沙牌碾压混凝土拱坝仿真结构模型试验研究

水电站设计D H P S第 19 卷第 4 期2 0 0 3 年 1 2 月沙牌碾压混凝土拱坝仿真结构模型试验研究张仲卿(广西大学 土木建筑工程学院 , 广西 南宁 530004)摘 要 :结合沙牌碾压混凝土拱坝仿真结构模型试验 , 介绍了这种试验方法的优越性 , 以及层面结构模拟方法 、大坝应力分布 、径 向位移分布 、超载能力和破坏机理 , 为工程设计提供了科学依据 , 对同类工程具有重要参考价值。关键词 :碾压砼拱坝; 仿真试验; 结构模型试验; 应力分布; 位移分布; 超载能力; 破坏机理; 沙牌水电站中图法分类号 : TV321文献标识码 :A文章编号 :1003 - 9805 (2003) 04 - 0036 - 051仿真结构模型试验的优越性常态混凝土拱坝结构模型试验研究 , 一般用石 膏模型进行模拟 。石膏为脆性材料 , 视为匀质体 , 坝 体则为混凝土匀质体 , 石膏与混凝土均属匀质的脆 性材料 。仿真结构模型是用原型材料即混凝土制作 模型 , 模拟原型结构 。这种试验方法称为仿真结构 模型试验 。由笔者承担的“八五”国家重点科技攻关 项目子题“龙滩碾压混凝土重力坝承载能力研究”,把碾压混凝土视作均质体 。对于施工缝及冷缝 , 由 于间隔时间超过了终凝时间 , 或者超过了加垫层拌 合物铺筑允许的时间 , 虽然表面进行了刷毛 、冲毛 , 并清洗干净后 , 铺水泥粉煤灰砂浆等措施 , 但骨料没 有相互嵌入 , 显然形成了一个薄弱环节 。至于初凝 后 , 在加垫层铺筑允许时间之前时的缝面情况 , 则介 于二者之间 , 一般采用铺筑水泥粉煤灰浆即可连续 浇筑 , 并达到和满足对层间结合的要求 , 但相对说 来 , 缝的不均匀程度和产生薄弱面的可能性要比“热 缝”大一些 。原电力工业部在鉴定时指出 “:仿真模型做到了筑坝对于“热缝”和在加垫层铺筑允许时间之内形成材料仿真和基本能反映碾压混凝土分层施工 、形成 呈层结构特征 , 直接采用混凝土为试验材料 , 可以避 免研究复杂的碾压混凝土的本构关系 , 和传统的石 膏模型试验比较 , 更能客观地反映实际情况”; 国家 电力公司在验收“九五”国家重点科技攻关项目子题 “沙牌碾压混凝土拱坝承载能力研究”时 , 同样肯定 了仿真结构模型的优越性 。笔者结合沙牌拱坝仿真 结构模型试验 , 研究了沙牌碾压混凝土拱坝的应力 分布 、温度应力 、超载能力 、破坏特征等 。此后用非 线性有限元计算进行验证 , 两者成果较为接近 。2 层面薄弱环节模拟碾压混凝土拱 坝 分 层 碾 压 施 工 一 般 每 层 约 30cm , 根据不同的施工情况 , 对层间缝的处理方式 及层间缝的结合质量有所不同 。“热缝”间隔时间 短 , 一般在初凝之前即直接覆盖混凝土 , 此时骨料在 碾压层面呈嵌入状态 , 通过钻孔取芯样看出 , 可近似的缝 , 大量的层面易产生隐状的层状结构 , 影响层面 的黏结强度 , 其原因有以下几个 :拌和后的混凝土在 运输平仓过程中 , 产生骨料分离 , 骨料颗粒铺在层面 上 , 黏结较差 ; 碾压混凝土在碾压过程中形成孔隙和 多余的水分排出困难 , 使层面形成薄弱环节 ; 下层混 凝土表面的干湿状态不符合施工要求 , 碾压混凝土 的稠度 Vc 值过大或小 ; 卸料集中 , 铺料厚度过大 , 振动压实能量不足 , 密实度小于要求值 。这些因素 都将会产生层面薄弱环节 。当 Vc 值适中 , 层面在 初凝前便覆盖 , 碾压使上层骨料嵌入到下层混凝土 中 , 形成咬合 , 从芯样上看不出层面 。沙牌碾压混凝土拱坝仿真结构模型试验研究 , 共制 作 了 两 个 1 80 比 尺 的 模 型 和 32 块 试 件 (150mm 150mm 150mm) , 试件分两组进行劈裂 抗拉试验 。第一组顺试块 1/ 2 水平面劈拉 , 第二组 垂直水平面劈拉 , 第一组抗拉强度比第二组低 10 %- 12 % , 但也有少数试件仅低 5 % - 6 % 。第二组则 代表了碾压混凝土本体性能 , 使碾压混凝土产生了收稿日期 :2003 - 11 - 07基金项目 “: 九五”国家重点科技攻关项目 (96 - 220 - 02 - 01)作者简介 :张仲卿(1940 - ) , 男 , 四川省内江人 , 教授 , 博士生导师 , 研究方向为碾压混凝土筑坝技术 、大型水电站引水压力管道 。