高混凝土面板堆石坝面板水平向挤压破坏研究

1、高混凝土面板堆石坝面板水平向挤压破坏研究第37卷第3期2011年3月水力发电高混凝土面板堆石坝面板水平向挤压破坏研究郝巨涛(中国水利水电科学研究院,北京100038)别是非施工缝的水平向挤压破坏情况.通过一个简化的钢筋混凝土柱受压屈曲模型,对水平向挤压破坏的机理进行了初步分析.结果发现,当柱子长度达到十几米以后,其钢筋的临界失稳应变不再随柱长的增加进一步降低;提高以上结论.就未来应对挤压破坏的工程措施研究提出了建议.关键词:混凝土面板堆石坝;混凝土面板;挤压破坏;屈曲失稳ResearchonHorizontalSpallingFailureofConcreteSlabinHighCFRDHao

2、JutaofChinaInstituteofWaterResources&HydropowerResearch,Beijing100038,China)spallingfailureofsomehighCFRDsareintroduced,inparticular,thehorizontalspallingfailureofnonconstructionjoint.Themechanismofthisspallingfailureisanalyzedbyasimplifiedcompressivebucklingmodelofreinforcedconcretecolumn.T

3、heresultsshowthat,(a)afterthecolumnlengthbeingmorethan10meters,thecriticalbucklingstrain(CBS)ofthereinforcingbarwillbestableandnotfurtherdecreasesasthecolumnbecominglonger,(b)thebestwayofincreasingCBSisstrengtheningthelateralsupportrigidityofconcretetothereinforcingbar,and(c)thediameterchangingofrei

4、nforcingbarhasproposedherein.KeyWords:CFRD;concreteslab;spallingfailure;buckling中图分类号:TV313;TV641.43文献标识码:A文章编号:05599342(2011)030023051问题的提出随着面板坝坝高的增加,大坝的混凝土面板开始出现挤压破坏现象.如我国的天生桥一级面板坝,巴西的巴拉?格兰特(BarraGrande)面板坝和坎普斯?诺沃斯(CamposNovos)面板坝,莱索托的莫的挤压破坏关注较多,并提出了一些应对方法l1.,包括防止底部砂浆垫层侵入面板,取消接缝顶部的V形缝口,降低底部铜止水的鼻子高

5、度,设置垫缝面涂刷减摩涂料等另一种挤压破坏是面板沿水平向(横向)的挤压破坏.在汶川大地震中,紫坪铺面板坝有26块面板沿二,三期施丁缝发生了总长达后发现.面板沿一,二期施工缝发生了总长达l84工缝的破坏以外,巴拉?格兰特,坎普斯?诺沃斯,收稿日期:20100825基金项目:水电水利规划设训'总院<<300m级高而板堆石坝适应性及对策研究项目(CHCKJ一20060905);中国水利水电科学研究院科研专项项目(结集0830)作者简介:郝巨涛(1961一),男,辽宁辽阳人,教授级高T,博士,主要从事水T建筑物的科研1作.水力发电2011年3月莫哈莱面板坝的面板曾出

6、现斜向,水平向挤压破坏.这种水平向挤压破坏的位置不确定,破坏了面板的整体性,且常处于中下部面板,不易被发现和定位,处理难度也较大,更应给予重视.生桥一级面板坝的最大坡向压应变为1061×10,最大水平向压应变为948x10;三板溪面板坝的最大坡向压廊变为800x10:莫哈莱面板坝的最大坡向压应变为650x10.6,最大水平向压应变为590x10.这类破坏的特点是,挤破坏应变均小于混凝土的献【2】曾分析了莫哈莱面板坝的垂直缝挤破坏,认为其面板接缝内的平均压应力远小于混凝土的抗压强度,不足以引发挤压破坏,挤破坏应是由接缝顶部的压力集巾造成的目前国内外对面板挤压破坏的了解是初步的,对其发生

7、机理特别是水平向挤破坏的发生机理尚缺乏认识,尽管老挝的南俄2(NamNgum2)面板坝已经为应对该种破坏采取了面板加设箍筋,设置双向受压状态,当两向压应变水平都较高时,沿垂直缝的挤压破坏和水平向挤压破坏还有可能相互影响,目前的T程措施中也还没有顾及到这种影响.本文对面板的水平向挤压破坏作了晕点介绍,对其成c大j进行了初步分析,就相关问题提出了看法.2高面板坝的水平向挤压破坏实例分析坡上的长混凝土板的抗裂问题一直为工程界所关注.面板的裂缝一般可分为_二类,包括南混凝土收缩产生的裂缝(A型),堆石体沉陷引起的结构裂缝(B型)压破坏进入人们的视线以前,设计中在大面积受压区面板中配置钢筋的主要日的是限

