龙滩碾压混凝土重力坝劈头裂缝研究

1、第31卷水利水电技术2000年第8期龙滩碾压混凝土重力坝劈头裂缝研究3王树和朱伯芳许平(中国水利水电科学研究院, 北京市, 100038【摘要】采用三维有限元对龙滩大坝施工及运行进行了多种工况的仿真计算, 得出了横缝间距、保温板厚度与上游面温度应力的关系曲线, 指出了易于发生劈头裂缝的部位与原因, 并建议了合理的施工方案以避免劈头裂缝的出现【关键词】三维有限元温度应力劈头裂缝p , 假定, 该裂缝发展成劈头裂缝的条件(1 K K C 式中K 缝端应力强度因子;K C 混凝土 型裂缝的断裂韧度混凝土 型断裂韧度为K C =2. 86kR t1前言河上游, 下距天峨县城15km 、航运等, , 大

2、坝拟采不少重力坝在上游面产生了几十米深的严重劈头裂缝, 文献1首次指出, 这与通仓浇筑有密切关系由于坝内没有纵缝, 因而没有接缝灌浆前的二期水管冷却, 水库蓄水时, 坝内温度仍然很高, 而水温较低, 产生了较大的内外温差, 使得在施工过程中上游面已出现的表面裂缝扩展为深层劈头裂缝碾压混凝土重力坝也是通仓浇筑, 没有二期水管冷却, 蓄水时坝内温度仍然很高, 这些情况与通仓浇筑常态混凝土重力坝基本相似, 如果施工过程中上游面出现了表面裂缝, 在内外温差和缝内裂隙水的共同作用下, 也存在着产生劈头裂缝的可能性1特别是像龙滩这样的巨型工程(坝高21615m , 电站最终装机5400MW , 采用碾压混

3、凝土(2式中R t 混凝土劈裂抗拉强度;k 尺寸效应系数 筑坝在世界上尚属首次, 对其劈头裂缝的研究十分重要2劈头裂缝形成的条件2实际工程经验表明, 在施工过程中, 坝体上游面出现了表面裂缝, 水库蓄水后, 经过一段时间, 表面裂缝突然大范围的扩展, 成为劈头裂缝在上游面附近切取一个坝段的水平剖面如图1所示, 上游面有一条表面裂缝, 长度为L , 缝内作用着均布的裂隙水压力p , 横缝止水至上游面距离为b , 在止38图1劈头裂缝通常表面裂缝的深度只有520c m , 而横缝间距为1520m , 因此, 可以按半平面上的表面裂缝来计算缝端的应力强度因子设半平面在与其表面平行的方向受到拉应力,

4、裂缝长度为L , 则缝端应力强度因子为 K =1. 988L(3 =1. 988(a +p -b L式中a 坝体应力, 该应力可由自编软件Si m uD am 进行仿真计算而得到;b 横缝止水至坝面间的水压力在坝面中点引起的应力b -b =p 1+e3. 36b ssin (s-co s (s(4将式(2 、式(3 、式(4 代入式(1 , 即可判断表面裂缝的稳定性3计算模型及主要参数本文编制了三维有限元软件Si m uD am 来模拟大坝的施工及运行全过程, 该软件可以计算出大坝任一位置任一时刻的温度及温度徐变应力个溢流坝段, 网格剖分所示沿x 方向(7, 在上下游较密, 坝中间较稀, 沿z

5、 ( 等距划分4层单元沿y 方向, 由于碾压混凝土浇筑层较薄, 一般在115m , 因此, 一般以0. 5m 为一层单元, 从图上看网格划分非常密坝基高程200. 00m , 溢流坝顶高程341100m , 在200. 00206. 00m 范围内为常态混凝土, 高程206. 00m 至坝顶范围为碾压混凝土, 对称面及横缝面为绝热边界, 上游蓄水过程按设计院提供资料计算, 下游面与空气接触, 对称面上横河向位移为零, 在上游面粘贴泡沫塑料保温板主要计算参数见“龙滩碾压混凝土重力坝结构设计与施工方法研究专题总报告”图2计算模型(单位:m 4计算结果分析分别取溢流坝段横缝间距s 等于20, 40,