各向异性状态 。层面可分为三种状态 : 第一种层面 骨料相互嵌入 , 黏结很好 , 基本上看不出层面薄弱环 节; 第二种层面粗糙 , 有很少量嵌入 , 肉眼可看出层 面; 第三种层面比较光滑 , 层面明显 , 但数量很少 。 总之 , 仿真模型能比较真实地模拟碾压层面的施工 工艺以及碾压混凝土拱坝结构的本构关系 , 这是石 膏模型所无法比拟的 。3设计水压力作用下的应力和位移3. 1第一模型设计水压力作用下的应力 、位移分布 拱向应力 x :上游拱向应力分布 ( 见图 1a) 是在 183010m 高程压应力为最大 ,x = - 4168MPa , 向上 逐渐减小 , 由中部偏右向两岸逐渐减小 , 全为压应 力 。下游拱向应力 (图 1b) 以拱端受压最大 , 向拱冠减小 , 最大压应力 x = - 5179MPa , 拱冠下部受拉 , 最大拉应力 x = 0144MPa 。在两条横缝附近受缝影 响 , 拱向应力略有减小 。梁向应力 y : 上游 ( 图 1c) 梁底主要受拉 , 也有 个别点受压 , 最大竖向拉应力 y = 2132MPa , 拱冠中 部受压 , 最大压应力 y = - 2112MPa 。下游 ( 图 1d) 梁底受压 , 最大压应力 y = - 3105MPa 。岸坡上的 边梁以受拉为主 , 拱冠中部受拉 , 最大拉应力 x = 1148MPa 。主应力 1 ,2 : 下游面左 、右岸边主应力较大 , 最大主拉应力 1 = 1174MPa , 位于右岸 1790m 高程 , 最大主压应力 2 = - 3194MPa 。径向位移以拱冠为最大 ,= 2916mm , 向两岸逐 渐减小 , 从坝顶向坝底减小 。横缝处有径向错动 , 最 大错动 312mm , 中间段位移值大 , 岸边段位移值小 。图 1 第一模型设计水压力作用下应力分布 (MPa)3. 2第二模型设计水压力作用下的应力 、位移分布 拱向 应 力 x : 上 游 拱 向 应 力 分 布 仍 是 在 183010m 高程压应力为最大 ,x = - 4129MPa , 由中 部偏右向两岸逐渐减小 , 全为压应力 。下游拱向应 力以拱端受压最大 , 向拱冠减小 , 最大压应力 x =- 5107MPa ; 拱 冠 下 部 受 拉 , 最 大 拉 应 力 x = 0119MPa 。在两条横缝附近受缝影响 , 拱向应力略 有减小 。梁向应力 y : 上游梁底主要受拉 , 最大竖向拉 应力 y = 2168MPa (实际应变值为 103 10 - 6) , 拱冠 中部受压 ,最大压应力y = - 2147MPa ; 下游梁底受压 , 最大压应力 y = - 2182MPa 。岸坡上的边梁以受拉为主 ,拱冠中部受拉 ,最大拉应力y = 1177MPa 。 径向位移以拱冠为最大 ,= 3112mm , 向两岸逐渐减小 , 从坝顶向坝底减小 。横缝处有所错动 , 最大 径向错动 116mm , 右岸横缝沿拱向张开 018mm 。4超载与破坏特征常态混凝土拱坝结构模型试验研究 , 一般采用 石膏模型进行模拟 , 其超载破坏特性是 ( 见图 2) : 首 先从坝踵开裂 , 紧接着产生的裂缝多数垂直于坝基 , 与水平面呈一交角 , 裂缝垂直于基面的原因主要是 由于拉应力很大 。实际上 , 用石膏模型模拟碾压混37凝土坝也可得同样的破坏特性 。但制作成层的石膏 模型相当困难 , 还有一个复杂的模型与原型的转换 问题 , 试验成果的精度主要取决模型转换技术 。而 仿真结构模型试验则能方便地模拟坝体的成层特 征 。沙牌拱坝超载与破坏的结构模型试验研究共制 作了两个 180 的仿真模型 , 第一个模型 , 当水压力 加 到 215 倍 设 计 水 压 力 时 , 1786170m 高 程 和 1798170m 高程沿水平碾压层面从右岸边开裂 , 迅速 向左岸延伸 , 一直达到左岸 。在 1827150m 高程则从 右岸边开始开裂迅速延伸接近拱冠 , 然后竖向转向 坝顶 。层面间错动 , 模型错动达到 3mm , 相当于结 构原 型 240mm 。径 向 位 移 由 159120mm 增 加 到 207120mm , 荷载不能继续上升 , 结构失去承载能力 , 拱坝破坏后的主要裂缝见图 3 。