动的趋势, 但上游及坝轴线处测点受库水位影响较为明显, 下游测点受库水位影响很小。
由表2[1,2,3,4,5]可知, 与同类坝型相比, 坝体内部向上游水平位移偏大, 向下游水平位移是比较小的。
3.2 面板应变监测数据分析
面板混凝土无应力应变计, 双向应变计和三向应变计监测基准时间为2005年11月10日, 由图5、图6、图7整体来看, 所有测点所有方向应变值基本为正值, 处于受拉状态。各个测向的数值与温度的关系明显, 温度升高时应变减小, 温度降低时应变增大, 但应变测量值的变化范围较小。水库蓄水以后, 面板应变最大测值比蓄水前小, 说明水库蓄水后对面板的受力有利, 面板更安全了。
由图5可知, 水库蓄水以后, 无应力应变计测值与库水位有同步变化的趋势, 但分析N1所处位置的高程2 602.0 m可知, 2009年9月之前N1尚未被库水淹没, 由此推断无应力应变计测值变化和库水位应该没有关系, 主要受温度影响较大;由图7可知, 三向应变计S
由表3[3,5,6]可知, 与同类坝型相比, 混凝土面板拉应变值较小。
3.3 坝体渗流量监测数据分析
由图8可知, 在蓄水初期坝体渗流量基本没有发生太大变化, 渗流量保持在2.10 L/s左右。2007 年11月10日开始蓄水后, 渗流量总的趋势是随水库水位升高而增大, 随着水库水位的下降而减小。2009年9月22日时库水位为2 603.52 m, 此时渗流量出现最大值13.8 L/s, 之后库水位虽有升高, 但是渗流量却在减小。
每年的7月至9月期间, 渗流量都有明显的增加过程, 分析原因主要是受当地雨季降雨的影响, 每年的这个时期降雨量都比较大, 库水位相应也在升高。
为使不同规模大坝的渗流量 (Q) 具有可比性, 有些刊物提出, 基于渗流量多发生在面板的周边, 建议用单位长度周边缝上的渗流量q值作为一项比较标准 (q=Q/L) 。由于各坝面板的实际周长资料很难获取, 但是坝顶长度 (B) 和坝高 (2h) 都是最基本的工程数据, 所以统一采用坝顶长度与2倍坝高之和的简单公式来代表, 即L=B+2h。此式结果与几个已知大坝实际周长的资料比较后误差小于±10%, 尚在可接受的范围内[7]。
按上述公式计算可得到某水库大坝单位长度周边缝上的渗流量q值为51 mL/ (s·m) , 蓄水后运行始终正常, 未作渗流处理。
调查表明, 蓄水后运行始终正常, 未作旨在减少渗流的工程处理的这一类坝在国内有8座以上, 它们是白溪、万安溪、关门山、小干沟、广蓄上库、乌鲁瓦提、芹山和莲花等。总渗流量在1—24.8 L/s之间。单位长度周边缝上的渗流量q值均小于100 mL/ (s·m) , 在2—62 mL/ (s·m) 之间。国外的此类坝有9座, 它们是Cathana、Murchison、Salvajina、Foz do Areia、Mack-intosh、Kotmale、Winncke、Low Pieman和Ishibuchi。除Cathana和Foz do Areia外, 其他坝均在41—91 mL/ (s·m) 之间[3,7,8,9,10,11]。
与国内外同类坝型相比, 某水库大坝的坝体渗流量相对适中。
4结语[12]
(1) 坝体内部沉降及水平位移过程符合一般规律, 主要受施工期影响, 蓄水后增加量很小。虽然和同类坝型相比测值偏大, 但是各测点的沉降量和水平位移逐渐趋向稳定。
