高碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)方案的探究

潘燕琴

（廣西壯族自治區(qū)河池水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

高碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)方案的探究

潘燕琴

（廣西壯族自治區(qū)河池水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

本文主要采用了現(xiàn)場(chǎng)、室內(nèi)試驗(yàn)分析計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)壩體應(yīng)力計(jì)算方法和承載能力、施工期溫度應(yīng)力分析方法和溫控防裂措施以及大壩連續(xù)施工技術(shù)等問(wèn)題進(jìn)行了研究，從而建立了一套符合我國(guó)高碾壓混凝土重力壩特點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法。

高碾壓混凝土重力壩；設(shè)計(jì)方案

1 前言

高碾壓混凝土重力壩是一種新型的壩型，它的施工工藝較為簡(jiǎn)單，易于掌握且成本較低，投資收益較快，因此受到人們廣泛的應(yīng)用。但是隨著高碾壓混凝土重力壩的不斷建設(shè)，也帶來(lái)了許多新的困難和挑戰(zhàn)。

2 應(yīng)力計(jì)算方法和承載能力的研究

高碾壓混凝土重力壩在應(yīng)力計(jì)算方法和承載能力方面的研究主要包括對(duì)碾壓混凝土重力壩及其材料性能的主要特點(diǎn)、混凝土重力壩設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的研究，通過(guò)對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行研究使得高碾壓混凝土重力壩的計(jì)算方法、應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)取值和安全系數(shù)等標(biāo)準(zhǔn)在配套的情況之下，滿足工程的安全標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)要求。在對(duì)混凝土筑壩及其材料進(jìn)行研究時(shí)，要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)的結(jié)果，來(lái)對(duì)混凝土的配合比和密度進(jìn)行研究，明確混凝土的配合比與密度之間的關(guān)系，從而為設(shè)計(jì)密度與混凝土壩的質(zhì)量控制提供依據(jù)。除此之外，還要根據(jù)大量碾壓混凝土層面抗剪斷試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)特性的試驗(yàn)結(jié)果，來(lái)對(duì)混凝土凝聚力和摩擦系數(shù)的變異系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，從而對(duì)碾壓混凝土重力壩應(yīng)力和承載能力進(jìn)行分析計(jì)算。同時(shí)，還要對(duì)混凝土強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)和粒徑效應(yīng)進(jìn)行分析研究，從而得出這兩種效應(yīng)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響情況，為高壩強(qiáng)度的分析提供依據(jù)。

在對(duì)重力壩壩基巖體質(zhì)量分級(jí)方法進(jìn)行完善之后，采用了人工智能的原理，創(chuàng)建了通用型重力壩壩基巖體分級(jí)專家系統(tǒng)，有效的提高了壩基巖體分級(jí)的質(zhì)量和效率。根據(jù)對(duì)壩基變形對(duì)重力壩應(yīng)力分布影響的分析可以看出，將壩基面應(yīng)力狀態(tài)從線性分布改成非線性分布時(shí)的附加應(yīng)力是平衡的，壩踵區(qū)拉應(yīng)力的范圍以及數(shù)值會(huì)對(duì)壩基的剛度產(chǎn)生影響。對(duì)重力壩實(shí)例的有限元應(yīng)力進(jìn)行分析研究，可以對(duì)有限元法的壩基面應(yīng)力制定出相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)計(jì)算的彈塑性增量理論、線性斷裂理論以及非線性彈性理論進(jìn)行研究之后可以對(duì)水電站重力壩的應(yīng)力狀態(tài)、承載能力有一定的了解。根據(jù)碾壓混凝土損傷軟化和擴(kuò)容的實(shí)際情況，突出了穩(wěn)定性理論和提高材料抗剪強(qiáng)度保證率的安全儲(chǔ)備原則等系統(tǒng)化的方法。在對(duì)重力壩的破壞過(guò)程、破壞機(jī)理以及承載能力和安全余度進(jìn)行研究時(shí)，建立了可以準(zhǔn)確計(jì)算重力壩穩(wěn)定性的方法，并制定了判別混凝土重力壩是否穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。研究工作還對(duì)材料強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了研究，并將重力壩承載能力的穩(wěn)定性與強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)碾壓混凝土重力壩的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)其承載能力產(chǎn)生影響，混凝土重力壩的穩(wěn)定性是對(duì)碾壓混凝土材料質(zhì)量以及是否軟化等情況的具有反應(yīng)，運(yùn)用工程結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的計(jì)算分析新方法可以得出壩體在失去穩(wěn)定性之前的臨界數(shù)值，從而保證壩體的安全使用。