图 2 石膏模型裂缝开展4. 1第一个模型4. 1. 1115 倍设计水压力下的应力分布和径向位移 拱向应力 x : 上游拱向应力分布仍以 183010m 高程的压应力为最大 ,x = - 5182MPa , 向上 、下逐 渐减小 , 由中部偏向右压应力为最大 , 向两岸逐渐减 小 ,全部受压 ; 下游拱向应力以拱端压应力为最大 ,两端向拱冠逐渐减小 , 最大压应力 x = - 9141MPa 。 梁向应力 y : 上游面以受压为主 , 最大压应力y = - 2114MPa ; 下游梁向应力以受拉为主 , 最大拉 应力 y = 2116MPa , 最大压应力 y = - 2169MPa 。径向位移以拱冠为最大 ,r = 4516mm , 向两岸逐渐减小 , 从坝顶向坝底减小 。两条横缝处最大径 向错动 614mm , 中间段位移大于岸边段 。4. 1. 2210 倍设计水压力下的应力分布和径向位移拱 向 应 力 x : 上 游 最 大 拱 向 应 力 x = - 12101MPa , 向两岸逐渐减小 , 全部受压 , 右侧压应力 大于左侧 ; 下游拱向应力全部受压 , 两端压应力最 大 ,x = - 18182MPa ; 受横缝的影响中部应力呈马 鞍形 。梁向应力 y : 上游面以受压为主 , 最大压应力 y = - 6183MPa , 下游梁向应力以受拉为主 , 最大拉 应力 y = 5154MPa (实际应变值为 212 10 - 6) 。38径向位移以拱冠为最大 ,r = 8818mm , 向两岸 逐渐减小 , 从坝顶向坝底减小 , 两条横缝处最大径向 错动 12mm 。4. 2第二个模型4. 2. 1115 倍设计水压力下的应力分布和径向位移 拱向应力 x : 上游拱向应力分布仍以 183010m 高程的压应力为最大 ,x = - 6115MPa , 位于中部偏 右 , 向上 、下逐渐减小 , 向两岸逐渐减小 , 全部受压 ; 下游拱向应力以拱端压应力为最大 , 两端向拱冠逐渐减小 , 最大压应力 x = - 8134MPa 。梁向应力 y : 上游面梁底以受拉为主 , 最大拉 应力 y = 1192MPa ; 下游梁向应力以受拉为主 , 最大 拉应力 x = 2148MPa 。径向位移以拱冠为最大 ,r = 4916mm , 向两岸 逐渐减小 , 从坝顶向坝底减小 。两条横缝处有径向 错动 , 最大径向错动 410mm , 左 、右岸横缝沿拱向均 张开 018mm 。4. 2. 2210 倍设计水压力下的应力分布和径向位移 拱 向 应 力 x : 上 游 最 大 拱 向 应 力 x = -10187MPa , 向两岸逐渐减小 , 全部受压; 下游拱向应 力 几 乎 全 部 受 压 , 两 端 压 应 力 最 大 , x = - 12166MPa ; 中部因受横缝的影响应力呈马鞍形 。梁向应力 y : 上游面坝踵以受拉为主 , 最大拉 应力 y = 3156MPa , 最大压应力 y = - 3117MPa ; 下 游梁向应力以受拉为主 , 最大拉应力 y = 2111MPa 。径向位移以拱冠为最大 ,r = 7316mm , 向两岸 逐渐减小 , 从坝顶向坝底减小 ; 两条横缝处有径向错 动 ,最大径向 错 动 610mm , 右 岸 横 缝 沿 拱 向 张 开 312mm 。4. 2. 3217 倍设计水压力下的应力分布和径向位移 拱向应力 x : 上游拱向应力分布是在 183010m 高程的压应力最大 ,x = - 12174MPa , 向两岸逐渐 减小 , 全部受压 , 右侧压应力大于左侧 ; 下游拱向应 力 ,两端压应力最大 ,x = - 17178MPa , 最大拉应力x = 15141MPa ; 中部应力呈马鞍形 。梁向应力 y :上游面最大拉应力 y = 3169MPa , 下游 梁 向 应 力 以 受 拉 为 主 , 最 大 拉 应 力 y = 7164MPa (实际= 294 10 - 6) 。径向位移以拱冠为最大 ,r = 22418mm , 向两岸逐渐减小 , 从坝顶向坝底减小 ; 横缝处最大径向错动1316mm , 右岸横缝沿拱向张开 810mm 。4. 