混凝土面板堆石坝双层面板抗裂措施研究

摘要

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。这种新坝型目前己成为许多工程的首选坝型。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。大量工程实践经验表明，混凝土面板坝作为一个整体结构在施工及运行过程中，在各种外荷载、温度应力、干缩应力及运行期水压力等因素相互耦合作用而导致混凝土面板普遍发生裂缝。因此，必须从材料、结构和施工等方面采取综合措施来根治混凝土面板的裂缝问题。 根据面板产生裂缝的原因不同可将面板裂缝分为结构性裂缝和非结构性裂缝两类。对于面板非结构性裂缝防治，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，对于这些裂缝只要采取合适的配合比，满足面板混凝土的施工度要求，加强施工管理控制面板施工质量等措施是可以较好地避免的。 面板结构性裂缝主要是由于坝体变形导致面板和垫层之间脱空，改变了面板以承压为主的力学特性而发生的裂缝。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)。对于结构性裂缝，关键在于控制大坝填筑碾压的施工质量，尽量减小已填筑坝体的变形，限制面板结构性裂缝的产生，保证周边缝与面板接缝的变形控制在允许范围内，从而确保防渗的可靠性。 根据面板的形状尺寸及结构特点，可把面板视为能适应堆石变形的柔性结构，产生变形的因素很多，当施工期，面板的变形主要受外温变化及约束条件的影响，同时堆石体的变形也在一定程度上影响面板的变形；而在水库蓄水时，面板的变形主要受堆石体变形的影响。本论文就是在前面的系统分析基础上，提出双层面板结构形式的新措施，即上层主要是防渗抗裂，下层增强刚性，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。通过受力状态分析推导得出单层面板与双层面板解析公式，并通过解析计算得出单层面板表面最大拉应力为双层面板表面最大应力的 5 倍左右，验证了双层面板结构形式的优越性，进而通过大型有限元通用软件ADINA对面板堆石坝进行三维有限元模拟，双层板的抗裂能力是单层板的2～3倍，与理论计算所得的5倍还有一定差距，其主要原因是受河谷形状以及上下层板间模拟方法不同所致。分析比较得出这种结构的确具有改善受力，达到防渗抗裂的作用。

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第一章绪论

1.1混凝土面板堆石坝的发展过程及现状

1.1.1初期阶段

1.1.2过渡阶段

1.1.3现阶段

1.2面板堆石坝优越性及裂缝问题

1.2.1安全可靠性方面

1.2.2施工和经济性方面

1.2.3运行维修方面

1.2.4适应性方面

1.3混凝土面板堆石坝关键性技术问题

1.3.1理论分析和试验

1.3.2恶劣自然条件下的混凝土面板堆石坝

1.3.3几项施工新技术

1.4论文的技术路线与主要研究内容

第二章混凝土面板开裂机理分析

2.1面板堆石坝面板裂缝问题

2.1.1松山堆石坝混凝土面板的裂缝特征

2.1.2天生桥一级堆石坝混凝土面板的裂缝特征

2.2影响面板抗裂能力的因素

2.2.1材料组成方面

2.2.2施工工艺

2.2.3养护条件

2.3混凝土面板的裂缝机理

2.3.1非结构性裂缝的产生机理

2.3.2结构性裂缝的产生机理

2.3.3混凝土自身抗裂性能评价

第三章混凝土面板常用抗裂措施探讨

3.1非结构性裂缝的防治措施

3.1.1面板不产生收缩裂缝的条件

3.1.2降低面板分布收缩应力集度σx(t)的方法

3.1.3混凝土强度的影响

3.1.4减小面板约束

3.1.5减小面板混凝土应变的措施

3.1.6采用新型材料混凝土

3.2结构性裂缝的防治措施

3.2.1坝基、坝坡的处理

3.2.2控制坝体填筑质量

3.2.3大坝分期填筑施工

3.2.4面板合理分缝

3.2.5采用双层面板技术

3.3裂缝的处理技术

第四章面板堆石坝面板受力变形分析

4.1面板的自重

4.2摩阻力

4.3堆石抗力的推求

4.4水压力和淤沙压力

4.5面板变形分析

第五章不同结构形式面板受力推求与比较

5.1双层面板结构形式

5.2施工期面板应力的推求

5.1.1自生应力的推求

5.1.2约束应力

5.2蓄水期面板应力的推求

5.2.1单层面板应力推求

5.3.2双层面板应力推求

5.4单层面板与双层面板表面受力解析比较

5.4.1自生温度应变比较

5.4.2纯弯矩作用下应力比较

第六章单层面板与双层面板数值模拟分析

6.1 ADINA软件介绍及技术特色

6.2非线性有限元分析原理

6.2.1邓肯张E-B模型

6.2.2接触面单元形式

6.2.3面板数值模拟

6.2.4静力平衡方程

6.2.5施工过程模拟及中点增量法

6.3计算算例及成果分析

6.3.1坝型参数与计算参数

6.3.2有限元网格离散

6.3.3计算成果与分析

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

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