3 溫度應(yīng)力分析和防裂措施

在對(duì)高碾壓混凝土重力壩溫度應(yīng)力的規(guī)律進(jìn)行研究之后發(fā)現(xiàn)高碾壓混凝土重力壩溫度應(yīng)力不同于常態(tài)的混凝土重力壩溫度應(yīng)力，這就使得對(duì)高碾壓混凝土重力壩的溫度控制研究有了針對(duì)性。高碾壓混凝土的防裂能力略微低于常態(tài)混凝土，較容易出現(xiàn)裂縫情況，基礎(chǔ)溫差與壩體自重以及水壓力共同作用使得拉應(yīng)力減小。一般情況下，通倉(cāng)澆筑的碾壓混凝土重力壩的上下層溫差會(huì)導(dǎo)致較大的拉應(yīng)力，內(nèi)外溫差會(huì)始終起控制作用，由于基巖表面墊層混凝土的溫度應(yīng)力比較大，所以要采取必要的措施來(lái)防止裂縫的產(chǎn)生。

通過(guò)“九五”對(duì)碾壓混凝土重力壩溫度應(yīng)力的計(jì)算方式進(jìn)行了改善，提出了并層壩塊接縫單元、仿真并層復(fù)合單元、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分區(qū)異步長(zhǎng)解法、和等效熱傳導(dǎo)方程等一系列計(jì)算方法，除此之外，還將非穩(wěn)定溫度場(chǎng)分區(qū)異步長(zhǎng)解法與三維有限元浮動(dòng)網(wǎng)格法結(jié)合在一起，創(chuàng)新了計(jì)算機(jī)的程序，精確了工程溫度應(yīng)力的計(jì)算分析。

溫度應(yīng)力仿真計(jì)算方法主要應(yīng)用于水電站碾壓混凝土重力壩從施工期開始到運(yùn)行期的全程計(jì)算，可以快速的分析出不同工況之下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)情況。根據(jù)研究的結(jié)果，制定了多種可行的溫控方案。

4 高溫多雨環(huán)境碾壓混凝土壩施工技術(shù)研究

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)，對(duì)氣溫、日曬、濕度、風(fēng)速等環(huán)境因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，得出了這些因素對(duì)碾壓混凝土連續(xù)施工質(zhì)量造成的影響。又根據(jù)水電站碾壓混凝土壩材料的配合比和性能，分析出了溫度、層面抗剪斷參數(shù)以及成熟度之間的關(guān)系，并制定了關(guān)系式，這個(gè)關(guān)系式可以根據(jù)具體的環(huán)境因素來(lái)快速的得到層間允許的間歇時(shí)間，從而為混凝土壩夏季施工設(shè)計(jì)方案和決策提供了參考。

在夏季高溫條件之下為延長(zhǎng)碾壓混凝土拌和物的初凝時(shí)間，對(duì)不同的緩凝劑的緩凝情況進(jìn)行了研究。對(duì)降雨對(duì)碾壓混凝土壩施工的影響進(jìn)行了研究，從而制定出相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，從而為雨季施工提供了依據(jù)。

高碾壓混凝土重力壩斜層平推鋪筑法使得工程可以在高溫與多雨夏季連續(xù)開展，采用高碾壓混凝土重力壩斜層平推鋪筑法可以用較小的澆筑強(qiáng)度覆蓋較大的壩體澆筑面積，從而減輕由于壩體分塊面積過(guò)小而帶來(lái)的不利影響，并且可以進(jìn)行大面積的澆筑，有效的提高了工程效率。由于斜層平推鋪筑法碾壓混凝土的層間間歇時(shí)間縮短了，所以使得混凝土各層面之間的結(jié)合情況得到了改善，因此，高碾壓混凝土重力壩斜層平推鋪筑法是適用于夏季施工的方法。根據(jù)對(duì)壩體鉆孔取樣進(jìn)行研究之后發(fā)現(xiàn)，斜層平推鋪筑法比通倉(cāng)薄層鋪筑法更加的具有抗剪強(qiáng)度。

