高拱壩強震橫縫控制措施及跨縫鋼筋作用機理研究項目摘要

拱壩橫縫在強震下可能顯著張開，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度。目前對拱壩橫縫配筋的研究剛剛起步，研究中對橫縫鋼筋與混凝土的相互作用更是缺少考慮。本項目擬在已初步取得橫縫配筋動力分析模型基礎(chǔ)上，進一步發(fā)展對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理并為重大實際工程服務(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)生時間分,主要有施工期裂縫和運行期裂縫等,以下介紹中低拱壩中常見的裂縫種類。

1、拱壩橫縫張開

拱壩橫縫往往會周期性張開,當(dāng)氣溫較低時壩體混凝土收縮,橫縫張開,此時橫縫中如有和上游庫水連通的滲水通道,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屬正?，F(xiàn)象,須注意的是漏水的危害性,須查清漏水的來源,一般漏水往往來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,說明該高程有漏水點。

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,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大引起混凝土層面間收縮不均勻,在水平施工縫處拉開。

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即進行接縫灌漿,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不利,下游拉應(yīng)力過大,如浙江省天臺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

某些拱壩因為體型單薄,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,運行多年后,漏水量又往往會有逐年減小趨勢,甚至最終自動“愈合”。原因可能與上游庫底的堆積有關(guān),堆積形成鋪蓋保護了壩踵,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)非線性動力相互作用模型，并利用振動臺進行拱壩模型試驗，驗證該模型。利用這一模型對小灣、溪洛渡拱壩的分析表明；拱壩在強烈地震作用下，橫縫對拱壩響應(yīng)有很大影響，橫縫開度與橫縫布置有直接關(guān)系。只有在關(guān)心的部位按照實際橫縫布置進行仿真計算，才能準(zhǔn)確得到橫縫的張開度。橫縫加筋作為一種可行的高拱壩減震措施，能夠?qū)皦蝿討?yīng)力進行調(diào)整，減少拱壩橫縫的張開度，提高拱壩的整體性。試驗成果證明了本項研究提出的考慮橫縫的拱壩一結(jié)構(gòu)非線性動力相互作用模型計算得以的橫縫開度與試驗吻合良好，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震作用下會發(fā)生張開、閉合和沿縫界面的相對錯動等現(xiàn)象， 從而對壩體應(yīng)力大小和分布都會產(chǎn)生很大的影響， 因此考慮橫縫影響的拱壩動力響應(yīng)分析對高拱壩的抗震安全評價具有重要意義。 ( 1) 縫的張開可避免大的拱向應(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算效率； ( 3) 沿伸縮縫剪切滑動對壩體的位移場和應(yīng)力場有重要影響。但國外的研究大都針對 100m 級的拱壩， 我國學(xué)者還針對正在建設(shè)中的 300m 級的超高拱壩——小灣拱壩中的橫縫條數(shù)、橫縫間距對壩體地震響應(yīng)的影響進行了大量的研究 ， 并得到了一些對工程實際有重要參考價值的規(guī)律 。但由于研究者所采用的橫縫計算模型與計算方法的不同， 使得計算出的橫縫開度沿拱圈方向的分布規(guī)律以及縫開度的大小都有很大的差別。例如， 對小灣拱壩的研究就出現(xiàn)了這種情況 。強震時高拱壩的橫縫張開度大小及其對大壩地震響應(yīng)的影響關(guān)系到拱壩的抗震安全評價的結(jié)果以及所需要采取的抗震工程措施， 具有重要的實際意義。在西部大開發(fā)戰(zhàn)略支撐下，‘’十五‘’期間我國將有一批世界級的高拱壩在西部地區(qū)進行建設(shè)或規(guī)劃進行建設(shè)。所以， 考慮橫縫影響的拱壩地震響應(yīng)分析仍有進行深入研究的必要。

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