8、制裂缝的宽度,并没有考虑钢筋与面板水平向挤压破坏的相互作用.这里对一些包含水平向挤破坏的工程作一介绍.2.1坎普斯?诺沃斯面板坝【1水,一周后水位达到653HI.其问,当水位升至642m时,巾部l7/18面板压性缝现挤压破坏,破坏部位存水位以卜数米.渗漏量从30Us增至450Us;渗漏量和挤压裂缝稳定5日后,破坏快速向上发展至防浪墙底部,向下至水下535m高程,渗漏量随之增至800L/s,中部面板脱空问隙最大达4cm:此后,库水位保持在640645m,在60d内渗漏量发展到1300L/s,随后发现22/23号垂直缝接缝计记录变化,25/26号垂直缝在坝顶部位发生局部位挤压破坏.这表明挤压破坏还

9、在发展.2006年6月,由于一条导流洞出现意外,水库被快速放空.在656m高程处的二,期面板之间暴露出长达300m的横向水平裂缝(见图1),裂缝处混凝土严重挤压剥落,钢筋变形(见图2),据此平挤压破坏,面板坡向位移达到20cm,大于水平向位移.图1坎普斯-诺沃斯坝面板挤压破坏情况图2坎普斯?诺沃斯坝面板水平向挤压破坏PintoI根据裂缝形式及其跨区域破损的程度,认为沿垂直缝的挤压破坏首先是在面板中部最大挠度板坡向钢筋在重力作用下发生屈曲,同时水位骤降导致面板底部摩擦力大幅度减小,进一步加大了面板的坡向位移.2.2巴拉?格兰特面板坝【1巴拉?格兰特面板坝坝高185m,坝顶长6652001年7月开

10、始施工,2005年7月5日开始蓄水.当地7月末到8月初正值雨季,库水位平均每3d时.水库渗漏量为220L/s,3d后库水位达到634171,渗漏量增至428L/s,中部19/20面板垂直缝发生挤破坏.检查发现,破坏延伸至水下约100m.同时,22号面板所存的坝顶防浪墙部位也发生挤压破坏.破坏部位的面板脱空,脱空间隙最大达l2第37卷第3期郝巨涛:高混凝土面板堆石坝面板水平向挤压破坏研究水下检查并未发现面板有水平向挤压破坏,坎普斯?诺沃斯坝发现水平向挤压破坏后,对该坝又进行了仔细检查,证实在中部坝高位置存在水平向挤压破坏.2.3莫哈莱面板坝【1I'01莫哈莱面板坝坝高145m,坝顶长54

11、0111,上2002年11月初开始蓄水,到2003年4月水位快速年2月因暴雨库水位由206311猛涨至2075rll.m高程的水平向应变由590x10减小为335×10,渗漏量由l3日的69L/s增至16日的248L/s.挤_叵破坏从面板顶部快速向下发展,接缝两侧面板相互贯穿达810cm.1个月后,3月15日17日,l8号面板1976m高程处的坡向应变由665x104减小为263x10:同时21号面板2020m高程处的坡向应变由642x1O减小为250x104,197613'1高程处的坡向应变由311××104,渗漏量南343L/s突增至600L/s.水下

12、检查发现,17/18号面板的垂直缝破坏在1980in高程处向右侧水平向发展,直至23号面板197613"1高程位置.值得注意的是,通过2006年2月13日4月l0日面板压应变观测结果的变化情况(见表1)可以看出,垂直缝挤压月l4日17/18号面板垂直缝挤压破坏时,破坏部位逐i-/b幅度增加,直至3月16日下部发生坡向应变释放,出现水平向挤压破坏.表1莫哈莱坝挤压破坏期间的面板应变变化情况注:表巾数据系南文献9附图巾读.3挤压破坏的机理分析日前,除老挝的南俄2面板坝外,混凝土面板变水平下还没有达到受压破坏的程度,面板也远没有达到整体失稳的程度,同时参考发生水平向挤压破坏的工程实例可以看

13、出,面板内部钢筋发生受压屈曲失稳致使保护层混凝土开裂并引发挤压破坏的可能性很大,Pintot】也作出了同样的推测.压破坏进行分析(见图3).柱的截面中心有一根直径为d的钢筋,周围为混凝土,柱两端铰支,并受的侧向变形.该侧向压力P与侧向挠度成正比,即P=kw.为侧向支撑刚度,等于单位杆长在单位载可由下式给出Ilo=(kl4)(1)图3钢筋混凝土面板挤压分析模型式中,为杆的弹性模量,MPa:I为其截面惯性矩,IIIlTI;Z为杆长,iYlm;为杆的侧向支撑刚度,N/ram;m为杆的屈曲曲线半波数;l/m为半波长,m=为1v1+412k-1)m+1.其他'lv竹vJ(2为了应用方便,可由式(

