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        面板堆石壩面板應(yīng)力分析及抗擠壓破壞措施

        2014-04-29 00:00:00王朝領(lǐng)
        基層建設(shè) 2014年23期

        摘要:混凝土面板堆石壩在水利工程中得到廣泛應(yīng)用,筆者在本文中對面板應(yīng)力的分布情況及產(chǎn)生擠壓的原因做了分析,并用接觸力學方法模擬了堆石體與混凝土面板間的接觸丙烯,并利用假設(shè)應(yīng)變單元,消除了由于彎曲變形而導致的面板單元剪切自鎖,降低了面板的撓度及應(yīng)力數(shù)值計算誤差。文章結(jié)合實例對上述問題進行了分析。

        關(guān)鍵詞:面板堆石壩;應(yīng)力分布;擠壓;措施

        面板堆石壩大多可就地取材,利用工程開挖石料作為堆石料,降低了工程的投資,是一種比較經(jīng)濟和安全的壩型。但是隨著其應(yīng)用的增加,也出現(xiàn)了不少的問題,比如堆石壩面板發(fā)生開裂,對大壩表面的防護體系造成了嚴重的影響,出現(xiàn)堆石體不均勻下降、抗剪能力下降等問題[1]。本文結(jié)合某已建面板堆石壩,分析了面板結(jié)構(gòu)抗裂仿真分析。

        一、工程概況

        我縣某中型水庫工程壩頂高程為1284.6m,壩頂寬度8m,最大壩高為82.6m,上游、下游壩坡均為1:1.4。壩體填筑分5個區(qū)域,分別為主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、下游堆石區(qū)和墊層區(qū),堆石料源為石料場開采及建筑物開挖料。趾板為0.5m的等厚趾板,寬度分為4 m、5m、6m,面板厚度0.3~0.56m,趾板與面板砼標號C25,抗?jié)B標號W8,抗凍標號F100。根據(jù)既定方案,工程期限為2年,為最大限度節(jié)省工期,大壩堆石體的填筑為一次完成。為了按時完整進度,需要遵循安全渡汛及確保填筑質(zhì)量為原則,壩體填筑完成并間隙一個月后方開始澆筑混凝土面板。

        該流域年平均氣溫7℃~16℃,1月份氣溫2℃~5℃,7月份氣溫23℃~29℃,極端最高、最低氣溫分別為 37.4℃、-9.8℃。流域內(nèi)的濕度平均為78%~82%,其中10~12月份的濕度最高,在80%~84%之間。

        二、應(yīng)力分布計算方法及條件

        采用接觸力學分析方法,對面板與堆石體自檢的接觸特性進行模擬,其中,面板為獨立可變性接觸體,可承受一定的彎矩作用,在描述彎曲時,可能出現(xiàn)較大的誤差,因此采用架設(shè)應(yīng)變方法消除,且無剪應(yīng)變,計算式如下[2]

        式中,Ke為一點積分剛度,Kestab為秩2的穩(wěn)定剛度。

        在本文中,筆者主要是分析各種因素對面板盈利的影響及工程措施的作用,因此描述堆石體采用鄧肯E-B模型。參數(shù)見表1。

        表1 E-B材料參數(shù)值表

        名稱

        Pd(g/m3)

        K

        n

        Rf

        Kb

        m

        主堆石

        2.15

        1100

        0.34

        0.82

        600

        0.20

        次堆石

        2.15

        860

        0.34

        0.80

        500

        0.10

        下游堆石

        2.15

        1200

        0.34

        0.81

        600

        0.20

        墊層料

        2.18

        1200

        0.44

        0.80

        650

        0.20

        混凝土澆筑,自面板前趾板開始,采用滑模法,速度為3m/h,不間斷澆筑?;炷翝仓c入倉溫度相同,詳見圖2。

        圖2" 混凝土面板絕熱溫升圖

        經(jīng)計算,對面板撓度與應(yīng)力影響最大的因素為堆石上游的變形差,比前期堆石網(wǎng)格變形程度放大了25倍。由于面板上部的面板會產(chǎn)生比較大的撓度變化,提示該處面板上表面可產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。而計算結(jié)果顯示,該處的拉應(yīng)力,最大值為2MPa[3]。因此,堆石填筑時,在堆石層數(shù)不斷增加的情況下,面板表面張力會逐漸增加,二層填筑時的拉應(yīng)力為1MPa。

