高拱壩強(qiáng)震橫縫控制措施及跨縫鋼筋作用機(jī)理研究

拱壩橫縫在強(qiáng)震下可能顯著張開(kāi)，為保證止水安全和調(diào)整梁拱應(yīng)力可采用橫縫配筋以控制開(kāi)度。目前對(duì)拱壩橫縫配筋的研究剛剛起步，研究中對(duì)橫縫鋼筋與混凝土的相互作用更是缺少考慮。本項(xiàng)目擬在已初步取得橫縫配筋動(dòng)力分析模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展對(duì)混凝土與鋼筋界面間粘結(jié)、滑移等行為的模擬，使模型更好地反映配筋加固機(jī)理并為重大實(shí)際工程服務(wù)。 2100433B

拱壩裂縫有很多種,從產(chǎn)生原因分,大致有溫度性裂縫、結(jié)構(gòu)性裂縫;從產(chǎn)生時(shí)間分,主要有施工期裂縫和運(yùn)行期裂縫等,以下介紹中低拱壩中常見(jiàn)的裂縫種類。

1、拱壩橫縫張開(kāi)

拱壩橫縫往往會(huì)周期性張開(kāi),當(dāng)氣溫較低時(shí)壩體混凝土收縮,橫縫張開(kāi),此時(shí)橫縫中如有和上游庫(kù)水連通的滲水通道,則發(fā)生漏水,這種漏水是周期性的,當(dāng)氣溫升高至一定程度,橫縫逐步閉合,漏水遂逐步減少至停止橫縫張開(kāi)屬正?，F(xiàn)象,須注意的是漏水的危害性,須查清漏水的來(lái)源,一般漏水往往來(lái)自橫縫附近的水平施工冷縫。摸查方法也可以從上游找,當(dāng)水位消落至某高程漏水停止,說(shuō)明該高程有漏水點(diǎn)。

另外橫縫拔管灌漿孔也常常成為漏水通道或鈣化物析出點(diǎn),漏水原因和上文是相同的。當(dāng)然橫縫漏水還有一種可能性是上游止水失效,此時(shí)需要重構(gòu)上游止水。

2、水平施工冷縫

水平施工冷縫在不同澆筑層面間產(chǎn)生,往往是由于新老混凝土齡期差異過(guò)大引起混凝土層面間收縮不均勻,在水平施工縫處拉開(kāi)。

3、施工期基礎(chǔ)塊的溫度縫

經(jīng)常出現(xiàn)于施工期拱壩基礎(chǔ)塊的澆筑,原因是混凝土收縮與基礎(chǔ)的強(qiáng)約束。此類裂縫的處理關(guān)鍵在于避免裂縫的后期發(fā)展,所以一般需要在基礎(chǔ)塊表面布設(shè)限裂鋼筋網(wǎng),在裂縫處設(shè)騎縫鋼筋,限制裂縫發(fā)展。

4、與岸坡垂直的裂縫

此類裂縫往往出現(xiàn)于薄拱壩兩岸岸坡,原因也是溫度性的,但出現(xiàn)時(shí)間可能在拱壩蓄水后1- 2年。這類裂縫往往也是貫穿性的。

5、劈頭縫

一般出現(xiàn)于中上部高程兩岸,鉛直或近似鉛直方向,從壩基一直到壩頂,而且常常是貫穿性的。此類裂縫往往也是溫度性的,原因可能是上部拱圈在未充分收縮時(shí)即進(jìn)行接縫灌漿,導(dǎo)致成拱后混凝土繼續(xù)收縮,另外上部壩體相對(duì)較薄,與基礎(chǔ)剛度差異較大也是原因之一。

6、體型突變引起的裂縫

此類裂縫發(fā)生于岸坡不連續(xù)處,或重力墩(推力墩)與壩體交界處,原因是剛度的過(guò)大差異。

7、下游壩面與岸坡平行的裂縫

很多20世紀(jì)七八十年代建成的拱壩,其體型向上游傾斜較多以平衡部分水壓力,但是此類壩在低水位相對(duì)不利,下游拉應(yīng)力過(guò)大,如浙江省天臺(tái)縣里石門拱壩和青田縣金坑拱壩。金坑拱壩較典型,下游兩岸各有一條平行于岸坡的貫穿性斜裂縫,里石門拱壩因上游設(shè)了支墩所以表現(xiàn)得并不典型而是成為多組近岸坡的水平裂縫。此類裂縫主要是由不利的體型引起的,故有一定“結(jié)構(gòu)性”因素。

8、網(wǎng)狀裂縫

此類裂縫多出現(xiàn)于運(yùn)行多年的拱壩,位置往往并非在高應(yīng)力區(qū),而是周期性拉壓交替變化的區(qū)域,是一種“疲勞”性裂縫,當(dāng)然很多也是綜合了其他原因產(chǎn)生的。

9、水平底廊道中的貫穿性水平縫

某些拱壩因?yàn)轶w型單薄,梁底存在高拉應(yīng)力區(qū),廊道位置更是薄弱部位,故在廊道上游出現(xiàn)裂縫,此類裂縫也是結(jié)構(gòu)性的,漏水量往往與水位和氣溫有相關(guān)性,即高水位大低水位小,冬季大夏季小。