(2) 各应变计测值表明, 面板大部分区域为拉应变且应变值与同类坝型相比较小, 最大拉应变小于混凝土的允许拉应变[13], 面板不会因承受拉应变而产生裂缝。水库蓄水后面板应变最大测值比蓄水前小, 说明水库蓄水对面板的受力有利, 面板更安全了。
(3) 大坝渗流量最大测值为13.8L/s, 与国内外同类坝型比较相对适中。此测值出现在2009年9月22日库水位为2 603.52m时, 之后库水位升高而渗流量减小, 向有利方向发展。
(4) 综合以上坝体内部的沉降和水平位移、面板应变以及大坝渗流量的分析成果, 可以认为至2009年, 某水库混凝土面板堆石坝的总体性状基本上正常。
关键词：混凝土,面板,堆石坝,难点,对策
混凝土面板堆石坝工程中, 仍存在一些不可忽视的问题, 例如最常见也是最重要的问题就是面板裂缝的处理。本文主要分析了混凝土面板结构性裂缝与非结构性裂缝的成因, 从材料与施工工艺的角度切入, 试探性的提出了相应的防治对策, 以供广大同行参考与借鉴, 共同促进我国混凝土面板堆石坝工程高质、高效的开展, 保证坝体日常运行的可靠性。
一、混凝土面板堆石坝工程中面板裂缝的成因
混凝土面板裂缝的种类主要有两种, 第一种是由于坝体出现不均匀变形导致混凝土面板出现结构性裂缝, 第二种是由于混凝土面板自身性能问题产生的收缩性裂缝。不论混凝土面板中出现哪种裂缝, 都会极大地影响石坝运行的安全性, 下文将对这两种裂缝的成因展开分析。
(一) 结构性裂缝的成因
混凝土面板支撑体不仅需要承受自身重量, 还需要承受施工过程中反向水压的作用力, 容易产生不均匀沉降或产生水平位移, 使垫层与面板之间脱空, 进而导致混凝土面板受到过大外力的作用出现裂缝。这种由于外力作用出现的裂缝是造成混凝土面板堆石坝工程后期, 面板出现规律性开裂的主要因素。坝体变形的主要成因分为加载变形、湿化变形、流变变形与震动变形四种。
(二) 非结构性裂缝的成因
混凝土面板整体较薄, 暴露的面积较大, 受到环境温度的影响较大, 施工完成后, 混凝土面板需要硬化, 此时会释放出大量的水与热, 导致混凝土面板温度梯度明显过大, 表层湿度上升, 新浇筑的混凝土表面就会丧失水分, 导致干燥过快, 在内外应力的作用下, 致使混凝土面板开裂。
1塑性收缩裂缝
如果混凝土面板表面水分蒸发速度过快, 超过了沁水上升至混凝土面板表面的速度, 就会出现塑性收缩裂缝。引发塑性收缩裂缝的原因非常多, 包括环境温度过高、混凝土自身温度过高、空气湿度相对较小、风速过大等, 塑性收缩裂缝常见于新拌混凝土初凝之前, 如果塑性收缩程度较大, 就会出现龟裂, 龟裂一般呈水纹状, 裂缝较浅。
2温度收缩裂缝
水泥水化热时, 会产生较多的热量, 如果外界环境温度骤降, 混凝土面板内外就会形成较大的温差, 受到热应力的作用, 就会使混凝土面板内外结构发生变形, 当拉应力超过混凝土面板的抗拉强度的时候, 就出产生裂缝, 这种裂缝即为温度收缩裂缝。
3干燥收缩裂缝
混凝土面板在硬化时, 表面的水分蒸发速率远远超过内部水分蒸发速率, 就会使混凝土面板表层发生干缩变形, 出现拉应力, 当混凝土面板表层拉应力超出面板最大承受强度时, 就会产生裂缝。
二、混凝土面板堆石坝裂缝的处理方法
(一) 结构性裂缝的防治
混凝土面板结构性裂缝多在浇筑初期由于坝体出现了不均匀沉降进而导致混凝土面板与坝体脱空, 当混凝土面板与坝体脱空后, 面板的刚度明显无法承受坝体沉降变形产生外拉力增强, 以致混凝土面板出现细小裂缝, 随着时间的推移, 裂缝逐渐扩大, 最终形成贯穿性裂缝。对于结构性裂缝的处理, 应该将工作重心转移到预防方面, 以预防为主, 治理为辅。