        在完成堆石填筑后,間隔30d進行面板澆筑,結(jié)果顯示,變形差僅為-0.1m。,未產(chǎn)生較大的應(yīng)力與彎曲變形,拉應(yīng)力為0.4MPa。

        由于本工程年內(nèi)大氣濕度較大,旱季長期不降雨時,可造成面板產(chǎn)生較大干縮應(yīng)力:3d不下雨,拉應(yīng)力為0.2MPa;7d內(nèi)不降雨,拉應(yīng)力可達0.5MPa;連續(xù)30d無降雨,表面拉應(yīng)力為1.4MPa。由此可知,混凝土干縮影響程度雖然很小,但是表面拉力比較大。經(jīng)分析,該工程彎曲應(yīng)力場、溫度應(yīng)力場近似“/”型分布,增加了面板開裂的可能性。

        三、抗擠壓破壞的措施

        面板如果發(fā)生開裂,則處理需要投入大量的人力物力,且處理的效果也可能不理想,所以需要根據(jù)面板開裂產(chǎn)生的機理,制定有效的對策,改善面板應(yīng)力分布,減少面板發(fā)生裂縫的幾率。

        • 優(yōu)化施工方案

        應(yīng)力數(shù)值計算結(jié)果、面板撓度變形結(jié)果說明,在受拉區(qū)域內(nèi),面板集中在上部,所以可適當降低面板上升的高度,改善面板應(yīng)力狀況[4]。面板最大拉應(yīng)力下降,將原計劃的應(yīng)力值3.8MPa降至2.8MPa。

        • 推遲方案

        利用增大面板與堆石體高程差的方法,解決面板拉應(yīng)力的效果仍舊不理想,而且又要考慮工期,所以可將面板的澆筑時間盡量往后推遲,以降低面板的應(yīng)力[5]。由計算結(jié)果可知,如果工程的工期等施工條件許可,可通過推遲澆筑面板的方式消除面板的拉應(yīng)力。

        • 保溫板的保溫保濕措施

        經(jīng)驗表明,面板表面具有3cm的聚氨酯保溫板,則在遭遇寒潮期時,面板混凝土內(nèi)外溫差的不超過2℃,而在寒潮期間,面板表面沿坡壩方向的拉應(yīng)力值僅僅為0.2MPa。同時,為了保證面板的保溫保濕效果,當面板表面存在1mm厚的聚氨酯時,則可控制超過90%以上混凝土的濕度,也就大幅降低了面板表面的干縮應(yīng)力。

        結(jié)語:

        筆者在本文中,結(jié)合某工程實際,對面板應(yīng)力分布情況及產(chǎn)生應(yīng)力的原因進行了系統(tǒng)的分析。在分析中,利用了接觸力學分析方法,以及假設(shè)應(yīng)力單元,從而使得面板撓度與彎曲應(yīng)力計算結(jié)果的可信度增加。根據(jù)濕度、變形及溫度的結(jié)果,得出遭遇寒潮后的溫度、濕度應(yīng)力場分布趨勢相似,兩者疊加后,面板易出現(xiàn)裂縫。為了降低面板裂縫的發(fā)生率,提高其耐久性,主要的工程措施為優(yōu)化施工方案、推遲工期和采取有效的保溫保濕措施等。實際應(yīng)用表明,這些工程措施的效果理想,值得在類似工程中推廣應(yīng)用。

        參考文獻:

        [1]程嵩,張嘎,侯文峻等.有擠壓墻面板堆石壩的面板溫度應(yīng)力分析及改善措施研究[J].工程力學,2011,04:76-81.

        [2]孔憲京,周揚,鄒德高,徐斌.高面板堆石壩面板應(yīng)力分析及抗擠壓破壞措施[J].水力發(fā)電學報,2011,06:153-158+257.

        [3]孔憲京,周揚,鄒德高等.高面板堆石壩面板應(yīng)力分析及抗擠壓破壞措施[J].中國水力發(fā):,2011,12:145-146.

        [4]萬里,羅永祥,范建朋等.馬來西亞巴貢混凝土面板堆石壩面板抗擠壓破壞措施探討[J].西北水電,2007,04:37-39+48.

        [5]沈婷,李國英.超高面板堆石壩混凝土面板應(yīng)力狀態(tài)影響因素分析[J].巖土工程學報,2010,09:1345-1349.

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