3破坏特征第一模型当水压力加到 215 倍设计水压力时 , 1786170m 高程和 1798170m 高程沿水平碾压层面从 右岸开始开裂 , 迅速向左岸延伸 , 一直到达左岸 。在 1827150m 高程 , 从右岸边开始开裂并迅速延伸接近拱冠 , 然后竖向转向坝顶 。层面间的错动 , 模型达3mm ,原型为 240mm , 径向位移由 159120mm 增加到207120mm , 荷载不能继续上升 , 结构失去承载能力 。 拱坝破坏后的主要裂缝见图 3 。图 3 破坏特征当第二模型水压力加到 217 倍设计水压力时 , 结构失去承载能力 , 破坏情况与第一个模型基本相 同 。过去所作的石膏模型或其他均质体模型 , 裂缝 多出现在 45方向 , 即垂直于岸坡方向 , 因为这一些 部位的主拉应力最大 , 几条破坏性裂缝呈交错状态 。 碾压混凝土是呈层状结构 , 层面为薄弱环节 。仿真 结构模型的特点是模拟了层面薄弱环节 , 因此裂缝 首先出现在薄弱的层面 , 图 3 的破坏模式反映了结 构呈层破坏这一特性 。在验收“九五”国家重点科技 攻关项目此子题时 , 专家组肯定了这种破坏模式是 合理的 , 反映了碾压混凝土的本构关系 , 反映了碾压 混凝土的呈层状态 。应指出的是 , 拉应力大于 212MPa 是不妥的 。温度场 , 但对无热源的温度场 , 则必须调试模型表面 温度 , 形成温差 。例如上游高 、下游低 , 则保持上游 温度不变 , 用泡沫板密封表面 , 使上游保持恒温 。实 际上模型表面温度还是有一个微小的变幅 , 大约 12 。模型下游由泡沫围成一个空腔 , 分为 34 层 ,若使下游降温 , 在每层堆放装有冰块的塑料袋 , 每袋冰块重 34kg 。模型坝面上 、下游各放置 20 余 只温度计 , 用于监测坝面温度 , 坝内埋设 54 只温度 计 。用日本三荣公司生产的 7V08 万能数据采集仪 自动采集和记录温度 。下游采取调整冰袋至坝面的 距离来调试温度 。若坝面温度偏高 , 则移近冰袋 , 若 温度偏低 , 则移远冰袋 , 使表面温度基本满足要求 , 误差约 12 。5. 2 温度应力温度应力采用自制的应变计进行量测 , 埋设应 变计 54 只 , 位于 1867150m 、1830100m 、1790100m 和 1750100m 高程 , 分为竖直方向和水平方向 。因在碾 压混凝土中埋设困难 , 没有 45方向的应变计 。在埋 设应变计前要对应变计进行严格的率定 , 确定温度应变曲线 , 这是一个关键环节 。温度应力试验未 计入徐变应力 , 试验结果的精度会受到影响 。葡萄 牙国立土木工程试验所曾使用油浴加温方法 , 将模 型坝体浸泡在油浴内 。仿真材料模型试验用冰块降 温 , 省略了复杂的参数转换 , 如导热系数 、导温系数 、 放热系数等参数的转换 , 在某些情况下作为理论分 析的验证和补充是可行的 。按相似原理 , 对于无内热源的温度场 , 应满足式(1) :因为拉应力超过抗拉强度后 , - 曲线软化 ,值开始下降 , 只是 值升高 , 为了便于表示 , 仍采用 = E, 而且设 E 值不变 , 才会出现上述现象 。L H 2=Lm对于仿真模型 , 有L H 2 a Ht H amtm t H(1)5温度应力试验研究=Lmtm(2)温度应力是拱坝产生裂缝的主要原因之一 , 温 度应力问题实质上分为温度场及温度场影响下产生对于稳定温度场 , 则与时间无关 。对于仿真材料结构模型 , 模型与原型材料相同 ,有的应力场 。施工期温度场的测试为有热源的温度场 测试 。由于仪器的自动化程度和精度较高 , 所得测 点读数较多 , 因此获得的成果可靠性较好 。但如何 将模型的温度场转化为原型的温度场还需进一步完 善 。通过模型试验 , 预估原型的温度场还是较有意义的 。从某种程度上说 , 优于数值计算成果 。HTH=mTmHTHL H=mTmLmHTHT=mm(3)(4)(5)5. 1模型表面温度的模拟对于施工温度场 , 表面温度模型不一定模拟 , 因 为室内温度变幅仅 1 2 , 对表面温度可不必调 整 。模型内水化热温升使内部温度自然升高 , 形成说明应力比值只与温度有关 。图 4 为上游温度不变 、下游温度降低时的温度 实测值 。模型应力 m = Em , E 为模型材料的弹性 模 量 ,m 为模型温度降低时实测应变值 , 根据上式39图 4 实测温度降低值 ( )可换算得到相应的温度应力 。