6、 60m , 上游保温板厚度H 等于0, 3, 5, 10c m , 共进行了12种工况的计算求出了每种工况下对称面与上游面交线(见图2 沿高度10个不同高程处最大的温度应力值这样, 根据劈头裂缝形成条件式(1 , 就可判断对应高程劈头裂缝是否会发生图3为 230. 00, 270. 00, 330. 00 m 高程横缝间距、保温板厚度与上游面最大温度应力的关系当水库蓄水后, 上游面受冷产生的横河向(z 向 位移收缩受到约束, 横缝间距越大, 基础约束区的范围越高, 这种横河向的位移约束就会越大, 相应的温度应力就会越高图3横缝间距、保温板厚度与上游面最大温度应力的关系39 从图3中看出, 每

7、条曲线的应力都是随横缝间距的增加而单调增加的保温板本身的作用是阻止板两侧热量的传递, 当大坝上游面温度较高, 而外界温度(蓄水或冬季 较低时, 贴上保温板可以防止上游面遭受较大的内外温差而开裂但是, 如果上游面温度较高, 且所受约束较小或上游面没有蓄水, 那么, 贴上保温板反而阻止了坝体本身热量的散发, 起到了不利的作用因此, 保温板的作用要具体分析从图3看, 在230. 00m 高程, 保温板越厚, 则上游面应力越小, 保温板起到了防止开裂的目的而在270. 00, 330. 00m 高程, 贴上保温板并不理想, 这主要是因为, 水库蓄水需要一个较长的时间, 230. 00m 高程不但所受约

8、束较大, 且水位到达较快, 贴上保温板能起到较好作用, 270. 00, 330. 00m 高程为夏季施工, 温度较高但上游水位到达较晚, 浇完后马上贴上保温板, 阻止了内部热量向空气中散发, 当水位上来后, 造成较大的内外温差, 力 下, 当表面裂缝深0. 2m 时, 缝端应力强度因子沿高程的分布曲线, 其中控制线代表了各高程允许的应力强度因子K C 值, 当曲线位于控制线右侧时, K >K C , 将会发生劈头裂缝从图4中可见, 230. 00,270. 00, 330. 00m 高程处K 值较大, 最易发生劈头裂缝这时因为这些高程位于夏季施工区, 气温较高, 当外界气温下降时, 内

9、部温度仍很高, 内外温差较大, 尤其230. 00m 高程处于强约束范围内, 更易于产生较大的温度应力从图4(a 中看出, 在250. 00m 高程以下, 上游立面保温板越厚, 曲线离控制线越远, 发生劈头裂缝的可能性越小当横缝间距增大时, 如图4(b 、图4(c 所示, , 表明发生劈头裂缝的部位在逐渐增多, , 本文建议施, m m , 250. 00m 高程以上, 见a ,不会发生劈头裂缝, 且比较经济3333高碾压混凝土重力坝上游面劈头裂缝研究十分重要本文采用三维有限元法对龙滩大坝溢流坝段进行了多种工况的温度应力仿真计算, 得出了横缝间距, 上游立面保温板厚度与上游面产生的最大温度应力之间的关系曲线, 并进行了分析由断裂力学原理计算了对于不同工况, 那些部位会发生劈头裂缝, 并分析了原因最后, 建议了合理的施工方案, 以避免劈头裂缝的发生3本文为“九五”国家重点科技攻关项目部分成果参考文献1朱伯芳, 许平通仓浇筑常态混凝土和碾压混凝土重力坝的劈头裂缝和底孔超冷问题水利水电技术, 1998; 29(10 :14182朱伯芳大体积混凝土温度应力与温度控制1北京:中国电力出版社, 1999【作者简介】王树和, 男, 33岁, 结构材料研究所