1混凝土面板合理分缝, 科学配筋
在混凝土面板堆石坝设计过程中, 确定主要的受拉区域, 然后在此区域将混凝土面板的模式改为窄型板, 确定主要的受压区域, 在此区域将混凝土面板设计为宽型板, 受拉区域设置张性缝, 受压区域设置压性缝, 每隔一段距离设置一道, 接着向缝隙中填充变形程度较高的填料, 避免混凝土面板由于受压出现升翘现象。另外, 针对两区域受力较大的区域应该科学合理的布设钢筋, 提升混凝土面板抗拉强度, 加强面板整体刚度。
2双层面板施工技术
在混凝土面板堆石坝工程施工过程中, 可以将混凝土面板设置为双层面板, 两层面板中间设置中间层, 降低两层面板之间的约束力, 实现混凝土面板功能分离, 降低面板承受的拉应力, 施放层间变形, 提升面板整体抗拉强度, 避免出现裂缝。双层面板内层由混凝土面板构成, 外层由沥青混凝土面板构成。沥青混凝土面板具有极强的抗拉应力, 变形性能极佳, 渗漏系数非常小, 使用寿命较长, 维护与保养简便, 能够满足工程需要。中间层可以降低两层面板之间摩擦阻力, 减弱两层面板之间的约束力, 抵消变形。
3坝体预留沉降期
为了避免坝体沉降导致混凝土面板出现裂缝, 可以在设计施工时, 为坝体预留沉降期, 即在面板施工之前, 坝体可以发生一定的沉降, 避免后期沉降严重使混凝土面板与坝体脱空, 降低面板出现裂缝的概率。一般来说, 坝体的预沉降期在3个月左右。
(二) 非结构性裂缝的防治
1提高混凝土面板原材料配比合理性
首先, 可以优化混凝土的级配, 控制混凝土弹性模量, 提高混凝土抵抗裂缝的韧性与极限抗拉强度, 降低裂缝出现的概率, 其次, 由于混凝土面板的裂缝成因主要由于水泥水化热产生的热量导致内外应力变化, 我们可以采用水化热低的水泥作为材料, 避免出现温度裂缝, 接着我们可以采用减水剂控制混凝土面板搅拌用水量, 降低混凝土的干燥收缩量, 避免出现干缩裂缝, 最后, 可以在混凝土中参杂一些纤维混凝土, 例如聚丙烯纤维或者钢纤维, 提高混凝土的抗拉强度与韧性, 抑制裂缝的产生。
2降低垫层的约束力
在坝体施工完成后, 混凝土面板浇筑之前, 需要对垫层进行脱空检查, 如果垫层出现了脱空, 必须及时进行处理, 然后修整坡面, 保证坡面的平整度满足混凝土面板堆石坝工程的施工要求。施工过程中, 尽可能地避免混凝土面板钢筋插入垫层。垫层上一般可以涂抹一层乳化沥青, 然后再进行混凝土面板浇筑作业, 降低垫层料间的摩擦力, 保证面板变形时不会因为约束力过大产生裂缝。
参考文献
关键词：混凝土面板堆石坝,塑性,粘弹性,损伤,非线性分析
引言
混凝土面板堆石坝是在堆石坝上游设置混凝土薄板作为防渗体的一种坝型。这种坝型的坝体由可压实的堆石和粘土构成, 因此在分析过程中不能忽视其塑性变形, 目前, 在混凝土面板堆石坝应力变形分析中, 堆石料采用的非线性本构模型主要有Duncan-Chang模型[1]、剑桥模型[2]以及沈珠江提出的双屈服面模型[3]。堆石坝竣工后仍会产生一定的后期沉降, 这主要是由堆石体的蠕变效应引起的, 1985年Parkin[4]采用固结仪对堆石进行了流变试验, 试验发现堆石流变速率与时间在对数坐标下成线性关系;沈珠江等[5]在结合室内实验成果的基础上, 提出了用于反映堆石体流变特性的三参数模型。而且, 作为防渗体, 混凝土面板在施工期间将产生细微的裂缝和微空隙, 在载荷或变温等因素作用下, 这些微裂缝可能扩展并部分连接, 形成宏观裂缝, 因此, 在其静动力学分析中, 必须考虑损伤及损伤演化规律, 建立含损伤效应的本构关系及相应的损伤演化方程。