若按要求的温度场 ,则按式 (3) (5) 换算为原型的温度应力 。6结束语仿真模型做到了筑坝材料仿真和基本能反映碾 压混凝土分层施工形成的成层结构特征 , 直接采用 混凝土为模型材料 , 可以避免研究复杂的碾压混凝 土的本构关系 , 和传统的石膏模型试验比较 , 更能客 观地反映实际情况 , 精度高于石膏模型 。仿真结构 模型试验表明 , 碾压混凝土拱坝在施工过程中由于种种原因存在着众多的层面薄弱环节 , 因此超载破 坏首先来自层面 , 形成沿层面破坏 , 反映了碾压混凝 土拱坝的破坏形态 。试验所得的应力分布 、承载能 力和破坏机理 , 为设计提供了依据 , 对于设计和施工 都具有一定指导意义 。参考文献 : 1 张仲卿 1 碾压混凝土拱坝沿层面破坏机理研究 J . 水利学报 ,2003 , (2) .2 张仲卿 1 碾压混凝土拱坝设计与应力分析 J , 水利学报 ,1992 , (7) .Study of Simulation Structural Model Testing for Shapa i RCC Arch DamZHANG Zhong2qing(Department of Civil Engineering , Guanxi University , Nanning 53004 , China)Abstract :Based on Simulation structural model testing for Shapai RCC Arch Dam ,the paper brieves on advantages of the test ,the method for simulation of RCC layer interface , the dam stress distribution , radial displacement distribution , overload capacity & failure mechanism. The study results provide scientific basis for the project and important reference for other similar projects.Key words :roller compacted concrete arch dam ; simulation testing ; structural model testing ; stress distribution ; displacement distribution ;fail2ure mechanism ; Shapai Hydroelectric Power Station西北水力发电征订启事西北水力发电公开发行 ,国内统一刊号 :61 - 1388/ TK, 国际刊号 :ISSN167124768 。目前是中国电力网、中国电力新闻 网、中国期刊网、中国学术期刊 (光盘版) 万方数据资源网、北极星网入编入网期刊 。西北水力发电主要报道水力 、电力 、风力等能源利用的新理论 、新成果 、新技术 、新产品 , 主要反映有关水力 、电力 、风力 与新能源的理论研究和试验成果 ,介绍水利工程 、电力工程与新能源高新技术信息 。内容包括 : 水库 、大坝 、电站 、厂房 、变电 站 、电网和供用电的勘测 、规划 、设计 、施工和运行管理 ,水力机械及电气设备的设计 、制造 、安装和运行等 ,涉及水力计算 、坝工 技术 、电站建设 、厂房结构 、设备制造安装 、运行与监测 、高电压输变电技术 、电力系统与自动化 、电器与仪表 、计算机应用与网 络 、热工计量与测试 、金属材料与性能 、水轮机与发电机 、库区旅游开发 、环境保护与治理等方面的文章 , 试验研究 、生产经验 总结 、调查研究等 ,并介绍国外水电建设经验 。西北水力发电是西北五省 (区) 水力发电工程学会联系网网刊 ,欢迎投稿 ,欢迎出版专辑 ,欢迎厂家刊登广告 。西北水力发电全年邮购价为 32 元 ,编辑部全年办理订购手续 。 电话 : (029) 2312694电子邮件 :sxhy mail. xaut. edu. cn地址 :西安市金花南路 5 号 西安理工大学 202 信箱邮编 :71004840