5 施工層面處理和壩體快速施工技術(shù)分析

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)的研究發(fā)現(xiàn)，增加膠凝材料用量、縮短層間間歇時(shí)間、提高砂漿強(qiáng)度、進(jìn)行刷毛和鋪漿處理、保持層面上濕潤(rùn)、增大上下層骨料間的咬合程度等方式對(duì)于提高層面的膠結(jié)強(qiáng)度有顯著作用。層間間歇時(shí)間是決定碾壓混凝土層面處理選擇何種方式的重要素，如果層間間歇時(shí)間比較短，則可以選用鋪膠凝材料凈漿的處理方式，如果層間間歇時(shí)間比較長(zhǎng)，則要在層面上凹凸不平時(shí)進(jìn)行水平砂漿的鋪設(shè)工作。在對(duì)碾壓混凝土壩施工過(guò)程中傳熱介質(zhì)解算進(jìn)行研究之后發(fā)現(xiàn)，在夏季高溫條件下，要嚴(yán)格控制膠凝材料凈漿和水泥砂漿水膠在陽(yáng)光下的暴露時(shí)間，并且在配置時(shí)根據(jù)天氣的實(shí)際情況，對(duì)用水量進(jìn)行調(diào)整。降低砂漿和凈漿的入倉(cāng)溫度或者采取倉(cāng)面噴霧的方式可以有效控制水分蒸發(fā)的速度。

根據(jù)對(duì)碾壓混凝土壩施工工序過(guò)程進(jìn)行分析并對(duì)其內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行研究之后開發(fā)出了仿真的計(jì)算機(jī)軟件，從而對(duì)工程中出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行了研究，從而有助于保證決策的正確性，通過(guò)對(duì)施工過(guò)程中的參數(shù)以及過(guò)程進(jìn)行研究，為水電站碾壓混凝土壩制定具體的施工方案提供了參考依據(jù)。

綜合考慮碾壓混凝土壩建設(shè)工期，要求采用成都粉煤灰（二級(jí)）摻量一般控制為40～50%。外加劑選擇滿足緩凝、具有較好的減水作用的品種。沙牌壩碾壓混凝土的基礎(chǔ)配合比見表1。

該碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)90d齡期的抗壓強(qiáng)度為24.8MPa和23.29MPa（二、三級(jí)配，下同），極限拉伸值為 158×10-6和 146×10-6，彈模為17.42GPa和15.6GPa，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例。

表1 沙牌壩碾壓混凝土基礎(chǔ)配合比

6 總結(jié)

本文全面的提出了誘導(dǎo)縫的設(shè)置理論和方法，優(yōu)化了仿真計(jì)算的理論要求，對(duì)仿真計(jì)算的程序進(jìn)行了完善，并結(jié)合物力模型與數(shù)學(xué)分析的方式，對(duì)出拱壩的承載能力及開裂機(jī)制和破壞形態(tài)進(jìn)行了研究，提出了重復(fù)灌漿的成套技術(shù)，并揭示出水泥、骨料的微觀機(jī)理，從而配置具有高抗裂性能的碾壓混凝土，提高了工程所帶來(lái)的社會(huì)效益。

[1]隋馥名.高碾壓混凝土重力壩防滲結(jié)構(gòu)型式研究[J].黑龍江科技信息，2014（4）：170.

[2]劉占龍.高碾壓混凝土重力壩防滲結(jié)構(gòu)型式研究[J].黑龍江科技信息，2012（28）：264.

[3]莫志財(cái)，孫巖麗.倉(cāng)面設(shè)計(jì)在官地水電站碾壓混凝土重力壩施工中的應(yīng)用[J].混凝土世界，2011（11）：78～81.

[4]陳強(qiáng)，廖桂英，閆勇.官地水電站碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介[J].水電站設(shè)計(jì)，2013，29（03）：05～08.

TV642.3

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1004-7344（2016）25-0132-02

2016-8-15

潘燕琴（1987-），女，助理工程師，本科，主要從事水工設(shè)計(jì)工作。