本文基于沈珠江的双屈服面模型, 建立了混凝土面板堆石坝中堆石体的塑性本构关系;采用Merchantl流变模型, 分析了堆石体的流变特性;基于不可逆热力学原理, 从数学上的不变量出发, 建立了混凝土面板的损伤本构关系及相应的损伤演化方程;考虑面板和堆石体间的耦合效应, 分析了坝体的位移和钢筋混凝土面板的损伤演化过程。
1 基本方程
考虑一座混凝土面板堆石坝, 其几何构型及坐标系的建立如图1所示。设坝顶宽为l1, 坝高为l3, 坝体上下游坡面与坝底的夹角都为, 坝的上游坡面承受载荷q的作用, 且假设坝体为均匀堆石材料构成, 下面分别建立堆石体和钢筋混凝土面板的基本方程。
1.1 堆石体的基本方程
由于堆石坝沿坝长方向的尺寸远大于其截面尺寸, 该问题可视为平面应变问题。堆石体的应力应变分析中, 必须考虑其塑性变形, 结合剑桥模型和邓肯模型的优点, 沈珠江提出了一种双屈服面模型[3], 模型中的两个屈服面f1和f2的表达式如下:
式中, r和s为计算参数, r表示椭圆的长短轴之比, p和τ分别代表八面体压应力和八面体剪应力。应用塑性增量理论, 可得到平面应变状态下堆石体的弹塑性增量本构方程为
式中, 刚度系数 的表达式如下:
其中, SxSvSxv为应力偏量, G为剪切模量, Kp、P和Q表达式如下:
其中
假设上述公式中的塑性系数A1和A2只是应力状态的函数, 与达到此状态的应力路线无关, 利用常规三轴试验的结果, 可以解出其表达式如下所示:
上式中的Et值可由三轴试验中的 关系曲线拟合而来, 且有
其中, 和n为5个计算参数, 准为内摩擦角, 考虑到堆石料的莫尔包线往往不是直线, 采用如下公式计算内摩擦角:
堆石坝竣工后仍会产生一定的后期沉降, 这主要是由堆石体的蠕变效应引起的。为了更合理地反应坝体的应力变形性状, 计算中考虑了堆石体的流变变形, 假定常应力状态下的变形过程为某一逐渐停止的衰减曲线, 最常见的衰减曲线可取为[6]
它可用Merchant模型来解释。式中, εi为瞬时变形, εf为最终流变量。像瞬时变形一样, 将应变张量分解为体应变和偏应变张量两部分, 并对其求导数可得
式中, εvf和εsf分别为最终体应变和剪应变, 均与围压和应变水平Sl有关, 计算中采用如下表达式:
上述表达式中, l、b、d为流变模型参数, 分别代表第一天流变量所占比例, 时的最终体积流变量, 应力水平sÁ:0.5时的最终剪切流变量, e为计算常数, Sl的表达式如下:
根据Prandtl-Reuss假定, 应变率张量由下式给出:
计算过程中, 分多级计算各级荷载下的流变, 即对每次加载分两步计算流变, 先计算荷载增量引起的瞬间变形, 然后分若干时间段按初应变法计算流变变形。在时间段△t内, 初应变为
设 设流变体应变和剪应变的累加值, 则
设板内任意一点, 在任意时刻t沿x, y方向的位移分别为u和v。其增量型几何方程为
平面应变问题的微分平衡方程为
其中γ为堆石坝的比重。综合考虑式 (2) 、 (18) 和 (19) , 得到以增量位移△u和△v表示的混凝土面板堆石坝中堆石体的控制方程为