14、1)写出钢筋压杆的临界压应变占(等m24.kl4+=41(3)×10MPa,针对不同的侧向支撑刚度,可由式(3)得出临界应变与杆长Z的关系.可以发现,当Z增大到一定程度后,不再随Z的增加而降低,半波长也逐渐趋于稳定,这应是此类屈曲失稳问题的重要特点.=O.7N/ram时的sZ关系见图4,l/mZ关系见图5.由图中可以得出,r=1030x10,屈曲线半波长l/m=866mm实际上容易判定式(3)是一个关于变量(f)的上一一一一PP水力发电2011年3月堂趟哝磐l压杆长l/m杆长1/m导,可由该极小值点得到钢筋压杆屈曲时的临界屈曲应变和半波长(1/m).为,/,=()c4,式(4)说明,

15、模型rf1钢筋压杆的临界压应变仅与同k值的和l/m见表2,它们既可由式(3)计算并取最小值得到,也可由式(4)直接算出.从中看出,当k>8N/ramz时,钢筋的临界应变已接近或超过混凝土的极限应变,则这类由钢筋屈曲导致的面板挤压破坏就不会发生了.因此,设法提高k值就成了问题的关键.表2与和/m的关系(0'=-25mm)分析式(4)可知,钢筋的直径d对没有影响,但却与半波长1/m呈线性关系,而半波长的大小事关箍筋的间距设计.对于k=0.7N/mm,表3给出径d越大,半波长1/m也越大.表3d与I/m的关系(R=0.7N/mm)rllnldl/mdl/mdl/m5l73227

16、6l301039以上分析基本符合_T程实际,只是由=1030X步的实验研究确认.通过以上分析,可以得出一些十分有意义的结论:仅数米至十几米长的混凝土中的钢筋,在压力达到临界值时将发生屈曲失稳,其临界屈曲应变土对钢筋的侧向支撑刚度,不再随着钢筋的进一步加长而降低.提高钢筋的侧向支撑刚度k是最有定值后,可消除由钢筋屈曲引发的面板挤压破坏.提高k值的具体措施主要可以考虑设置箍筋和提高混凝土的抗拉强度.临界屈曲应变与钢筋直径d无关,d值仅影响钢筋屈曲曲线的半波长l/m,并重要依据.上面的分析还是十分粗糙的,离实际应用还有相当的距离.尤其要指出的是,混凝土对钢筋的侧向支撑刚度k目前是一个全新的力学参数,

17、需对包括钢筋保护层厚度,混凝土拉伸强度,箍筋(方式,直径和间距)等.同时,混凝土面板中钢筋的实际情况也与图3所示的分析模型不完全相同,钢不对称,必定有强有弱,相应的数值分析模型还有待建立.4结语目前一些高面板坝中出现了面板的挤压破坏.与沿垂直缝的挤压破坏不同,水平向挤压破坏由于破坏了原有面板的连续性,且其发生部位多位于面板中下部,隐蔽性强,处理难度大,造成的工程危害也较大.如何认识和应对这类挤压破坏,目前国内外还没有达成共识.本文的初步分析结果说明,这种挤压破坏极可能是由钢筋的受压屈曲失稳引发吁尽快有针对性地开展对这类破坏的机理和工程措供技术支撑.舳弟j/雹昂j期羽E涛:荀Eej矢上似匪C】.

18、旧J似/J.IuJ仃TJ卫及1,研钢筋在受压区混凝土面板中的主要作用是限制方法替代目前的配筋限裂方法,取消部分配筋,也是情理之中的事,比如采用钢纤维混凝土面板等ii.参考文献:BehavioranddesignfeaturesC/The3rdSymposiumonCFRDDamsHonoringJ.BarryCooke,2527October2007.Brazil.措施研究J.水力发电,2008,34(6):4144.f3关志诚.紫坪铺水利枢纽工程5?l2震害调查与安全状态评述J.中国科学E辑:技术科学,2009,39(7):12911303.凝土面板堆石坝安全监测技术实践与进展.北京:中国水

19、利水电出版社,2010:l27135.5滕智明.钢筋混凝土基本构件M.北京:清华大学出版社,1987.6湛正刚,等.200In级高面板堆石坝技术总结报告R.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院,2009.7SramoonA,Phienw甸N,ChalermnonW,SittipodR.Design,ConstructionandPerformanceofNan,Ngum2CFRDC/The78thICOLDAnnualMeetingMay23-26,2010,Hanoi,Vietnam.8国际大坝委员会.混凝土面板堆石坝设计与施概念M.中围大坝协会.译.北京:巾同水利水电J版社,2010.Moh

20、aleCFRDSlabC/ProceedingsWorkshoponHighDamKnowHow,M.dy2007,Yichang,China.10TimoshenkoSP,GereJM.TheoryofElasticStabilityM.2ndcd.McGrawHil1.1961.京:20届国际大坝会议组织委员会,2000:9196.(责任编辑常青)(上接第20页)调查及分析概述J.水力发电,2009,35(3):15.J.岩石力学与丁程,2008,27(9):37683777.组合优化的智能方法J.岩石力学与_程,2007,26(7):28002808.6马洪琪.我国水电站地下T程施_r:技术的回顾与展望J.水力发电,2006,32(2):5255.J.水力发电,2007,33(11