另一方面,運(yùn)行多年后,漏水量又往往會(huì)有逐年減小趨勢(shì),甚至最終自動(dòng)“愈合”。原因可能與上游庫(kù)底的堆積有關(guān),堆積形成鋪蓋保護(hù)了壩踵,粉細(xì)沙等細(xì)小顆料又將裂縫填充。

10、廊道中的不規(guī)則裂縫

廊道中還往往會(huì)有一些不規(guī)則裂縫出現(xiàn),此類裂縫也是溫度性的,往往是表面裂縫,由冬季“穿堂風(fēng)”引起,冬季外界氣溫較低而壩外氣溫相對(duì)恒定形成較大溫差。所以廊道口必須有防風(fēng)或遮蔽措施。

本研究項(xiàng)目利用地基離散參數(shù)模型與拱壩子結(jié)構(gòu)非線性分析模型耦合，建立了考慮橫縫的拱壩一結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力相互作用模型，并利用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行拱壩模型試驗(yàn)，驗(yàn)證該模型。利用這一模型對(duì)小灣、溪洛渡拱壩的分析表明；拱壩在強(qiáng)烈地震作用下，橫縫對(duì)拱壩響應(yīng)有很大影響，橫縫開(kāi)度與橫縫布置有直接關(guān)系。只有在關(guān)心的部位按照實(shí)際橫縫布置進(jìn)行仿真計(jì)算，才能準(zhǔn)確得到橫縫的張開(kāi)度。橫縫加筋作為一種可行的高拱壩減震措施，能夠?qū)皦蝿?dòng)應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，減少拱壩橫縫的張開(kāi)度，提高拱壩的整體性。試驗(yàn)成果證明了本項(xiàng)研究提出的考慮橫縫的拱壩一結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力相互作用模型計(jì)算得以的橫縫開(kāi)度與試驗(yàn)吻合良好，該模型能夠模擬橫縫的非線性特性。 2100433B

混凝土拱壩中的橫縫在強(qiáng)震作用下會(huì)發(fā)生張開(kāi)、閉合和沿縫界面的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)等現(xiàn)象， 從而對(duì)壩體應(yīng)力大小和分布都會(huì)產(chǎn)生很大的影響， 因此考慮橫縫影響的拱壩動(dòng)力響應(yīng)分析對(duì)高拱壩的抗震安全評(píng)價(jià)具有重要意義。 ( 1) 縫的張開(kāi)可避免大的拱向應(yīng)力出現(xiàn)， 內(nèi)力由拱向向梁向傳遞； ( 2) 在壩體模型中布置 3 條縫就可以既能滿足求解精度又能提高計(jì)算效率； ( 3) 沿伸縮縫剪切滑動(dòng)對(duì)壩體的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)有重要影響。但國(guó)外的研究大都針對(duì) 100m 級(jí)的拱壩， 我國(guó)學(xué)者還針對(duì)正在建設(shè)中的 300m 級(jí)的超高拱壩——小灣拱壩中的橫縫條數(shù)、橫縫間距對(duì)壩體地震響應(yīng)的影響進(jìn)行了大量的研究 ， 并得到了一些對(duì)工程實(shí)際有重要參考價(jià)值的規(guī)律 。但由于研究者所采用的橫縫計(jì)算模型與計(jì)算方法的不同， 使得計(jì)算出的橫縫開(kāi)度沿拱圈方向的分布規(guī)律以及縫開(kāi)度的大小都有很大的差別。例如， 對(duì)小灣拱壩的研究就出現(xiàn)了這種情況 。強(qiáng)震時(shí)高拱壩的橫縫張開(kāi)度大小及其對(duì)大壩地震響應(yīng)的影響關(guān)系到拱壩的抗震安全評(píng)價(jià)的結(jié)果以及所需要采取的抗震工程措施， 具有重要的實(shí)際意義。在西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略支撐下，‘’十五‘’期間我國(guó)將有一批世界級(jí)的高拱壩在西部地區(qū)進(jìn)行建設(shè)或規(guī)劃進(jìn)行建設(shè)。所以， 考慮橫縫影響的拱壩地震響應(yīng)分析仍有進(jìn)行深入研究的必要。

在求解三維彈性靜 力摩擦接觸問(wèn)題的有效方法- 非光滑方程 組方法的基 礎(chǔ)上， 通過(guò)能夠近似滿足動(dòng)量、動(dòng)能守恒條件的 速度、加速度的修正方法， 將該方法推廣到動(dòng)力接觸問(wèn)題的求解中， 以考慮地震時(shí)拱壩中橫縫的開(kāi)合、錯(cuò)動(dòng)對(duì)壩 體動(dòng)力響應(yīng)的影響。 同時(shí)采 用由多次透 射公式 表示的人工邊界條件來(lái)考慮壩- 基動(dòng)力相互作用的影響。數(shù)值算例中分析了 橫縫的數(shù) 目和布置位 置對(duì)拱壩動(dòng)力響應(yīng)的影響。 2100433B