1.2 混凝土面板的基本方程
混凝土面板可以看作一个处于平面应变状态下的梁, 设梁内任意一点, 在任意时刻t沿
方向的位移分别为u1和u3, 则有
式中, U和W是梁中面相应点的位移。而梁的增量型非线性几何关系为
基于不可逆热力学原理, 从数学上的不变量理论出发, 可以得到梁的弹性应变能为
其中, D为损伤变量, 表示其面积减少与原面积的比值, C10是未损伤材料常数, C11是与损伤有关的材料常数。
根据热力学理论, 有 由此可得增量型损伤本构关系为
由Rice[7]的研究结果可知, 存在一个均匀的耗散势F (x) , 且为
式中B0是已知的材料常数, 其为损伤演化的门槛值。B为另一个标量损伤变量β的对偶力, 且有
式中, λd是一个由损伤面连续性决定的因子, 且有
由式 (28) 、 (30) 和 (31) , 可得梁的损伤演化方程为
式中, Kd为已知的材料常数。
设板中应力增量的合力为△Nf, 应力增量的力偶为△Me, 则由经典梁理论, 得
其中, h为混凝土面板的厚度。
设面板承受水载荷q (ζ, t) 的作用, 综合考虑式 (23) 、 (26) 和 (33) , 得到考虑损伤效应的以中面位移增量△U和△W表示的混凝土梁的非线性静力控制方程为
1.3 边界条件
坝体的边界条件为
梁的边界条件为
梁与坝体之间的连续性条件为
2 计算结果与讨论
在的计算中, 取均质坝的主要尺寸如下:坝顶宽为5米, , 坝高为75米, 混凝土面板厚度取h=0.3米。算例中用到的主要材料参数如下:
图2~图3给出了不同时期堆石坝的沉降位移等值线。图2显示了大坝填筑竣工时坝体的沉降位移等值线。因为堆石坝的构型及载荷都是关于坝轴线对称的, 所以坝的沉降位移也基本上呈对称分布, 最大沉降出现在坝轴线附近的半坝高处, 约为0.471米。图3给出了水库运行五年后, 坝体的沉降位移等值线。从图中可以看出坝的最大沉降为0.695米。计算结果表明, 此后坝体变形增加不明显。图4~5给出了不同时期堆石坝的水平位移等值线。图5显示了大坝填筑竣工时坝体的水平位移等值线。堆石坝的构型关于坝轴线对称且在水库蓄水营运前, 载荷也是关于坝轴线对称的, 所以此时坝的水平位移也基本上呈对称分布上游向和下游向的最大水平位移都为0.073米。图5表示了水库营运五年后, 坝体的水平位移等值线的分布。由于水库的水压力作用以及堆石体的蠕变变形, 坝体的下游向水平位移继续增长, 但涨幅已经明显减慢, 五年最大值后达到0.194米, 而上游向水平位移则减少至0.053米。与沉降位移相似, 此后坝体水平位移虽有少量的发展, 但增加已不明显。
结束语
基于沈珠江的双屈服面模型, 建立了混凝土面板堆石坝中堆石体的塑性本构关系;采用指数型衰减的Merchant模型, 分析了堆石体的流变特性;基于不可逆热力学原理, 从数学上的不变量出发, 建立了混凝土面板的损伤本构关系及相应的损伤演化方程;考虑面板和堆石体间的耦合效应绘制了坝体在不同时期的沉降位移和水平位移等值线。从数值计算结果, 可以得到如下一些结论。
堆石体的最大沉降位移发生在坝轴线附近的半坝高处;由于堆石体的蠕变变形, 在水库运行的前几年, 坝体的沉降位移进一步增大, 上游向的水平位移逐渐减小, 而下游向的水平位移显著增大, 几年后坝体变形趋于稳定。
参考文献
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